Jaki jest mechanizm plastyfikatora w polimerach

Polimery, w swoim rodzinnym stanie, często mają sztywny, a czasem krucha charakter, który może ograniczyć ich użyteczność w różnych zastosowaniach. Aby przezwyciężyć te ograniczenia i nadać pożądaną elastyczność, możliwość przetwarzania i trwałości, plastyfikatory są włączone do swoich preparatów. Dodatki te, zwykle o niskiej wolności związki organiczne, zasadniczo zmieniają fizyczne właściwości polimeru, modyfikując jego wewnętrzną strukturę i siły międzycząsteczkowe. Zrozumienie skomplikowanego mechanizmu, za pomocą którego plastyfikatory osiągają te zmiany, ma kluczowe znaczenie dla racjonalnego projektowania i zastosowania materiałów polimerowych.

Zrozumienie sztywności polimeru

Zanim zagłębić się w rolę plastyfikatorów, ważne jest, aby uchwycić źródła sztywności w niezniszczonych polimerach. Polimery składają się z długich łańcuchów molekularnych, a ich właściwości są w dużej mierze określone przez interakcje między tymi łańcuchami. W sztywnych polimerach silny siły międzycząsteczkowe takie jak siły van der Waalsa, wiązanie wodorowe lub interakcje dipol-dipol tworzą wysoce spójną sieć. To ogranicza ruch segmentowy Z łańcuchów polimerowych, co oznacza, że ​​poszczególne części łańcuchów nie są w stanie swobodnie przechodzić obok siebie. Ta ograniczona mobilność przekłada się na wysoki Temperatura przejścia szkła (TG) , krytyczna temperatura, poniżej której polimer zachowuje się jak sztywne, szkliste ciało stałe.

Rola plastyfikatorów: smar molekularny

Plastyfikatory działają przede wszystkim jako „smary wewnętrzne” lub „przekładki” w matrycy polimerowej. Gdy plastyfikator jest mieszany z polimerem, jego cząsteczki interkalują się między łańcuchami polimerowymi. To wstawienie ma kilka kluczowych konsekwencji:

1. Zmniejszenie sił międzycząsteczkowych

Najważniejszym efektem plastyfikatorów jest Tłumienie sił atrakcyjnych między łańcuchami polimerowymi. Cząsteczki plastyfikatora, są mniejsze i często bardziej polarne niż segmenty polimerowe, skutecznie przeglądają lub rozcieńczają silne interakcje polimer-polimer. Wprowadzając nowe, słabsze interakcje plastyfikatora-polimeru (lub po prostu oddzielanie łańcuchów polimerowych), ogólna spójna gęstość energii w systemie jest zmniejszona.

2. Zwiększenie wolnej objętości

Interkalacja cząsteczek plastyfikatora prowadzi również do Wzrost wolnego objętości w macierzy polimerowej. Bezpłatna objętość odnosi się do pustej przestrzeni między łańcuchami polimerowymi, która nie jest zajęta przez same cząsteczki polimerowe. Gdy cząsteczki plastyfikatora się wkładają, wypychają łańcuchy polimerowe dalej. Ta zwiększona przestrzeń pustki pozwala na większą mobilność segmentową łańcuchów polimerowych.

3. Zwiększenie ruchu segmentowego

Ze zmniejszonymi siłami międzycząsteczkowymi i zwiększoną wolną objętością, Mobilność segmentów polimerów znacznie wzrasta . Łańcuchy polimerowe mogą teraz łatwiej przesuwać i obracać się obok siebie. Ten wzmocniony ruch łańcuchowy przejawia się jako zwiększona elastyczność, elastyczność i zmniejszenie modułu polimeru (sztywności).

4. obniżenie temperatury przejścia szkła (TG)

Bezpośrednią konsekwencją zwiększonego ruchu segmentowego jest Depresja temperatury przejścia szkła (TG) . Ponieważ plastyfikatory pozwalają łańcuchom polimerowym na bardziej swobodne poruszanie się w niższych temperaturach, przejście ze stanu sztywnego do bardziej elastycznego stanu gumowego występuje w niższej temperaturze. Jest to kluczowy efekt przetwarzania, ponieważ umożliwia kształt i tworzenie polimerów w łatwiejszych do opanowania temperaturach.

Mechanizmy działań plastyfikatora: teorie i perspektywy

Kilka teorii próbuje wyjaśnić skomplikowany mechanizm działania plastyfikatora:

• Teoria smarowania: Ta klasyczna teoria postuluje, że cząsteczki plastyfikatora działają jak wewnętrzne smary, zmniejszając tarcie między łańcuchami polimerowymi, gdy przechodzą obok siebie. Jest to analogiczne do części mechanicznych smarowania oleju.

• Teoria żelowa: Teoria ta sugeruje, że plastyfikatory zakłócają uporządkowane, krystaliczne lub pseudo-krystaliczne regiony (żele) w polimerze, co pozwala na większą mobilność łańcucha.

• Bezpłatna teoria głośności: Jest to być może najczęściej akceptowana teoria. Uważa, że ​​plastyfikatory zwiększają wolną objętość w polimerze, zapewniając więcej miejsca na ruch segmentowy, a tym samym obniżając TG.

• Teoria badań przesiewowych (lub teoria solwatacji): Teoria ta podkreśla zdolność cząsteczek plastyfikatora do „przesiewu” lub kapsułkowania grup polarnych na łańcuchach polimerowych, zmniejszając w ten sposób silne interakcje dipolowe polimer-polimer i umożliwiając rozdzielenie łańcuchów.

Należy zauważyć, że teorie te nie wykluczają się wzajemnie i często się uzupełniają, zapewniając kompleksowe zrozumienie działań plastyfikatora.

Czynniki wpływające na efektywność plastyfikatora

Na skuteczność plastyfikatora ma wpływ kilka czynników, w tym:

• Zgodność: Plastyfikator musi być kompatybilny z polimerem, co oznacza, że ​​może tworzyć stabilną, jednorodną mieszankę bez separacji fazowej. Często zależy to od podobieństwa ich parametrów rozpuszczalności.

• Rozmiar i kształt molekularny: Mniejsze, bardziej mobilne cząsteczki plastyfikatora ogólnie zapewniają większą wydajność plastyczności.

• Biegunowość: Polaryzacja plastyfikatora powinna być odpowiednia do skutecznej interakcji z polimerem, a jednocześnie nie była tak silna, aby powodować wymywanie lub wysięk.

• Stężenie: Istnieje optymalne stężenie plastyfikatora. Zbyt niewiele będzie miało minimalny efekt, podczas gdy zbyt wiele może prowadzić do wysięgu, zmniejszenia siły mechanicznej i innych niepożądanych właściwości.

Wniosek

Zasadniczo plastyfikatory zasadniczo przekształcają makroskopowe właściwości polimerów poprzez subtelną zmianę ich mikroskopowej architektury. Działając jako przekładki molekularne i smary, zakłócają silne siły międzycząsteczkowe, zwiększają wolną objętość i zwiększają mobilność segmentową, ostatecznie obniżając temperaturę przejścia szkła i nadając elastyczność i możliwość przetwarzania. Sądny wybór i włączenie plastyfikatorów są niezbędne do dostosowywania materiałów polimerowych, aby sprostać różnorodnym wymaganiom nowoczesnych zastosowań inżynierskich i konsumenckich.