Science >> Wetenschap >  >> Chemie

Ontwikkeling van een futuristisch elastomeer met ultrahoge spanningsgeïnduceerde kristallisatie

Ontzwollen eindgekoppelde sterelastomeren. (A) De DELSE vormt zich door gecontroleerde verknoping van stermacromeren gevolgd door verdamping van oplosmiddelen om een ​​homogeen verknoopt polymeernetwerk te vormen (illustraties zijn overdreven om architectonische verschillen te benadrukken). (B) Conventionele elastomeren worden gevormd door willekeurige verknopingsprocessen zoals vulkanisatie van lange polymeerketens of gelering uit monomeren. (C) De meer homogene architectuur ondersteunt de uitlijning van de keten tijdens het uitrekken, waardoor kristallijne domeinvorming in de DELSE ontstaat. (D) Daarentegen beperken fysieke barrières zoals opgesloten verwikkelingen en inhomogeniteiten het effect van SIC in gewone elastomeren. (E) De RMS end-to-end afstand van polymeerketens in een DELSE in de onvervormde toestandsschalen als N1/3, zoals gevalideerd door (F) simulatie van moleculaire dynamica (representatieve inzet van gesimuleerde ketenconformatie). (G) De RMS end-to-end afstand van polymerenketens in een conventioneel elastomeer in de onvervormde toestand schaalt als N1/2, zoals gevalideerd door (H) moleculaire dynamica-simulatie (representatieve inzet van gesimuleerde ketenconformatie). Credit:Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411

Door spanning geïnduceerde kristallisatie kan een elastocalorisch effect in elastomeren versterken, versterken en vergemakkelijken. De resulterende kristalliniteit kan worden geïnduceerd door mechanische rek in gewone elastomeren die doorgaans minder dan 20% bedragen, met een rekbaarheidsplateau.



In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , gebruikten Chase M. Hartquist en een team van wetenschappers in de werktuigbouwkunde en materiaalwetenschappen aan het MIT en de Duke University in de VS een klasse elastomeren gevormd door end-linking om een ​​percentage spanningsgeïnduceerde kristalliniteit te bereiken.

Het ontzwollen en eindgebonden ster-elastomeer, afgekort als DELSE, bereikte een ultrahoge rekbaarheid om te schalen, voorbij de verzadigde limiet van gewone elastomeren, om een ​​hoog elastocalorisch effect te bevorderen met een adiabatische temperatuurverandering.

Door spanning geïnduceerde kristallisatie

Het proces van door spanning geïnduceerde kristallisatie is gebruikelijk in elastomeren en gels, waar amorfe polymeerketens kunnen transformeren in sterk georiënteerde en uitgelijnde domeinen als gevolg van een toegepaste mechanische spanning. Omdat de georiënteerde en uitgelijnde kristallijne domeinen bestand zijn tegen scheuruitbreiding en afstomping om scheurdoorbuiging te vergemakkelijken, heeft het proces van spanningsgeïnduceerde kristallisatie de netwerkintegriteit behouden, terwijl een herstel van bijna 100% in seconden werd bereikt.

De methode speelt een sleutelrol in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder elastocalorische koeling en op spanning gebaseerde aandrijving.

Het typische proces van door spanning geïnduceerde kristalliniteit in gewone elastomeren ligt onder de 20%, terwijl natuurlijk rubber slechts ongeveer 15% kristalliniteit bereikt wanneer het bij kamertemperatuur tot zes keer zijn oorspronkelijke lengte wordt uitgerekt. In dit nieuwe werk beschreven Hartquist en een team van onderzoekers een klasse van ontzwollen, eindgebonden sterelastomeren om tot 50% door spanning geïnduceerde kristalliniteit te bereiken. De wetenschappers schreven de door ultrahoge spanning geïnduceerde kristallisatie toe aan een uniforme netwerkstructuur en een hoge rekbaarheid om de verwachte resultaten te verkrijgen.

Ultrahoge SIC van de DELSE. (A) WAXS- en SAXS-patronen tonen structurele ontwikkeling van de DELSE bij 55°C vergeleken met de DELE bij 55°C en NR bij 22°C wanneer mechanisch uitgerekt. Het WAXS-intensiteitsprofiel ontwikkelt tijdens het uitrekken kristallijne pieken voor (B) de DELSE en (C) NR. (D) De kristalliniteitsindex neemt dramatischer toe voor de DELSE vergeleken met NR. (E) Deconvolutie van WAXS-scans geeft de verdeling van georiënteerde en niet-georiënteerde fasen. (F) Door spanning geïnduceerde kristalliniteit van de DELSE gemeten op basis van deconvolutie van het WAXS-patroon wordt vergeleken met de DELE en gerapporteerde waarden voor verschillende gewone rubbers met SIC. Foutbalken geven standaarddeviaties aan. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411

Om de aanvullende kenmerken van het elastomeer te bestuderen, gebruikte het team röntgenanalyse om te laten zien hoe het structuur- en spanningsgeïnduceerde ontzwollen en eindgebonden ster-elastomeer de kristalliniteit bevorderde in vergelijking met gewone elastomeren. Het onderzoeksteam analyseerde de gevormde kristalstructuur verder met behulp van gedetailleerde röntgenanalyse, waarbij de gedezwollen en eindgebonden sterelastomeren een diffractievlek vertoonden die de vorming van poly(ethyleendioxide) kristallen in een spiraalvormige structuur markeerde. Dit elastomeer bevorderde een hogere door spanning geïnduceerde kristalliniteit in vergelijking met gewone elastomeren.

Mechanische prestaties en elastocalorische koeling

Het onderzoeksteam voerde mechanische karakterisering uit bij 60 ° C om ultrahoge spanningsgeïnduceerde kristallisatie in gedezwollen eindgekoppelde elastomeren te onderzoeken, die effectief een hoge taaiheid bevorderden, met lage spanning-rekhysteresis. Hartquist en het team versterkten de zachtste materialen door omkeerbare bindingen te introduceren die een grote spanning-rekhysteresis induceerden.

De onderzoekers bestudeerden verder de rekbaarheid van elastomeren om te laten zien hoe de materialen zich uitstrekten voorbij de grenzen van verstrengelde netwerken voor bredere toepassingen. Vervolgens bestudeerden ze het potentieel om een ​​calorisch materiaal te gebruiken voor koeltoepassingen in de vaste toestand door het elastocalorische effect in gedezwollen eindgebonden ster-elastomeren te onderzoeken, en vergeleken de resultaten met conventionele elastomeren.

De wetenschappers onderzochten het potentieel om een ​​calorisch materiaal te gebruiken voor koeltoepassingen in de vaste toestand door elastocalorische effecten te bestuderen in gedezwollen eindgekoppelde sterelastomeren in vergelijking met natuurlijk rubber. Een ideale elastocalorische koelcyclus kan de afname in conformatie van entropie benutten om de thermische entropie te vergroten en het bulkmateriaal te verwarmen.

In elastomeren met door spanning geïnduceerde kristallisatie droeg extra latente warmte bij aan de vorming van kristallieten om het effect te versterken. De verhoogde rekbaarheid en uniforme ketenlengteverdeling van het materiaal vergrootten het theoretische elastocalorische effect, vergeleken met conventionele elastomeren. Dergelijke elastomeren vormden sterke kandidaten die geschikt waren voor geavanceerde solid-state koeltechnologieën.

Elastocalorisch effect van de DELSE. (A) Schema's geven de vernietiging van kristallijne domeinen en verstoring van de uitlijning van de polymeerketens tijdens adiabatische terugtrekking aan. (B) Thermische beelden van de DELSE tijdens de terugtrekking. De toegepaste mechanische belasting en de gemeten oppervlaktetemperatuur worden tijdens het terugtrekkingsproces geregistreerd voor de (C) DELSE en (D) NR. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411

Vooruitzichten

Op deze manier vergeleken materiaalwetenschappers Chase M. Hartquist en collega's het gedezwollen en eindgebonden ster-elastomeer met natuurlijk rubber om hun verhoogde stabiliteit, verschillende polymeerchemie en goed gevormde structuur aan te tonen die combinatorisch de door spanning geïnduceerde kristallisatie en het elastocalorische effect in het lichaam verhoogde. elastomere materialen. De vergelijking tussen de materialen onthulde hun rekbaarheid en chemie, evenals het belang van de relatief homogene structuur.

Sinds de vroege ontdekking van het elastiekje door J.R. Katz in 1924 als gevolg van door spanning veroorzaakte kristallisatie, heeft dit biomateriaal een belangrijke rol gespeeld in de samenleving, van huishoudelijke artikelen tot autobanden. In dit rapport beschreef het team de elastomeren van de volgende generatie, ontwikkeld met diepgaande, door spanning geïnduceerde kristallisatie die de afmetingen van natuurlijk rubber en andere veel voorkomende materialen overtrof.

De ontwikkelde materialen toonden het vermogen om beter te presteren dan conventionele tegenhangers, wat duidt op het vermogen om zachte materialen te ontwikkelen door hun netwerkarchitectuur te reguleren. Deze materialen spelen een cruciale rol bij de constructie van futuristische lucht- en ruimtevaartstructuren, medische apparatuur en voor toepassingen van elastocalorische koeling.

Meer informatie: Chase M. Hartquist et al, Een elastomeer met ultrahoge spanningsgeïnduceerde kristallisatie, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Een technische verhoging van de mesofylgeleiding verbetert de fotosynthese-efficiëntie in veldproeven
  2. Rennen naar de wortels:bodemvocht beïnvloedt de snelheid van nematoden
  3. Your Brain On: Exam Stress
  4. Vissen geven inzicht in de evolutie van het immuunsysteem
  5. De Saguaro Cactus is een iconisch symbool van het Amerikaanse zuidwesten
  6. Virtuele Labrador kan onderzoekers helpen bij het aanpakken van hondenbeten
  7. Campylobacter gebruikt andere organismen als Trojaans paard om nieuwe gastheren te infecteren
  8. Inactiviteit van Nieuw-Zeeland tegen bijvangst van schildpadden in de visserij riskeert reputatieschade—leatherbacks zijn nu bijna uitgestorven
  9. Begrazing van vee schaadt leefgebied van reuzenpanda's

Wetenschap