Dodanie słabszych wiązań może zwiększyć odporność polimeru na rozdzieranie

Zespół chemików z MIT i Duke University odkrył sprzeczny z intuicją sposób na wzmocnienie polimerów: wprowadzenie do materiału niektórych słabszych wiązań.

Pracując z rodzajem polimeru znanym jako elastomer poliakrylanowy, naukowcy odkryli, że mogą zwiększyć odporność materiału na rozdzieranie nawet dziesięciokrotnie, po prostu używając słabszego rodzaju środka sieciującego do łączenia niektórych bloków budulcowych polimeru.

Te gumopodobne polimery są powszechnie stosowane w częściach samochodowych, a także często jako „atrament” do obiektów drukowanych w 3D. Naukowcy badają teraz możliwość rozszerzenia tego podejścia na inne rodzaje materiałów, takie jak gumowe opony.

mówi Jeremiah Johnson, profesor chemii na MIT i starszy autor badania, które pojawia się w Nauki.

Ważną zaletą tego podejścia jest to, że wydaje się, że nie zmienia ono żadnych innych właściwości fizycznych polimerów.

„Inżynierowie zajmujący się polimerami wiedzą, jak sprawić, by materiały były twardsze, ale zawsze wiąże się to ze zmianą innych właściwości materiału, których nie chcesz zmieniać. Tutaj poprawa wytrzymałości następuje bez żadnych innych znaczących zmian we właściwościach fizycznych – przynajmniej możemy zmierzyć to — i osiąga się to poprzez zastąpienie małej części. Tylko z całości materii — mówi Stephen Craig, profesor chemii Uniwersytetu Duke’a, który jest także starszym autorem artykułu.

Projekt ten powstał w wyniku długoterminowej współpracy między Johnsonem, Craigiem i profesorem Duke University Michaelem Rubinsteinem, który jest również głównym autorem artykułu. Głównym autorem artykułu jest Shu Wang, doktor habilitowany na MIT z tytułem doktora. u Duke’a.

najsłabsze ogniwo

Elastomery poliakrylanowe to sieci polimerowe wykonane z nici akrylanowych połączonych ze sobą cząsteczkami sieciującymi. Te bloki konstrukcyjne można łączyć ze sobą na różne sposoby, tworząc materiały o różnych właściwościach.

Pojedyncza struktura tych polimerów często wykorzystuje polimerową sieć gwiazd. Polimery te składają się z dwóch rodzajów bloków budulcowych: jeden to gwiazda z czterema identycznymi ramionami, a drugi to łańcuch, który działa jak łącznik. Linki te są przymocowane do końca każdego ramienia gwiazdy, tworząc siatkę przypominającą siatkówkę.

W badaniu z 2021 roku Craig, Rubinstein i profesor Bradley Olsen z MIT współpracowali, aby zmierzyć wytrzymałość tych polimerów. Zgodnie z oczekiwaniami odkryli, że gdy do połączenia pasm polimeru użyto słabszych połączeń końcowych, materiał stał się słabszy. Te słabsze wiązania, które zawierają cykliczne cząsteczki znane jako cyklobutan, można rozerwać z dużo mniejszą siłą niż wiązania normalnie używane do łączenia tych bloków budulcowych.

W ramach kontynuacji tego badania naukowcy postanowili zbadać inny typ sieci polimerowej, w której nici polimeru są połączone z innymi pasmami w przypadkowych miejscach, zamiast łączyć się na końcach.

Tym razem, gdy naukowcy użyli słabszych wiązań, aby utrzymać razem akrylowe bloki budulcowe, odkryli, że materiał stał się bardziej odporny na rozdzieranie.

Naukowcy uważają, że dzieje się tak, ponieważ słabsze wiązania są losowo rozmieszczone jako połączenia między mocnymi włóknami w całym materiale, a nie jako część samych końcowych włókien. Kiedy ten materiał jest rozciągany do punktu zerwania, wszelkie pęknięcia, które rozprzestrzeniają się w materiale, starają się ominąć silniejsze wiązania i zamiast tego przechodzą przez słabsze wiązania. Oznacza to, że pęknięcie musi zerwać więcej wiązań, niż gdyby wszystkie wiązania miały tę samą siłę.

„Mimo że te ogniwa są słabsze, więcej z nich musi zostać zerwanych, ponieważ szczelina przebiega przez słabsze wiązania, co ostatecznie jest dłuższą ścieżką” – mówi Johnson.

Trwałe materiały

Stosując to podejście, naukowcy wykazali, że poliakrylany z niektórymi słabszymi połączeniami były 9 do 10 razy trudniejsze do rozerwania niż poliakrylany wykonane z silniejszymi cząsteczkami sieciującymi. Efekt ten uzyskano nawet wtedy, gdy słabe wiązania stanowiły zaledwie około 2% całkowitego składu materiału.

Naukowcy wykazali również, że ten zmieniony skład nie zmienił żadnych innych właściwości materiału, takich jak odporność na zapadanie się po podgrzaniu.

„W przypadku dwóch materiałów, które mają tę samą strukturę i te same właściwości na poziomie sieci, ale mają różnicę w przybliżeniu o rząd wielkości w pęknięciu, jest to bardzo rzadkie” – mówi Johnson.

Naukowcy badają teraz, czy to podejście można wykorzystać do poprawy sztywności innych materiałów, w tym gumy.