De rol van verstrengelingen kan de mechanische eigenschappen van glaspolymeermengsels bepalen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Cynthia Bukowski en een onderzoeksteam in polymeerwetenschap en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Massachusetts en de Universiteit van Pennsylvania, ONS., ontwikkelde een gecombineerde methode van experimenten en simulaties om de rol van verstrengelingen op polymeerglazen te kwantificeren. Het team voerde uniaxiale extensie-experimenten uit op 100 nm dunne films met een bidispersief mengsel van polystyreen, ter vergelijking met moleculaire dynamica-simulaties van een grofkorrelig model van polymeerglazen. De bidispersieve mengsels maakten een systematische afstemming van de verstrengelingsdichtheid in beide systemen mogelijk en de wetenschappers maten de filmsterkte experimenteel en beschreven de gesimuleerde filmtaaiheid met behulp van een model om rekening te houden met dragende verstrengelingen.

Glasachtige polymeren breken

Glasachtige polymeren zijn belangrijk voor een reeks technologieën, van additieve productie tot filtratiemembranen voor schoon water. De stijfheid en verwerkbaarheid van de materialen maken ze aantrekkelijk voor veel toepassingen voor onderzoekers om hun levensduur en prestatielimieten te bepalen. De verstrengeling tussen polymeermoleculen in de glasachtige toestand spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de sterkte. Glasachtige polymeermaterialen zijn buitengewoon bros onder een kritisch aantal verstrengelingen per molecuul en kunnen breken bij afnemende stressniveaus. Polymeermaterialen kunnen energie dissiperen boven een kritische verstrengelingsdichtheid om hun sterkte en taaiheid te verbeteren. Deze processen zijn uniek en leiden tot uiteenlopende technologieën. Vergrotingen zijn belangrijk voor de sterkte, maar vereisen vluchtige en dure oplosmiddelen of te hoge temperaturen tijdens de verwerking. In dit werk, Bukowski et al. combineerde nieuwe experimentele strategieën met moleculaire dynamica-simulaties om te onthullen hoe niet alle verstrengelingen in gelijke mate bijdroegen aan een polymeerglas. Het team ontwikkelde en valideerde een schaaltheorie om het aantal versterkende verstrengelingen per polymeerketen te beschrijven om een ​​raamwerk te bieden om de sterkte te maximaliseren met minimale verstrikkingen in een polymeerglas.

De mechanische eigenschappen van de polymeerglazen waren afhankelijk van het samenspel van van der Waals-krachten en verstrengelingen. Plastische vervorming wordt vaak geassocieerd met afschuifvervormingszones die voorafgaan aan scheurgroei. Verstrikkingen spelen een belangrijke rol in afschuifvervormingszones en hun stabiliteit of weerstand tegen het vormen van een scheur is een functie van de verstrengelingsdichtheid, evenals van temperatuur en reksnelheid. Deze vervormingen kunnen experimenteel worden gevolgd met optische en transmissie-elektronenmicroscopie. Bukowski et al. overwon de bestaande limieten van de studie door een recent ontwikkelde experimentele methode te gebruiken om de stress-strain respons van ultradunne polymeerfilms te meten. Moleculaire dynamica (MD)-simulaties hebben waardevolle inzichten opgeleverd in het proces van verstrengeling in polymeersmelten en glas, waar de simulaties goed overeenkwamen met de experimenten. Naast de simulaties, de schalingstheorieën hebben ook bijgedragen aan het definiëren van de rol van verstrengelingen in de mechanische eigenschappen van polymeerglazen. De gecombineerde benadering van experimentele en MD-benaderingen stelde het team in staat om het macroscopische perspectief van experimentele films en het moleculaire beeld van lokale dynamische simulaties te onderzoeken, polymeersterkte te begrijpen.

Mechanische eigenschappen van polymeermengsels en telverstrengeling

Bukowski et al. reguleerde het aantal verstrengelingen in het systeem door monodisperse polymeren met dezelfde chemische structuur te mengen. Met deze methode konden ze een breed scala aan verstrengelingen per ketting bemonsteren. Zowel experimenten als simulaties leverden kwalitatieve inzichten op om te begrijpen hoe het verstrengelingsnetwerk bijdroeg aan de mechanische eigenschappen van glasachtige polymeermaterialen. Tijdens de experimenten, toen de concentratie van de langste ketens afnam, de maximale spanning en faalspanning begon ook af te nemen. Het team merkte verschillende faalmechanismen op door de mate van verdunning te variëren en dicteerde de elasticiteitsmodulus van de glasachtige toestand van het polymeer door lokale intersegmentinteracties die worden gedomineerd door van der Waals-krachten. Zoals Bukowski et al. geïntegreerde lange keten polymeren, de in de simulaties gemeten taaiheid liet een monotone toename zien.

Experimenten en simulaties

De experimentele maximale spanning en gesimuleerde taaiheidswaarden leken verschillend te schalen voor verschillende experimentele modellen. De bevindingen kwamen goed overeen met een natuurkundig model geïntroduceerd door Mikos en Peppas. Volgens de simulaties niet alle verstrikkingen in een systeem waren dragend. Later, het team merkte op dat de gesimuleerde stammen veel groter waren dan die welke experimenteel werden waargenomen. Om precies rekening te houden met veranderingen in dragende verstrengelingen, het team hield rekening met het gemiddelde aantal verstrengelingen per ketting. Bukowski et al. next ontwikkelde een model en paste de methode met succes toe op zowel experimenten als simulaties om de relatie tussen verstrengelingen en de maximale spanning of taaiheid te bestuderen. Bij het beschouwen van de dragende fractie van verstrikkingen in het systeem, de experimenten en simulaties waren op moleculair niveau vergelijkbaar. Door het experiment en de simulaties van dunne glasachtige polymeerfilms daarna te vergelijken, de gegevens wezen op een kwantitatief verband tussen de maximale spanning en taaiheid.

Op deze manier, Cynthia Bukowski en collega's gebruikten een combinatie van experimenten en simulaties om het belang aan te tonen van het gebruik van dragende verstrengelingen om de taaiheid van materialen te verbeteren. Om dit te bereiken, ze hebben de verstrengelingsdichtheid systematisch afgestemd met behulp van bidisperse en chemisch identieke mengsels. Toen ze een verdunningsmiddel met een korte keten aan de mengsels toevoegden, de trekproeven van het polymeer lieten een verminderde maximale spanning zien. evenzo, de moleculaire dynamica van oplossingen toonde ook een afname van de taaiheid met toegevoegd verdunningsmiddel. De gecombineerde experimenten en simulaties zorgden voor een beter begrip van polymeren en een nieuw raamwerk om de mechanische eigenschappen af ​​te stemmen op basis van hun moleculaire samenstelling. Het werk heeft veel praktische implicaties die verder gaan dan het bieden van fundamentele inzichten in de oorsprong en taaiheid van polymeerglas, inclusief strategieën voor additieve productie.

© 2021 Science X Network