Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben de techniek van frontale polymerisatie verbeterd, waarbij een kleine hoeveelheid warmte een bewegende reactiegolf veroorzaakt die een polymeer materiaal produceert. De nieuwe methode maakt een breder scala aan materialen mogelijk met een betere controle over hun thermische en mechanische eigenschappen.

De krant, "Snelle synthese van elastomeren en thermoharders met afstembare thermomechanische eigenschappen, " werd gepubliceerd in ACS-macrobrieven en geselecteerd als de keuze van de ACS-editors.

"Het meeste van het eerdere onderzoek keek naar stijvere materialen. Dit artikel is de eerste keer dat frontale polymerisatie is gebruikt om een ​​rubberachtig materiaal te synthetiseren, " zei Nancy Sottos, een Maybelle Leland Swanlund-leerstoel en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering, die ook de Autonomous Materials Systems Group leidt bij het Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "De nieuwe techniek stelt ons in staat om meer controle te hebben en maakt materialen die goede technische eigenschappen hebben in termen van sterkte en stijfheid."

De onderzoekers gebruikten een mengsel van twee monomeren, 1, 5-cyclooctadieen en dicyclopentadieen, om materialen te maken die op maat zijn gemaakt voor een breed scala aan toepassingen.

"Deze materialen zijn chemisch vergelijkbaar met wat in banden wordt gebruikt, " zei Leon Dean, een afgestudeerde student in de Sottos Group, dat onderdeel is van AMS. "Conventioneel, de synthese van rubbers vereist een organisch oplosmiddel, meerdere stappen, en veel energie, wat niet milieuvriendelijk is. Onze oplosmiddelvrije productiemethode versnelt het proces en vermindert het energieverbruik."

Met behulp van deze techniek, de onderzoekers waren in staat om materialen te maken die een vormgeheugenpolymeerhand demonstreren. Het vormgeheugeneffect treedt op wanneer een voorvervormd polymeer wordt verwarmd tot boven de glasovergangstemperatuur, dat is het punt waarop het polymeer verandert van een harde, glasachtig materiaal tot een zacht, rubberachtig materiaal. De opeenvolgende vormverandering werd mogelijk gemaakt door de verschillen in glasovergangstemperatuur tussen elke laag.

"We maakten een gelaagd materiaal in de vorm van een hand, waarbij elke laag verschillende hoeveelheden van de twee monomeren had en dus verschillende glasovergangstemperaturen, " zei Qiong Wu, een postdoctoraal onderzoeker in de Moore Group, die ook deel uitmaakt van AMS. "Als je het polymeer verwarmt tot boven de hoogste glasovergangstemperatuur en het vervolgens afkoelt, het vormt een vuist. Als je de temperatuur weer verhoogt, de cijfers van de vuist openen opeenvolgend."

De onderzoekers hopen deze techniek verder te ontwikkelen door hun controle over de polymeereigenschappen te verbeteren. "Hoewel we de afstembaarheid van verschillende eigenschappen over een breed bereik hebben aangetoond, het blijft een uitdaging om elke woning individueel aan te passen, ' zei Wu.

"Het opschalen van de techniek zal ook een uitdaging zijn, " zei Dean. "Het meeste van ons werk is gedaan op laboratoriumschaal. Echter, in grootschalige productie, er is een competitie tussen bulkpolymerisatie en frontale polymerisatie."

"Deze studie toont het Beckman Institute op zijn best, " zei Jeff Moore, een Ikenberry Endowed Chair, een professor in de chemie, en de directeur van het Beckman Instituut. "Het bracht twee groepen samen die verschillende perspectieven op een probleem hebben, maar deel een gemeenschappelijk doel."

Omar Alshangiti, een student in de Moore Group, leverde ook een belangrijke bijdrage aan het onderzoek door geschikte monomeercombinaties te onderzoeken, het voorbereiden van de meeste monsters en het meten van alle parameters van het frontale polymerisatieproces.