En

Найден способ упрочнения сложных полимеров

Ученые выяснили, что энергия, которую необходимо применить для разрыва полимерного материала, деформирует его структуру, а не разрывает цепь полимерных сеток.
795 просмотров
Найден способ упрочнения сложных полимеров

Ученые из МФТИ с коллегами из Университета Дьюка (США) выяснили, что количество энергии, необходимое для разрыва полимерных сеток, может значительно превышать энергию разрыва ее цепочек. Большая часть этой энергии тратится не на разрыв цепей, а на деформацию древовидной внутренней структуры материала. Обнаруженный механизм позволит создавать более прочные полимерные материалы. Результаты исследования представлены в международном научном журнале Macromolecules.

Полимеры разной степени сложности окружают нас повсюду: от промышленности до медицины. В подавляющем большинстве это полимерные сети: в своей внутренней структуре это не сплошное упругое тело, а система, которая состоит из древовидных «жидкоподобных» структур полимерных цепей.

Высокая разрывная прочность таких полимерных сеток объясняется главным образом тем, что макромолекулы могут достигать высокой степени ориентации относительно друг друга и иметь большую плотность и разветвленность упаковки, что приводит к возникновению многочисленных межмолекулярных связей с высокой суммарной энергией.

Ученые МФТИ в партнерстве с зарубежными коллегами исследовали механизм образования разрыва в полимерных сетках и выяснили, что для образования трещины недостаточно разорвать одну полимерную цепочку, требуется повлиять на все «дерево» полимерных цепей в сетках.

Сергей Панюков, соавтор исследования, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, рассказывает:

«Мы модифицировали теорию Лейка — Томаса, которая объясняет молекулярные детали сетевого соединения при распространении трещины в полимерных сетях. Эта теория описывает не только энергию, запасенную в разрывающихся цепочках сетки, но и энергию связей в древовидной структуре из цепочек, которая остается неизменной по мере распространения трещины. Энергия, запасенная в каждом из поколений этого „дерева“, зависит от индекса поколения из-за нелинейной упругости растянутых цепей сети. Кроме того, энергия, необходимая для разрыва мостиковой цепочки, соединяющей две поверхности трещины, необязательно определяется энергией, запасенной в самой цепочке, а в более высоких поколениях „дерева“»

Таким образом, работа, которую необходимо совершить для разрыва сложного полимерного материала, зависит не только от прочности цепей сетки, но и от прочности древовидной структуры материала, которая зависит от числа «поколений» этого дерева. Соответственно, чем более разветвленная и многоуровневая структура в полимерном материале, тем он прочнее на разрыв.

Второй вывод, который получили исследователи при построении новой модели, связан с включением в сети молекул-механофоров. Механофоры — это механически активные молекулы в самой структуре полимера, которые способны вызывать ряд химических реакций при воздействии на них.

Сергей Панюков добавил:

«По сравнению с „сильными“ механофорами (активируются только в мостиковой цепи полимера) „слабые“ механофоры, которые могут работать как в мостиковой цепи, так и в других генерациях, способны обеспечить более интенсивное рассеивание энергии внутри материала, упрочняя его»

Обновленная модель, полученная в результате исследования, дает возможность создания более совершенных полимерных сетей с повышенными прочностными характеристиками.

Информация предоставлена пресс-службой МФТИ

Источник:

Поделиться материалом:

En