Een team van onderzoekers van het Institute of Synthetic Polymer Materials van de Russische Academie van Wetenschappen, MIPT en elders hebben vastgesteld hoe de regelmaat van polypropyleenmoleculen en thermische behandeling de mechanische eigenschappen van het eindproduct beïnvloeden. Hun nieuwe inzichten maken het mogelijk om een ​​materiaal te synthetiseren met vooraf bepaalde eigenschappen zoals elasticiteit of hardheid. Het artikel waarin de studie wordt beschreven, is gepubliceerd in Polymeer .

Wat het productievolume betreft, polypropyleen het is de tweede alleen voor polyethyleen. Door de moleculaire structuur aan te passen, polypropyleen kan worden gebruikt om materialen te vervaardigen met een breed scala aan functies, van elastische banden tot slagvast kunststof. Echter, de relatie tussen de chemische structuur van het polymeer en zijn mechanische eigenschappen is niet volledig begrepen.

Wat de eigenschappen van polymeermaterialen zo variabel maakt, is hun samenstelling. Een polymeermolecuul is een lange keten van herhalende eenheden van ongelijke lengte. Als deze moleculen min of meer willekeurig door elkaar worden gegooid in een materiaal, er wordt gezegd dat het amorf is. Dergelijke polymeren zijn zacht. Bij andere materialen, de polymeerketens vormen onderlinge verbindingen die crosslinks worden genoemd. Hierdoor ontstaan ​​gebieden met een zeer regelmatige atomaire structuur (fig. 1), vergelijkbaar met die van kristallen, vandaar de naam kristallieten. Ze houden het hele moleculaire netwerk bij elkaar, en hoe meer kristallieten er in een materiaal zijn, hoe moeilijker het is. Om kruisverbindingen te vormen, moleculaire ketens moeten een bepaalde structurele regelmaat hebben die isotacticiteit wordt genoemd.

Een polypropyleenketen bestaat uit een ruggengraat van koolstofatomen met daaraan gekoppelde waterstofatomen. Aan elk ander koolstofatoom in de keten is een methylgroep vastgemaakt. Twee aangrenzende koolstofatomen in de keten met de waterstofatomen en de methylgroep eraan gebonden vormen een herhalende eenheid genaamd propyleen, of propeen. De ruimtelijke configuratie van het macromolecuul - de polymeerketen - wordt bepaald door de onderlinge oriëntatie van de methylgroepen in de keten (fig. 2):Als ze allemaal aan één kant zitten, het molecuul wordt isotactisch genoemd. Als ze afwisselend de ene en de andere kant op kijken, de opstelling staat bekend als syndiotactisch. Het ontbreken van een consistent patroon wordt atacticiteit genoemd. Isotactische ketensegmenten zijn zeer effectief in het vormen van verknopingen. Daarom, een hogere isotacticiteit van polypropyleen resulteert in een sterker materiaal. Chemici kunnen polypropyleen synthetiseren met een vooraf bepaalde isotacticiteit. De auteurs wilden de precieze relatie tussen de mechanische eigenschappen van het materiaal en de isotacticiteit vaststellen.

Wat maakt het sterk?

De mate van isotacticiteit van een polymeer wordt uitgedrukt in termen van het gehalte aan pentaden erin. Een pentade is een perfect isotactisch molecuulsegment dat vijf herhalende eenheden lang is. De onderzoekers onderzochten polypropylenen die werden gekenmerkt door verschillende gradaties van isotacticiteit:specifiek, 25, 29, 50, 72, 78, 82, en meer dan 95 procent. Monsters van elk type polypropyleen werden verkregen in de vorm van films, 0,5-0,7 millimeter dik, met behulp van twee verschillende technieken:namelijk, blussen van het gesmolten materiaal in ijswater en afkoelen met een snelheid van 3 graden per minuut. De films werden vervolgens op een testmachine onderworpen aan rekken met 10 millimeter per minuut.

Met behulp van de resultaten van mechanische tests, de auteurs hebben voor elk van de monsters een spanning-rekcurve uitgezet. Ze ontdekten dat het gedrag van de monsters onder spanning verband hield met hun isotacticiteit en thermische prehistorie - dat wil zeggen, of ze langzaam of snel werden afgekoeld. De onderzoekers schilderden deze relatie af als een afhankelijkheid van de elasticiteitsmodulus van de mate van kristalliniteit (fig. 4). Hogere elastische moduli komen overeen met hardere materialen. De mate van kristalliniteit is het percentage van de kristallieten - in tegenstelling tot amorfe gebieden - in het volume van het materiaal. Het team toonde ook aan dat de kristallieten in afgeschrikte en langzaam afgekoelde monsters in vorm verschilden.

"Veel mensen doen pogingen om de eigenschappen van polypropyleen te verbeteren, omdat het rendement op de geïnvesteerde inspanningen groot is. Het wordt geproduceerd met miljoenen tonnen, en men hoeft de kettingstructuur of de voorbereidingsomstandigheden slechts een beetje aan te passen om een ​​materiaal met de gewenste eigenschappen te verkrijgen, " zegt auteur Maxim Shcherbina, die lesgeeft aan het MIPT en een vooraanstaand onderzoeker is bij het Laboratorium voor Functionele Polymeerstructuren van het Instituut voor Synthetische Polymere Materialen, RAS. "Tijdens de synthese, jij bepaalt de structuur van het molecuul. Maar als je dat doet, je bepaalt ook de eigenschappen van het netwerk en daarmee de eigenschappen van het materiaal. Dit is de belangrijkste conclusie die we in het artikel trekken. Direct, we doen soortgelijke dingen met polyethyleen, een ander vrij populair polymeer."