Полимер что это за материал: Что такое полимерные материалы, их свойства и применение?

alexxlab | 05.01.1985 | 0 | Разное

Содержание

Полиэстер – что это за ткань? Изделия из полимерных материалов. Баллистическая полимерная ткань.


Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность – полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ – мономеров.

Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности.

Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.
Пластмассы могут быть разделены на две основные группы – термопластические и термореактивные. Термопластические – это те, которые после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и другие.
Пластмассы также можно располагать по категориям в зависимости от метода, который используется для их полимеризации, на полимеры, полученные по механизму полиприсоединения или поликонденсации. Полимеры, полученные полиприсоединением, производятся с помощью механизма, который включает либо свободные радикалы, либо ионы, по которому малые молекулы быстро присоединяются к растущей цепи, без образования сопутствующих молекул. Поликонденсационные полимеры производятся с помощью реакции функциональных групп в молекулах друг с другом, так что постадийно образуется длинная цепь полимера, и обычно происходит образование низкомолекулярного сопутствующего продукта, например воды, во время каждой стадии реакции. Большинство упаковочных полимеров, включая полиолефины, поливинилхлорид и полистирол – это полимеры, полученные по механизму полиприсоединения (полимеризации).

Это промежуточный случай между поисковым «толчком» или «тянуть» ведомый конкуренцией. Новый лабораторный материал не соответствует современным знаниям. Его исключительные свойства, подобные свойствам мышц, вполне могут быть использованы для роботов и протезов.

Кровельные полимерные материалы и изделия в строительной отрасли

Синтетические мускулы вскоре предназначены для лечения ран? Ученые заинтересовались этим в течение нескольких лет, но новое исследование – это повторное внедрение инноваций. Мышцы, которые могут растягиваться, сокращаться и лечиться, необходимы для нашей повседневной жизни.

Реакция полимеризации – это последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта – полимера. Молекулы алкена, вступающие в реакцию полимеризации, называются мономерами. Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации (обозначается n). В зависимости от степени полимеризации из одних и тех же мономеров можно получать вещества с различными свойствами. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами. Полиэтилен с длиной цепи в 1500-2000 звеньев представляет собой твердый, но гибкий пластический материал, из которого можно получать пленки, изготовлять бутылки и другую посуду, эластичные трубы и т. д. Наконец, полиэтилен с длиной цели в 5-6 тыс. звеньев является твердым веществом, из которого можно готовить литые изделия, жесткие трубы, прочные нити.

Но эти три характеристики – также Грааль многих исследователей, которые хотят воспроизвести эти способности в лаборатории. Лучший кандидат на это скрывается в полимерах. Эти цепочки молекул встречаются повсюду, а пластмассы, клеи и картины – всего три.

В последние годы ученые смогли синтезировать материалы из полимеров, которые растягиваются без разрушения, а полученные на сегодняшний день ткани могут увеличивать их длину в три раза, но исследователи из Стэнфордского университета достигли успеха. Эластичность, умноженная на 100.

Понятие о полимерах

Команда под руководством Женана Бао долгое время работала над новым сплавом, который должен был обеспечить исключительную эластичность, и ученым это удалось, а их небольшая часть из 2, 5 сантиметрового полимера была вытянута далеко за пределы их прогноза. Которые они не ожидали и что вызвало у них некоторые проблемы.

Если в реакции полимеризации принимает участие небольшое число молекул, то образуются низкомолекулярные вещества, например димеры, тримеры и т. д. Условия протекания реакций полимеризации весьма различные. В некоторых случаях необходимы катализаторы и высокое давление. Но главным фактором является строение молекулы мономера. В реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет разрыва кратных связей.

Два ученика должны были взять на себя и измерить вручную расширение, которое наконец достигло 2, 50 метра. Чрезвычайная гибкость, которая позволит технологическим достижениям до тех пор, пока они недоступны. Ткань, которая сама ремонтирует. Но основным интересом этого материала является его саморемонт. Действительно, когда кусок растягивается, облигации ломаются и реформации после того, как усилие завершено. Более впечатляюще, когда кусок разрезается пополам и заменяется бок о бок, сломанные ссылки начинают воссоздаваться.

Через 48 часов материал снова цельный с неповрежденной эластичностью. По мнению ученых, этот ремонт не требует дополнительной энергии, в отличие от других материалов, которые нуждаются в легком или химическом растворе. Секрет этого материала – чередование сильных связей, которые сохраняют свою жесткость, слабые связи, которые очень легко связываются, и новый сплав ионов металлов. Эти ионы обеспечивают свойства восстановления при беспрецедентной температуре окружающей среды. Как только соединение подходит к иону, оно легко связывается независимо от температуры детали.

Полимеризация – это цепная реакция, и, для того чтобы она началась, необходимо активировать молекулы мономера с помощью так называемых инициаторов. Такими инициаторами реакции могут быть свободные радикалы или ионы (катионы, анионы). В зависимости от природы инициатора различают радикальный, катионный или анионный механизмы полимеризации.

Структура, подобная мышце. Изучая количество ионов, присутствующих в структуре, исследователи могут увеличить эластичность или ремонтную способность материала. Их исследование может стать поворотным моментом в синтетических мышцах. Поэтому они подтвердили, что ткань может сжиматься в ответ на электрический импульс. Таким образом, они показали, что полученное поведение аналогично поведению мышцы.

Разработанная структура очень интересна для протезов. Это позволило бы восстановить небольшой дефект, который появлялся бы в протезе. Но это также представляет интерес для роботов. Действительно, их тактильная система, также называемая «наукой о прикосновении», очень зависит от мышц и их растяжения. Задача для следующих роботов, что этот материал может быть в будущем.

Химические и физические свойства пластиков обусловлены их химическим составом, средней молекулярной массой и распределением молекулярной массы, историей обработки (и использования), и наличием добавок.

Полимерные композиционные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология позволяет получить пластики с весьма высокими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответствующими самым высоким современным требованиям.

Химия и текстильная спина идеальная любовь

Использование только натуральных волокон действительно сдерживает из-за иногда случайного производства как по качеству, так и по качеству. Развитие искусственных волокон до более регулярных нитей, таких как вискоза, а затем, начиная с 1940-х годов, синтетических волокон, полученных из нефти, позволило устранить эти препятствия путем диверсификации текстиля и их свойств по более низкой цене.

Чтобы оставаться в гонке, производители должны разрабатывать новые волокна, которые отвечают новым ожиданиям общественности, связанным с мобильностью, здоровьем и благополучием. «Искусственные» текстильные волокна получают экструдированием полимеров из натуральных материалов, таких как целлюлоза, с помощью которых получают ацетат, вискозу или лиоцелл. С этой точки зрения они сопоставимы с так называемыми «биоресурсами» пластмасс.

Структурные формулы полимеров кратко записывают так: формулу элементарного звена заключают в скобки и справа внизу ставят букву n. Например, структурная формула полиэтилена (-СН 2 -СН 2 -) n . Легко заключить, что название полимера слагается из названия мономера и приставки поли-, например полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и т. д.

Синтетические или химические волокна, такие как акрил, полиэфир и полиамид, также получают экструзией из полимеров, обычно полученных из нефти. Некоторые синтетические волокна иногда используют биоресурсы, такие как полиэфир, также изготовленные из этилена, полученного из сахарного тростника.

Текстиль, как и его индустрия, всегда благоприятствовал мобильности. Его заводы, от прядильной фабрики до швейной фабрики, мигрируют по мере появления возможностей. Цветы текстильной промышленности в первые дни потребительского общества, синтетические волокна в настоящее время работают для процветания развивающихся стран. Однако старые промышленные бассейны, возможно, нашли парад для мобилизации сектора, глубоко дестабилизированного глобализацией. Даже если мы отменим границы, почему бы не расширить сферу технологий?

Наиболее распространенными полимерами углеводородного строения являются полиэтилен и полипропилен.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена. Полипропилен получают стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена).

Стереоспецифическая полимеризация – это процесс получения полимера со строго упорядоченным пространственным строением.

Таким образом, не отказываясь от своего исторического альянса с химией, текстильная промышленность в настоящее время сосредоточена на наноматериалах и информационных технологиях. Цель: добавить новые свойства к текстилю не только путем обработки отделки, но, как только волокна будут изготовлены или сплетены, или даже раньше, когда будут разработаны полимеры.

Взаимодействия текстиля с человеческим телом составляют одну из приоритетных осей развития для этих функциональных текстильных изделий. Большинство европейских исследовательских центров также сотрудничают в совместных проектах по полисенсорности и благополучию, связанным с спортом, мобильностью, здоровьем или старением.

К полимеризации способны многие другие соединения – производные этилена, имеющие общую формулу СН 2 =СН-X, где Х – различные атомы или группы атомов.

Виды полимеров

Полиолефины – это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН 2)- n) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют схожее химическое строение. Всего в мире ежегодно производиться 150 млн. т. полимеров, а полеолефины составляют примерно 60% от этого количества. В будущим полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня, поэтому полезно присмотреться к ним повнимательнее.
Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.
Особенно следует подчеркнуть, что полеолефины экологически чище большинства применяемых человеком материалов. При производстве, транспортировке и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и металла используется много энергии, при выработке которой неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации традиционных материалов также выделяются вредные вещества и затрачивается энергия. Полиолефины производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при минимальных затаратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется большое количество чистого тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа.

Эта странствующая выставка, созданная в центре региона, особенно затронутого кризисом в этой отрасли, была задумана как демонстрация для обновления европейского текстиля в области моды, дизайна и технологий. По обе стороны Рейна инженеры и дизайнеры конкурируют за объединение волокон, технологий и инновационных материалов с тем же кредо. Легкость и возможность повторного использования для технического текстиля для жилья и транспорта. Уход за одеждой, в самом широком смысле – нижнее белье, одежда, техническая, спортивная или медицинская, которая теперь способствует взаимодействию между телом и окружающей средой.

Полиэтилен
Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки – это полиэтилен, который используется так широко главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД – низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена:
-(CH 2 -CH 2)- n полиэтилен высокой плотности.

Но, элегантность обязывает, дискретность всегда в порядке. Когда стилисты не играют в угон, как Йоджи Ямамото, с надувным виниловым платьем или Джиной Ли с тканевой памятью формы, они не колеблясь увеличивают функциональность этих инновационных тканей. Фотокаталитическое платье, разработанное Хелен Стори, текстильная ткань которого в полиэфире и шелке, пропитанная песком, цементом и диоксидом титана, отталкивает загрязняющие частицы от окружающего воздуха.

Нанотехнологии позволяют добавлять новые чернила в текстиль по-разному. Нанопокрытие заполненных веществом полимерных мембранных микрокапсул является наиболее распространенным методом, особенно для изготовления косметотекстелей. Объявленный в 90-х годах, этот брак моды и красоты, тем не менее, изо всех сил пытался навязать себя.

Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД – высокого давления) имеет ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная:
-(CH 2 -CHR)- n полиэтилен низкой плотности,
где R может быть -H, -(CH 2) n , -CH 3 , или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую решетку, и, следовательно, имеет тенденцию к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

Первоначально наносятся на полуфабрикаты, на стадии отделки наноразделение постепенно превращается в сложное с микрокапсулированием волокон перед плетением. Этот метод обеспечивает, в частности, более прочную диффузию после мытья. Благодаря интеграции минеральных оксидов он также предлагает защитные или корректирующие эффекты для благополучия или силуэта на модели так называемого «биоактивного» текстиля, предназначенного для здоровья и спорта.

Полимеры в различных отраслях науки и техники

Является ли интерес отрасли к самообновляющимся текстильным изделиям признаком того, что они ожидают изменения климата? Миллионы микрочастиц ксилита, привитые на его волокнах, действуют как свежие пузырьки. Когда температура тела поднимается, потоотделение растворяет вещество, вызывающее реакцию поглощения тепла. Этот метод включает экструзию различных полимеров без смешивания их для объединения их соответствующих свойств. Это также позволяет интегрировать в ядро ​​вискозной, акриловой или полиэфирной нити материалы с изменением фазы, способные, в зависимости от температуры окружающей среды, хранить или восстанавливать тепло, Покрытие микрокапсул.

ПЭВД – полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность – довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

Благодаря чередованию его гидрофобных и гидрофильных молекул, которые одновременно испаряют потоотделение и теплопроводность, он работает как насос, поглощающий влагу из организма, выделяя свежесть. Этот полимер дает пряжу, подходящую для вязания спортивного инвентаря, который после лабораторных испытаний был успешно протестирован профессиональными треннистами и велосипедистами.

В то же время производители разработали би-эластичные ткани. Их главным преимуществом является то, что они имеют многомерную способность к удлинению, которая позволяет им лучше соответствовать движениям тела. Эффект «второй кожи» очень заметен. Помимо комфорта, эти ткани обладают свойствами, полезными с точки зрения производительности. Через сжатие мышц они стимулируют кровообращение и улучшают оксигенацию. Следовательно, польза во время упражнений и во время выздоровления. Другим преимуществом является то, что они обеспечивают лучшую поддержку мышц.

ПЭНД – полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД – жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию – высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД – это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам.
“Шуршащий” пакет-майка, в который вы упаковываете покупки, изготовлен именно из ПЭНД.
Существует два основных типа ПЭНД. Более «старый» тип, произведенный первым в 1930-х годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную скорость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более «молодого» типа ПЭВД.

Это уменьшает вибрацию и, следовательно, потерю энергии и риск микропопуляции. Другие полимеры позволяют сочетать полезное действие мышечного сжатия со свойствами биокерамики. Связанный покрытием текстиля, он затем применяется в соответствии с методом картографирования тела, чтобы ориентироваться на участки наиболее напряженного тела.

Нетканая кожа!

Используемый в течение длительного времени, чтобы сделать шляпы или монгольские войлочные юрты, принцип нетканого материала испытал удивительное возрождение благодаря синтетическим волокнам. Радикальное решение для сокращения этапов трансформации волокна позволяет получить без плетения или механической сетки вуаль волокон, связанных трением, сцеплением или адгезией. Предназначенные в первую очередь для производства одноразовых продуктов для гигиены, медицинского обслуживания или фильтрации, нетканые материалы стремятся стать более долговечными.

При комнатной температуры полиэтилен – довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100°С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки – это ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В своей естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность.

Один недостаток использования ПЭНД в некоторых из областей применения – его тенденция к растрескиванию под напряжением при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней среды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД является наиболее широко применяемым упаковочным полимером, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Благодаря низкой стоимости, он является предпочтительным материалом для пакетов и сумок. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

Полипропилен
Отличается прекрасной прозрачностью (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокой температурой плавления, химической и водостойкостью. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для “дышащей” упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

Поливинилхлорид
В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэластичности. Недорог. Может перерабатываться в пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора – диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.

Привело к появлению тканей, изготовленных на специальных ткацких станках. При этом полипропиленовая ткань может не только получать необходимую ширину и плотность, но и обрабатываться под необходимые производственные условия.

Неожиданно широкое распространение таких синтетических тканей обусловлено основными характеристиками материала, а также целым рядом конкурентных преимуществ , которые выделяют полипропиленовую ткань перед традиционными материалами.

Анализ конкурентных преимуществ полипропиленовых тканей проводился еще в 50-е годы прошлого столетия. Тогда полипропиленовую ткань пробовали использовать в составе с вискозой. Благодаря низкой стоимости такая ткань успешно вытесняла хлопок. Еще одним направлением выступала антикоррозийная обработка металлических панелей тканью с добавлением полиэфирных смол.

Свойства и характерные преимущества

Оценивая свойства ткани, нужно исходить из аналогичных . Являясь хорошим диэлектриком, полипропилен также является стабильным к большинству других материалов. Этот полимер имеет широкий температурный диапазон, при котором не меняет своих свойств. Также выделяются прочностные характеристики полипропилена.

Таким образом, идущая на изготовление различных изделий пропиленовая ткань характеристики имеет аналогичные, и это выгодно отличает готовые изделия. Можно выделить основные преимущества:

  • повышенная прочность;
  • увеличенный срок использования;
  • нейтральность при взаимодействии с содержимым;
  • простота при изготовлении изделий.

С учетом предполагаемой сферы использования полипропиленовой ткани, её можно снабдить дополнительными свойствами.

Пример 1. Для обеспечения водонепроницаемости ткань полипропиленовая для мешков дополнительно ламинируется. Нанесение покрытия проводят способом экструзии, что значительно увеличивает сцепные свойства самого материала.

Пример 2. Для сохранения прочностных характеристик, что актуально при постоянном использовании изделий из полипропилена на открытом воздухе, в состав вводят специальный ультрафиолетовый стабилизатор .

Пример 3. Окрашивание ткани. При необходимости придания определенного оттенка полипропилен успешно окрашивается. При необходимости возможно нанесение рисунка на отдельные участки ткани.

При подборе ткани для определенных товаров или направлений использования, необходимые свойства можно получить путем комбинирования полипропилена с двумя различными типами материалов.

Область применения

С момента начала использования полипропилена в качестве материала для изготовления мешков, было разработано и внедрено несколько десятков различных изделий. Использование полипропиленовых мешков имеет ряд преимуществ:

  • возможность хранения материалов любой природы, включая пищевые продукты, строительные материалы и смеси;
  • высокая разрывная прочность;
  • простота изготовления и обработки;
  • низкая стоимость материала, в том числе изделий и тары.

Последний фактор допускает отсутствие залоговой цены за тару, однако, высокая прочность позволяет использовать такой мешок многократно.

В качестве подтверждения отмеченных характеристик материала можно отметить использование цельного рукава из полипропилена в строительстве. Такой элемент позволяет организовать отвод строительного мусора из рабочей зоны без использования ручного труда. Отходы просто сбрасываются с высоты без риска загрязнения территории или получения травмы работниками.

В строительстве также распространены такие использования ткани:

  • обеспечение подкровельной гидроизоляции в зданиях;
  • защита утеплительного материала от насыщения паром и сторонней влагой;
  • отделка временных сооружений.

Полипропилен активно используется в некоторых отраслях промышленности. Например, из специальной полипропиленовой ткани изготавливают различные фильтры, которые используются в сфере тяжелой промышленности и станкостроения. Среди распространенных процессов фильтрации можно назвать:

  • очистка масла для процессов резки и шлифования;
  • фильтрация рабочих растворов для проведения гальванической обработки, фосфатирования;
  • очистка промышленных стоков таких химических производств;
  • очистка технических жидкостей системы смазки или охлаждения.

Успешность применения этого вида ткани обусловлено тонкой степенью очистки загрязненных жидкостей – в диапазоне от 10 до 50 мкм, что зависит от плотности и пропускной способности материала. Изготовленный фильтр успешно обеспечивает заявленную степень фильтрации, не подвергаясь значительным изменениям под действием влаги.


Среди прочих направлений, где успешно используется полимерная ткань, включая и такой вид, как ткань полипропиленовая ламинированная, можно назвать:

  • упаковочный материал для готовых текстильных изделий;
  • мягкие контейнеры для пищевых продуктов, включая и жидкие;
  • контейнеры большой емкости для строительных материалов;
  • защитный материал от сорняков в растениеводстве, в тепличном хозяйстве.

Последним современным направлением в использовании полипропилена стало изготовление тканей без использования станков. Это позволило использовать ткань в медицине (подгузники, средства гигиенического ухода), сельском хозяйстве (известный, как спанбонд).

Новые материалы с легкостью вытесняют ранее используемую пленку для накрывания теплиц. При этом покупатель учитывает не только низкую стоимость материала, но и новые возможности, которые связаны с характеристиками полипропилена.

Трудно назвать сферы деятельности, где полипропилен не используется. Перспективным направлением применения искусственных тканей является замена натуральной шерсти , что сделает полипропилен еще более востребованным. К тому же он имеет очень низкую стоимость, а значит, более конкурентоспособен.

Термопластичные полимеры :: информационная статья компании Полимернагрев

Пластики – это искусственно произведенные материалы, изготавливаемые из нефтепродуктов, угля и природного газа.

В зависимости от структуры полимерных молекул и реакции на нагревание пластики разделяют на:

  • Термоплачстичные полимеры или термопласты, легко размягчающиеся под воздействием температуры

  • Реактопласты, состоящие из макромолекул с плотным сцеплением, остающиеся твердыми даже при нагреве. Характеризуется высокой твердостью, хрупкостью и устойчивостью к растворителям.

  • Эластомеры, с широким расположением молекул и повышенной упругостью.

Общие сведения о термопластах

Термопластами называют тип полимеров, которые при нагревании расплавляются до мягкого или жидкого состояния, а при остывании приобретают первоначальные свойства прочности. Молекулы термопластичных полимеров имеет линейную или разветвленную структуру с беспорядочным расположением в большинстве случаев. Физические свойства термопластов имеют зависимость от связей между молекулами, а те в свою очередь очень чувствительны к температуре. Таким образом, физические свойства термопластов напрямую зависят от температуры материала.

Классификация термопластов

Термопластичные полимеры можно разделить на такие группы:

  • Аморфные термопласты с неупорядоченной структурой молекул (PS, PVC, PMMA, PC ).

  • Термопласты с частичной кристаллизацией, в которых аморфные участки перемежаются с упорядоченными структурами (PE, PP, POM, PA)






Аморфные термопластичные полимеры

Как следует из названия «аморфные», молекулы полимеров данной группы не имеют определенной структуры. Их внутреннее положение в пространстве схоже с комком ваты. Термопласты аморфного типа имеют высокую упругость, прочность, а при температуре 20⁰С еще и хрупкость. Так как структура молекул аморфных термопластов ассиметрична и беспорядочна, они не подвержены кристаллизации, поэтому остаются полностью прозрачными без введения в них дополнительных модификаторов цвета. Полимерные материалы группы аморфных термопластов имеют низкую усадку при литье. Для повышения качеств обрабатываемости обычно применяют различные модификаторы.

Температура стеклования (отсутствие движения макромолекул и сегментов) термопласта в большинстве случаев выше их применения в обычных условиях. При стандартных температурах окружающей среды термопластичные пластики по физическим свойствам не отличаются от твердых материалов с упруго обратимой деформацией. Когда же полимер из термопластов нагревают до величин температурных показателей выше температуры стеклования, термопласт становится мягким и эластичным. Находясь в высокоэластичном состоянии, полимер реагирует на физическую нагрузку энтропийной деформацией.

При дальнейшем нагреве термопласта до температуры текучести, пластик становится текучим и можно легко сместить цепи макромолекул при физическом воздействии на материал. Это обеспечивает необратимую деформацию течения полимера. Также следует помнить, что не все деформации, которые происходят в вязкотекучем состоянии с полимером, являются деформациями течения.

Термопластичные полимеры применяются для изготовления изделий методом экструзии, горячеканального литья под давлением, термоформованием, сваркой и прочими типами механической обработки с применением предварительного нагрева. Нагревательные элементы для всех типов оборудования, которые применяются для обработки термопластов вы можете найти в каталоге нагревателей.

Термопласты с частичной кристаллизацией

Данный тип полимерных материалов имеет в составе как участки с определенной структурой, так и неструктурированные. Структурированные участки макромолекул имеют название кристаллитов и в них плотность молекулярной структуры больше, чем в аморфных частях, так же как и сила физического соединения. К примеру, такой симметричной и длинной молекулярной цепью обладает полиэтилен с высокой плотностью. Чем больше будет кристаллизованных участков в полимере, тем менее прозрачным он будет. Для частично кристаллизованных термопластов температура эксплуатации обычно выше, чем значение стеклования, но переход в расплавленное состояние происходит очень резко без стадии повышенной эластичности. При остывании материал так же быстро застывает, но при этом количество участков с кристаллизацией увеличивается, поэтому он сильно деформируется и усаживается.

Свойства термопластичных полимеров в значительной степени зависит от длины молуекулы, химической структуры сегментов, уровня кристаллизации и взаимодействия молекул.

Изменение свойств термопластов под влиянием нагрева

Для частично кристаллизованных термопластов применяют такие методы обработки, в зависимости от их состояния в температурных зонах:

  • Твердое. Резка, фрезеровка.

  • Эластичное. Формование, изгиб.

  • Термопластичное. Экструзия, литье, прессовка.

 Влияние температуры на термопласты частично кристаллизованной группы

    


Для термопластичных аморфных полимеров методы обработки в зависимости от состояния:

  • Твердо-хрупкое. Не обрабатывается.

  • Упруго-твердое. Склеивание, поверхностная обработка.

  • Термоэластичное. Формование вытягиванием и растяжкой.

  • Термопластичное. Сваривание, экструзия, прессовка.

Влияние температуры на термопласты аморфной группы


Реакция на температуру полипропилена и полиэтилена

Полиэтилен


Полиэтилен – это термопластичный полимер группы с частичной кристаллизацией с простой структурой молекулы. Плотность полиэтилена зависит от уровня кристаллизации.

Полиэтилен характеризуется такими качествами:

  • большая прочность

  • низкий уровень плотности

  • температура использования: -50 °C..+90 °С

  • высокая электроизоляция

  • стойкость к хим. воздействию

Свойства полиэтилена зависят от плотности и молекулярной массы.






Полипропилен


В молекуле полипропилена метиловая боковая группа молекулы может быть упорядочена в пространстве по-различному. Из-за этого полипропилен может изготавливаться с разными свойствами.

Отличительные свойства полипропилена от полиэтилена:

  • Меньше плотность

  • Больше прочность

  • Выше температура плавления

  • Становится хрупким при отрицательных температурах

  • Меньшая устойчивость к хим воздействию

Основное отличие полимеров от эластомеров

Полимеры имеют молекулярную структуру, состоящую в основном или целиком из большого количества одинаковых звеньев, связанных вместе. Эти звенья называются повторяющимися звеньями. Эти повторяющиеся звенья представляют собой мономеры, из которых изготовлен полимер. Поскольку существует множество разновидностей полимеров, все эти макромолекулы можно классифицировать в зависимости от нескольких различных параметров.

Полимеры классифицируют в зависимости от их молекулярных сил, определяют три группы:

  1. Термопластичные полимеры;
  2. Термореактивные полимеры;
  3. Эластомеры.

Основное различие между полимером и эластомером состоит в том, что полимер – это любая большая молекула, построенная из небольших звеньев, называемых мономерами, тогда как эластомер – это особый тип полимера, который обладает упругими свойствами.

Что такое эластомер

Эластомер – это тип полимера, имеющий специфическую характеристику упругости. Эластичность – это способность объекта или материала восстанавливать свою нормальную форму после растяжения или сжатия. Эластомеры представляют собой резиноподобный материал и обычно представляют собой аморфные полимеры (упорядоченная структура отсутствует).

Упругие свойства эластомеров возникают из-за достаточно слабых ван-дер-ваальсовых сил между полимерными цепями или достаточно нерегулярной структуры. Если силы между полимерными цепями слабы, это дает гибкость полимеру. Аналогично, если полимер имеет неорганизованную структуру, он позволяет полимеру быть более гибким. Но для того, чтобы полимер был гибким, он должен иметь некоторую степень сшивки.

Некоторые эластомеры являются термопластичными, тогда как другие эластомеры являются термореактивными полимерами. Наиболее распространенным примером эластомеров является резина. Натуральный каучук состоит в основном из полиизопренового полимера. Следовательно, это соединение является причиной эластичности резины. Натуральный каучук получается из латекса каучукового дерева. Но резина может быть синтезирована для получения синтетического каучука. Нефтяное масло и природные газы могут быть использованы для производства каучука.

Что такое полимер

Полимер представляет собой макромолекулу, которая состоит из большого количества повторяющихся звеньев. Эти повторяющиеся звенья представляют собой мономеры, из которых изготовлен полимер. Мономеры – это маленькие молекулы. Эти мономеры имеют либо двойные связи, либо, по крайней мере, две функциональные группы на молекулу. Затем они могут пройти полимеризацию для образования полимерного материала.

Поскольку полимеры разнообразны, их можно разделить на несколько разных групп в зависимости от разных параметров структуры: линейные, разветвлённые, сетевые. Также, они могут быть натуральные и синтетические и отличаться на основании молекулярных сил: Термопластичные полимеры, Термореактивные полимеры, Эластомеры.

Полимеры имеют различные свойства в зависимости от повторяющихся звеньев, присутствующих в полимере, микроструктуры полимерного материала и т.д. Некоторые полимеры проявляют пластичность, некоторые показывают эластичность, некоторые полимеры прочные и жесткие, некоторые мягкие и эластичные. Аналогично, полимеры проявляют широкий спектр свойств.

В качестве общих свойств полимеров могут быть приведены следующие.

  • Большинство полимеров устойчивы к химическим веществам.
  • Большинство полимеров действуют как электрические и тепловые изоляторы.
  • Как правило, полимеры имеют высокую прочность по сравнению с их легким весом.
  • Некоторые полимеры могут быть получены из природных источников, но большинство полимеров синтезируются из нефтяного масла.

Тактичность полимеров является еще одной важной концепцией относительно полимеров. Полимеры могут быть изотактическими, синдиотактическими или атактическими. Эта тактичность определяется в зависимости от положения боковых групп, присутствующих в полимерных цепях. Если боковые группы находятся на одной стороне, они являются изотактическими полимерами. Если группы чередуются, то они синдиотактичны. Но если боковые группы расположены случайным образом, они являются атактическими полимерами.

Вывод: Отличие полимеров от эластомеров

Эластомеры – это тип полимеров. Группы эластомеров отделены от других полимеров в зависимости от молекулярных сил, которые придают эластомерам их эластичность. Основное различие между полимером и эластомером состоит в том, что полимер – это любая большая молекула, которая состоит из небольших звеньев, называемых мономерами, тогда как эластомер – это особый тип полимера, который обладает упругими свойствами.

TPE | Виды полимеров – Resinex

ТПЭ – общее наименование термопластичных эластомеров, именуемых также термоэластопластами. ТПЭ представляет собой каучукоподобный материал, переработка которого может осуществляться с использованием термопластических технологий, таких как литье под давлением, двухкомпонентное формование или экструзия. Термопластичные эластомеры (ТПЭ) представляют собой соединения, производимые из термопластичных материалов, таких как ПП, ПБТ или ПА, в сочетании с мягким каучуковым материалом, чаще всего содержащим такие добавки, как масло и наполнитель.

В 60-е годы прошлого века термопластичные материалы стремительно завоевывали все новые и новые сферы. В те времена резиновые смеси (термореактопласты) уже приобрели популярность на автомобильном рынке, однако являлись довольно дорогостоящими, труднопроизводимыми и плохо поддающимися переработке.

Новые тенденции в моде (более яркие цвета, обрезинивание поверхностей и пр.) повлекли за собой увеличение спроса на мягкий, более дешевый и легко производимый материал. Этот рост продолжился и в 70-е годы, когда началось крупномасштабное производство ТПЭ.

В настоящее время существует широкий ассортимент различных типов термопластичных эластомеров (ТПЭ), например:

  • ТПЭ-О – термопластичные олефины (смеси жестких/мягких сортов с сонепрерывной структурой)
  • ТПЭ-С – стироловые соединения (СБС, СЭБС или СЭПС)
  • ТПЭ-В – вулканизованные соединения ПП/ЭПДМ
  • ТПЭ-Э – сополиэфирные соединения
  • ТПЭ-У – термопластичный полиуретан
  • ТПЭ-А – термопластичный полиамид

В повседневном употреблении “Э” зачастую отбрасывается, в результате чего речь идет о ТПО, ТПС, ТПВ, ТПЭ, ТПУ и ТПА.

Схематическая микроструктура ТПЭ-С (стиролового термопластичного эластомера) .

Все сочетания твердых и мягких сортов ТПЭ имеют свойства, аналогичные каучуку, и различаются только уровнями термостойкости, химической стойкости и гибкости, а также способностью к восстановлению после снятия нагрузки (остаточной деформацией при сжатии).

Недостатками ТПЭ по сравнению с традиционными термореактивными полимерами являются их более низкие эксплуатационные характеристики. ТПЭ имеют более низкую термостойкость, химическую стойкость и худшую формоустойчивость (остаточную деформацию сжатия) после воздействия нагрузки.

К основным преимуществам термопластичных эластомеров относятся более легкое превращение (и более низкие энергозатраты по сравнению с термореактопластами) посредством традиционных термопластических технологий, таких как литье под давлением, экструзия, горячее формование, выдувное формование и др. Кроме того, ТПЭ могут легко окрашиваться и переформовываться в различные термопласты с хорошим прилипанием.

ТПЭ производятся многими изготовителями компаундов, такими как Enplast и Ravago (Ensoft, Enflex, Sconablend), Kraiburg, Tecknor Apex, AES, Elasto, Softer, под такими фирменными наименованиями, как Dryflex, Sarlink, Monprene, Santoprene, Laprene и Forprene. В отдельных регионах также активно действуют более мелкие производители.

Производители нефтехимической продукции также осуществляют выпуск отдельных семейств ТПЭ, например, EG DSM со своей маркой Arnitel (ТПЭ-Э), Celanese с маркой Riteflex (ТПЭ-Э), DuPont с маркой Hytrel (ТПЭ-Э), Arkema с маркой Pebax (ТПА) и Dow с маркой Engage (ТПО).

Типовыми областями применения термопластичных эластомеров (ТПЭ) являются:

  • Обрезиненные детали инструментов, карандашей, зубных щеток, бритв
  • Уплотнители автомобильных окон, автомобильные коврики, крышки подушек безопасности, покрытия приборных панелей
  • Покрытия кабелей
  • Спортивный инвентарь
  • Кровельные мембраны
  • Игрушки
Мы предлагаем:

Журнал «За науку»: Умные полимеры

Доставить лекарство в нужную точку организма, распылить солнечную батарею на крыше, решить проблему нехватки пресной воды и создать импланты, неотличимые по свойствам от оригинала, — все это позволят сделать умные полимеры. О достигнутых результатах и перспективах этого направления рассказал заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ Дмитрий Иванов.

Сотрудники лаборатории инженерного материаловедения МГУ

Умные полимеры — это часть умных материалов, которые обладают способностью сильно реагировать на какое-то внешнее воздействие. Они могут резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности, кислотности, освещения. Эти материалы могут иметь очень сильный отклик даже на самое малое внешнее возмущение. Например, можно излучением вызывать изменение в конформации полимерных цепочек, которое приведет к глобальной перестройке всей структуры полимера. Классические материалы — сплавы, неорганика — состоят из достаточно простых кирпичиков: атомов, ионов или соединений из нескольких атомов, для них подобные сильные отклики на малое внешнее возмущение, практически, недостижимы.

«Область, в которой мы работаем, — сложные жидкости. Это другой термин, который обозначает умные материалы. В каждом элементарном кирпичике такого материала могут быть десятки и даже сотни атомов, которые составляют, например, мономер. Из этих мономеров мы выстраиваем полимерную цепочку. То есть сам по себе элементарный кирпичик нашего материала может быть достаточно сложным, и именно это обусловливает сложность взаимодействия между ними. В силу того, что материал организован в широком диапазоне шкал от ангстремов до сотен нанометров, он обладает богатой палитрой возможных взаимодействий», — рассказывает директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ Дмитрий Иванов.

Сейчас, например, развивается целое направление, связанное с микророботами на основе мягких сред. Мягкие среды — еще одно называние этих материалов. Действием определенного облучения можно вызывать механические движения этих микрообъектов, вынуждая их перемещаться в пространстве в заданном направлении.

Егор Берсенев за работой

«Как это может достигаться? Грубо говоря, полимер является растворимым в воде при температуре ниже 31℃. Но как только температура превысила 31℃, он претерпевает фазовое превращение, наступает коллапс цепей, приводящий к резкому уменьшению размеров макромолекулярных цепочек. На основе такого полимера с содержанием, например, наночастиц золота создаются так называемые микроплывуны. И, в этом случае, с помощью инфракрасного лазера можно целенаправленно вызвать локальный нагрев этих наночастиц. Вследствие этого полимерная матрица начнет резко сокращаться и станет пульсированно двигаться. Предполагается, что такие плывуны будут играть большую роль в наномедицине», — поясняет сотрудник лаборатории Егор Берсенев.

Другой пример — создание специальных многослойных микро- и даже нано-размерных пузырей для доставки лекарств. Направляя на эту оболочку излучение определенной длины волны, можно вызвать фазовый переход, — пузырь откроется, и биологически активная субстанция, которая находилась внутри пузыря, выйдет. То есть вы контролируемо высвобождаете биологически активное вещество.

 

Как это было

Полимерная революция началась в 40-х годах, когда люди впервые отказались от естественных, натуральных материалов и синтезировали то, чего никогда в природе не было, — появились чисто синтетические материалы. Яркий пример — нейлоны, полиамиды или полиэтилен. Такой чисто искусственный материал, как полиэтилен оказался уникальным по своим структурам и механическим свойствам. Изначально полимеры привлекли внимание благодаря своей механике: полимерные волокна полиэтилена прочнее стали на единицу веса. Корреляции между структурами материалов и их свойствами стали выделяться в целое направление материаловедения, ученые начали специально заниматься изучением таких корреляций для создания новых функциональных материалов.

Обычный легкий мягкий пластик обладает очень интересным комплексом свойств, которые определяются его структурой и условиями производства. Можно произвести полиэтилен так, что получится пакет, который вам дают в супермаркете, — он обладает достаточно скромными механическими свойствами. Но можно сделать и так, что полиэтилен станет пуленепробиваемым материалом. Это хорошо показывает влияние структуры на свойства.

Здесь стоит упомянуть, что большое количество биологических соединений от ДНК до белков —  тоже полимеры. И сделаны они очень хитро, потому что их трехмерная структура, которая спонтанно образуется после синтеза, полностью определяет их свойства.

 

Специализированные полимеры

В 60-е считалось, что с годами будет появляться все больше и больше специализированных полимеров. Наиболее известный пример такого полимера — нейлон. Ни один другой полимер не воспроизводит механические свойства нейлона, и было понятно, что нейлон останется уникальным очень долго. Он был ярким примером такой специализации. Это верхушка пирамиды полимеров. Основу же ее составляют так называемые commodity plastics — полимеры, которые производятся многими миллионами тонн: полиолефины, эластомеры, синтетические смолы. И ученые полагали, что с годами эта пирамида будет меняться, что будет появляться все больше и больше специализированных полимеров, и понемногу промышленность уменьшит долю многотоннажного производства.

Текстурированные полимерные пленки

«Действительность полностью опровергла это предсказание. Область специализированных полимеров с годами не стала расти. И это связано с тем, что весь процессинг сейчас оптимизирован под отдельные полимеры, например, под полипропилен. И перестраивать производство очень дорого. Поэтому основное усилие было направлено на то, чтобы приобрести все более тонкий контроль над макромолекулярной структурой и свойствами этого полимера. То есть сегодня полипропилен — это совсем не тот же материал, который был несколько десятилетий назад, а целое семейство разных сополимеров. Но, конечно, очень интересно развивать полимеры также под специальные применения», — считает Дмитрий Иванов.

 

Лишняя соль

Когда говорят про опреснение воды, имеют в виду в первую очередь уменьшение концентрации ионов натрия. Высокая концентрация именно этого элемента является токсическим фактором для организма в силу того, что в клетках поддерживается некий градиент концентрации натрия и калия. Если пить воду с высоким содержанием катионов натрия, организм не справится с осмотическим шоком, и человек погибнет.

«Сейчас на Физтехе идет международный проект, в котором мы пытаемся создать синтетические полимеры, имеющие селективное сродство с катионами щелочных металлов. И одна из целей этого проекта — создать новое поколение систем для опреснения воды, — говорит Егор Берсенев. — Химически удалить ионы натрия из водной среды невозможно. Наши полимеры — это достаточно простые макромолекулы, имеющие в своем составе электростатические заряды, так называемые полиэлектролиты. Но их особенность в том, что они могут селективным образом связывать катионы натрия в воде, после чего выпадают в осадок, и вода опресняется».

Идея заключается в использовании полиэлектролитов нового поколения, которые связывают натрий в растворе по схеме «ключ — замок». То есть структура полиэлектролита должна быть такова, что катион натрия идеально подходит для захвата отрицательно заряженными группами. После такого захвата полиэлектролит теряет свойства растворимости и выпадает в осадок вместе с катионами натрия. Жидкость из соленой превращается в слабокислую, то есть уже питьевую.

Этот проект реализуется в сотрудничестве с университетом Парижа. Химики-синтетики из Франции помогают создавать новые структуры полиэлектролитов для очистки воды. В нынешнем году планируется построить уже первые мембраны на их основе и попытаться сделать процесс опреснения более технологичным.

 

Органическая электроника

«Еще одно направление нашей работы в сотрудничестве с региональной платформой по органической электронике в Страсбурге — разработка органических солнечных батарей. Это тонкопленочные устройства толщиной от 50 до 100 нанометров, которые конвертируют свет в электроэнергию. В чем их возможные преимущества перед кремниевыми? Они тонкие, — что дает малый расход материала на единицу площади. Низкая стоимость материалов. В идеальном случае человек с тремя баллончиками спрея поднимется на крышу: из первого баллончика нанесет электрод, из второго — донор, из третьего — акцептор, потом опять электрод, — и крыша превратится в одну солнечную батарею. К сожалению, КПД такой батареи будет пока невысок, а стабильность достаточно низкая. Эти проблемы еще до конца не решены», — уточняет сотрудник лаборатории Кирилл Герасимов.

Тонкоплёночный полевой транзистор на основе органических материалов

Тем не менее эта область бурно развивается. И речь не только об органических солнечных батареях, но и о транзисторах, сенсорах. Появится целая палитра таких органических электронных устройств. У каждого вида изделия будет своя ниша на рынке. Это не будут заводы по производству электроэнергии. Но могут быть устройства для зарядки портативной техники. Допустим, на ваш рюкзак наносится чувствительный органический элемент, и пока вы идете в походе, он заряжает ваш телефон.

 

Полимерные импланты

ПРЯМАЯ РЕЧЬ

Дмитрий Иванов, директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ:

 

— Мы работаем с людьми, которые помогают нам моделировать новые материалы. В частности, те материалы, которые будут имитировать свойства мягких тканей организма: кожи, жировой ткани. Наша команда разрабатывает материалы, которые будут точно воспроизводить индивидуальные свойства пациента. Было обнаружено, что индивидуальные различия между людьми в механических свойствах тканей, скажем, кровяных сосудов, очень сильно отличаются, и даже иногда приближаются к межвидовым различиям. Становится очень важно изготовить материал, который будет соответствовать точно вашим персональным свойствам, то есть воспроизводить свойства конкретно ваших тканей.

Материал импланта должен так же деформироваться, как и окружающая ткань. Сейчас для населения, которое ведет малоподвижный образ жизни очень актуальна проблема с межпозвоночными дисками. Межпозвоночная грыжа — это проблема материала диска, который соединяет позвонки, — сложно структурированного композитного материала из коллагена, который обеспечивает механику позвоночника. Если коллагеновый диск разорвался, вытекшая жидкость начинает оказывать давление на нерв, из-за чего уменьшается кровоток и нерв может отмереть. Это приводит к парализации ног, например, если речь идет о грыже поясничного отдела. В случае грыжи позвонков шейного отдела может наступить паралич рук, остановка сердца и дыхания. То есть в такой ситуации нужно в первую очередь спасти нерв. Но спасти таким образом, чтобы сохранилась физическая подвижность.

Раньше поврежденный диск удаляли и на его место вставляли пластиковый вкладыш. Полипропилен — классический частично кристаллический полимер, который применяется во многих областях и в том числе в медицине. Но он никак не соответствует по механике удаленному коллагеновому диску, поскольку это довольно твердый материал. Если вставить полипропиленовый вкладыш, механические нагрузки лишь перенесутся на следующую пару позвонков, и через несколько лет может начаться грыжа следующего диска. Человек все равно рискует стать инвалидом.

«Возникает задача воспроизведения определенного комплекса механических свойств мягких тканей. Мы начали эту работу в сотрудничестве с американскими химиками и полимерными физиками. Они профессионально занимаются симуляцией механических свойств полимеров, то есть рассчитывают процесс деформации полимерных материалов, имеющих достаточно сложную макромолекулярную структуру. Когда мы только начинали этим заниматься, все говорили, что невозможно воспроизвести механику живых тканей, потому что она не подчиняется тем же законам, которые управляют механикой обычных эластомеров», — вспоминает Дмитрий Иванов.

Эластомеры — это класс полимеров. При растяжении эластомера сила сопротивления деформации возрастает с увеличением деформации. Кожа ведет себя совершенно по-другому. Она очень мягкая в исходном недеформированном состоянии. Можно разгладить старческие морщины без усилий. Но при этом потребуется достаточно большое усилие, чтобы удлинить ее, например, в два раза. Суть механики биологических тканей состоит в присутствии в их основе волокон, состоящих из практически полностью вытянутых цепей. Когда вы начинаете деформировать биологическую ткань, эти волокна, изначально изотропно ориентированные в материале, ориентируются в направлении деформации, и вы практически сразу достигаете точки максимального растяжения. Дальше прилагаемая сила очень быстро возрастает с деформацией. Эволюция привела к тому, что кожа имеет эту защитную функцию: она может резко упрочняться в тысячи раз при деформации.

«Постепенно мы пришли к пониманию, как отойти от этой парадигмы, согласно которой воспроизвести в синтетических полимерах механику биологических объектов невозможно. И вместе с химиками создали новый класс полимерных материалов, который полностью воспроизводит механику биологических тканей: кожи, легких, кровяных сосудов. Это открывает совершенно новые перспективы в создании персонализированных имплантов, — полагает Дмитрий. — Ключевые параметры механики мы рассчитываем аналитически на основе созданных моделей эластического поведения материалов. Для этого у нас есть набор неких кодирующих параметров, которые позволяют нам точно предсказать деформационные кривые наших материалов. Таким образом, разработанная стратегия сводится  тому, что мы берем образец биологического материала, измеряем его механическую кривую и по ней сразу создаем новый материал, который точно ее воспроизводит».

Нужно понимать, что эта технология создания материалов достаточно дорогостоящая на сегодняшний день, поэтому она не станет многотоннажной и будет оставаться на самой вершине пирамиды производства полимеров. Очевидно, что вначале такие материалы будут доступны только для достаточно обеспеченных пациентов. Тем не менее, за этим направлением будущее, потому что постепенно оно проложит путь к персонализации в медицине.

 

Все дороги ведут к полимерам

«Одна из наших задач посвящена строительству дорог. Сейчас это важная тема. Мы изучаем такие полимерные композиции, которые будут использоваться для укрепления грунта и разрабатываем новый модификатор для этой среды. При строительстве дорог первым делом нужно обработать сам грунт, на который вы будете укладывать дорожное покрытие. Это позволяет сделать жестким полотно дороги и избежать попадания воды, поскольку пропитка происходит на значительную глубину. Сам же модификатор можно сравнить с клеем — тоже суспензия, связывающая частицы при высыхании. Для отработки своей технологии мы используем песок, поскольку это наиболее сложный к стабилизации грунт», — рассказывает сотрудница лаборатории Полина Бовсуновская.

Песок после обработки модификатором грунта

Во многих регионах России температура проходит через ноль десятки раз в течение года. Из-за этого вода, попадающая в дорожное полотно, регулярно замерзает и расширяется, образуя трещины. Модификаторы грунта помогают избежать данной проблемы, именуемой «морозным пучением». Сегодня эта технология уже хорошо развита на западе. Но многие из существующих модификаторов используют поверхностно-активные вещества, которые при попадании в грунт уходят в сточные воды и загрязняют окружающую среду.

«Мы хотим сделать модификатор грунта без поверхностно-активных веществ. К сожалению, пока что реализовать эту идею до конца не получилось. Мы продолжаем оптимизировать состав нашего модификатора, перенимая в том числе самые передовые западные технологии. Отдельная проблема, присущая России, состоит в большой разнородности грунтов, что усложняет задачу», — делится Полина Бовсуновская.

Модификаторы грунта

 

Эксперимент правит бал

Говоря о важности экспериментальной науки, нужно понимать, что расчет механических свойств макромолекулярного материала и расчет его электронных состояний — это две совершенно несопоставимые по сложности задачи. Однако, на сегодняшний день даже определение механических свойств полимерных композитов является очень сложной задачей. Возможно ли сегодня, исходя из знания квантовой механики, квантовой химии, то есть из основополагающих принципов, рассчитать основные электронные свойства материала? К сожалению, только очень приблизительно. Рубеж современных возможностей моделирования электронных свойств— симулирование одной молекулы.

Большую роль в этой проблеме играет отсутствие знаний о микроструктуре вещества. Потому что его энергетические уровни зависят не только от строения молекулы вещества, но и от межмолекулярных взаимодействий, которые определяются структурой. То есть пока симуляции еще очень далеки от расчетов реальных материалов.

«В целом симуляция полимерных материалов — это достаточно классическое направление. И потихонечку компьютерные мощности все больше и больше позволяют приблизиться к реальным системам. Уже можно представить, как ведет себя наш материал при деформации: что происходит с боковыми цепями и с основной цепью, каковы основные этапы деформационного процесса. Но все симуляции обязательно сверяются с экспериментом. Без экспериментальной составляющей в ближайшем будущем наша сфера немыслима, поэтому нужно активно работать над созданием большего числа высококлассных экспериментальных лабораторий», — заключает Дмитрий Иванов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Просмотров: 1 319


Новый полимер может повысить производительность органических и перовскитных солнечных элементов

Изображение. Вариант иллюстрации с обложки выпуска журнала Macromolecular Chemistry, в котором опубликовано исследование по синтезу полимеров для солнечных батарей; рисунок автора исследования. Источник: Марина Теплякова/Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги синтезировали новый сопряженный полимер для органической электроники с помощью двух различных химических реакций и для каждой продемонстрировали влияние параметров синтеза на характеристики полимера в органических и перовскитных солнечных элементах. Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Macromolecular Chemistry and Physics.

Сегодня, когда весь мир стремится перейти на экологически чистые и возобновляемые источники энергии, в частности солнечную энергию, ученые активно работают над задачей повышения производительности солнечных элементов. Наиболее перспективными для этой цели технологиями считаются органические солнечные элементы, а также перовскитные элементы на основе галогенида свинца. Эти две быстроразвивающиеся фотоэлектрические технологии открывают возможности для более экономичной и стабильной генерации солнечной энергии. Их основное преимущество по сравнению с коммерческими солнечными элементами на основе кристаллического кремния — низкая стоимость нанесения светочувствительного слоя из раствора. Данный подход не только удешевляет производство электроэнергии и упрощает его масштабирование за счет использования рулонной технологии, но и позволяет создавать устройства на гибких и эластичных поверхностях.

На сегодняшний день существует ряд факторов, препятствующих широкому внедрению этих технологий. Если говорить об органических солнечных батареях, по-прежнему ведется работа по повышению их эффективности, в основном за счет оптимизации состава светочувствительного слоя. Как правило, этот слой в них состоит из комбинации донорных и акцепторных компонентов, где функцию донора выполняет сопряженный полимер.

Что касается перовскитных солнечных батарей, их сертифицированные эффективности достигают 25,5%, что делает их главным конкурентом коммерческим солнечным батареям на основе кристаллического кремния. Основным препятствием на пути к коммерциализации технологии остается низкая стабильность устройств. Недавние исследования показали, что для повышения стабильности устройства на светочувствительный перовскитный материал можно наносить защитный слой, обеспечивающий как селективную экстракцию носителей заряда, так и надежную защиту материала. Такую защитную функцию могут выполнять в том числе и сопряженные полимеры.

В обоих видах фотовольтаических устройств, использующих сопряженные полимеры, наилучшие эффективности будут достигнуты при условии обеспечения высокого качества полимеров. В частности, материал должен содержать малое количество дефектов, которые могут служить «ловушками зарядов». Высокого качества можно достичь за счет усовершенствования процесса синтеза материалов.

«Сопряженные полимеры можно использовать для различных целей, поэтому мы исследуем возможности оптимизации синтеза с целью улучшения качества материала, что в свою очередь позволит повысить производительность фотоэлектрических устройств. Наше исследование посвящено изучению определенного типа сопряженных полимеров, цепь которых содержит звено на основе изомера известного красителя индиго — изоиндиго. Полученные результаты показывают, что из двух альтернативных методов синтеза материалов на основе изоиндиго — реакций Стилле и Сузуки — на заключительном этапе процесса лучше все-таки использовать реакцию Стилле», — рассказывает аспирант Сколтеха Марина Теплякова.

Марина Теплякова и ее коллеги — первый проректор Сколтеха Кит Стивенсон и ученые из Института проблем химической физики РАН — синтезировали сопряженный полимер на основе изоиндиго, используя два метода синтеза, которые обычно применяют при производстве таких полимеров: реакции поликонденсации Стилле и Сузуки.

Сопряженные полимеры — это органические материалы, структуру которых образуют чередующиеся донорные и акцепторные компоненты. Эти компоненты называются мономерами и объединяются в полимерные цепи при помощи различных реакций полимеризации. Для этого в структуры мономеров, задействованных в реакциях полимеризации, вводят определенные функциональные группы, зависящие от типа используемой реакции. Для изготовления полимеров, содержащих изоиндиго, обычно используют два метода синтеза, а именно реакции поликонденсации Стилле и Сузуки — обе они были рассмотрены в совместном исследовании группы ученых Сколтеха и ИПХФ РАН.

Помимо упомянутых выше различий в функциональных группах, эти две реакции требуют разных условий. Так, реакция поликонденсации Сузуки проходит в смеси двух несмешивающихся растворителей, воды и органического растворителя, в присутствии неорганического основания, а переход мономеров между жидкостями обеспечивается специальным веществом — катализатором фазового перехода. Реакция Стилле обычно протекает в одной фазе и при повышенных температурах. Кроме того, обе реакции требуют использования катализаторов на основе палладия.

«В ходе эксперимента мы определили, что в стандартных условиях поликонденсации Сузуки происходит разрушение мономера на основе изоиндиго, — поясняет Марина Теплякова. — Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии мы установили, что в условиях двухфазной реакции с неорганическим основанием и катализатором межфазного переноса сигнал, соответствующий мономеру на основе изоиндиго, трансформируется в три отдельных сигнала, что указывает на необратимое разрушение исходного соединения. Мы подобрали условия протекания реакции, которые являются безопасными для материала и не приводят к его разрушению».

Высокоэффективная жидкостная хроматография — аналитический метод, позволяющий идентифицировать в смеси различные компоненты, прокачивая ее под давлением через колонку, заполненную адсорбирующим материалом. Каждое вещество, содержащееся в смеси, взаимодействует с адсорбентом по-разному и, следовательно, преодолевает высоту колонки за разное время. По этому времени и определяются компоненты смеси.

Следующим этапом исследования был синтез полимера на основе изоиндиго по реакциям Сузуки с оптимизированными условиями и Стилле. Было установлено, что полимеры, полученные двумя разными путями, имеют схожие молекулярные массы и оптоэлектронные свойства. Далее оба материала прошли испытания в органических солнечных батареях в качестве компонента фотоактивного слоя, а также в перовскитных солнечных батареях в качестве дырочно-транспортного слоя. Органические и перовскитные солнечные батареи, содержащие полимер, полученный по реакции Стилле, показали более высокие эффективности: 15,1% и 4,1%, соответственно. Те же устройства, содержащие полимер, синтезированный с помощью поликонденсации Сузуки, продемонстрировали эффективности 12,6% и 2,7%.

Ученые предположили, что различие в характеристиках обусловлено наличием в материале, полученном с помощью реакции Сузуки, дефектов, которые могли послужить ловушками зарядов. Для подтверждения этого предположения оба материала были охарактеризованы методом электронного парамагнитного резонанса. Было обнаружено, что материал, полученный по реакции Сузуки, содержит в пять раз больше дефектов, что, вероятно, и привело к ухудшению характеристик фотовольтаических устройств.

Таким образом, было показано, что для полимеров на основе изоиндиго важен выбор синтетического пути, так как он может значительно повлиять на качество материала. В дальнейшем участники проекта планируют сравнить эффективности фотовольтаических устройств, содержащих полимеры различного строения, для установления связи между структурой полимера и производительностью устройства. Результаты данной работы позволят более рационально подойти к процессу дизайна полупроводниковых полимерных материалов для фотовольтаических устройств.

 

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

*protected email*

Материал изготавливаемый на основе полимеров это

На основе полимеров получают волокна. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

Полимерные пленки получают из растворов полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, для защиты металлических изделий от коррозии.

Лаки– растворы пленкообразующих веществ в opганических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители и др. Применяются для электроизоляционных покрытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лакокрасочных эмалей.

Клеи – композиции, способные соединить различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др. Клеи подразделяются на термопластические, термореактивные и резиновые.

Пластмассы – это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации – в стеклообразном. Все пластмассы подразделяют на реактопласты итермопласты. К реактопластам относятся материалы на основе фенолформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и других полимеров. Кроме полимеров в состав пластмасс могут входить пластификаторы, стабилизаторы, красители, наполнители. Пластификаторы снижают температуру стеклования и повышают текучесть полимеров, антиоксиданты замедляют их деструкцию, наполнители улучшают физико-механические свойства. В качестве исполнителей применяют порошки (графит, сажа, мел, металл и т.д.), бумагу, ткань.

Композиционные материалы (композиты) состоят из полимерной основы, армированной наполнителем в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими, например, стеклянными, карбидными, нитридными, борными Армирующие наполнители в значительной степени определяют механические, теплофизические и электрические свойства полимеров. Многие композиционные полимерные материалы по прочности не уступают металлам.

Стеклопластики, армированные стекловолокном, обладают высокой механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Углепластики, армированные углеродными волокнами, сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики имеют высокую твердость и низкую ползучесть.

Резиновые материалы.Резины представляют собой сложную смесь веществ, основным компонентом среди которых является каучук. Обычно его смешивают с различными веществами, имеющими определенное назначение. Резиновая смесь подвергается вулканизации, которая проводится одновременно с приданием ей формы будущего изделия. Характерным свойством резин является их высокая эластичность, химическая устойчивость.

Применение полимеров

Полипропилен[− СН(СН)3−СН2−]n химически стоек и нерастворим в органических растворителях, более термостоек, чем полиэтилен (до 120-140 °С), имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию, эластичен. Применяется для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков, а также деталей различных ма­шин и приборов.

Полистирол устойчив к действию слабых растворов кислот и щелочей, растворим в спиртах, ароматических угле­водородах и кетонах. Полистирол обладает высокой механической прочностью и диэлектрическими свойствами, используется как высо­кокачественный электроизоляционный, а также конструкционный и де­коративно-отделочный материал в приборостроении, электротехнике. Применяется для изготовления различных деталей и в качестве орга­нического стекла.

Полиметилметакрилат (плексиглас, органическое стекло) механически прочен, прозрачный, бесцветный, термопластичный материал, легкий, устойчив к действию кислот, щелочей, бензина, масел, хорошо обрабатывается, не задерживает ультрафиолетового излучения, имеет хорошие диэлектрические характеристики. Растворяется в дихлорэтане, ароматических углеводородах, сложных эфирах. Применяют в электро- и радиотехнике, в приборостроении в качестве конструкционного материала. Плексиглас (органическое стекло) используется для остекления автомобилей, самолетов, для изготовления стекол и светофильтров.

Поливинилхлорид [− СН2−СНСl−]n устойчив к действию растворов кислот, щелочей и солей, трудногорюч, механически прочен. Применяется как изоляционный материал, а также как химически стойкий конструкционный материал.

Политетрафторэтилен (фторопласт) [−CF2−CF2−]n обладает исключительной химической стойкостью к кислотам, щелочам и окислителям. Прекрасный диэлектрик. Имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от -270 до +260 °С). Не растворяется в орга­нических растворителях, не смачивается водой. Фторопласт используется как химически стойкий конструкционный и изоляционный материал. Кроме того, его используют для нанесения антифрикционных, гидрофобных и защитных покрытий.

Полиамид, содержащий в основной цепи амидную группу −NH − СО−, например, поли-e-капромид (капрон), [–NH−(СН2)5−СО–]n характеризуется высокой прочностью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами. Устойчив в маслах, бензине, разбавленных кислотах и концентрированных щелочах. Применяется для получения волокон, изоляционных пленок, конструкционных, антифрикционных и электрои­золяционных изделий.

Полиформальдегид [− СН2 − O −]n – белый твердый материал, химически весьма устойчивый. Применяется для изготовления деталей различных механизмов и машин.

Синтетические каучуки (эластомеры) при вулканизации превращаются в резину, для которой характерна высокая эластичность. Промышленность выпускает большое число различных синтетических каучуков (СК), свойства которых зависят от типа мономеров. Резины используют для производства шин, защитных оболочек кабелей и про­водов и т.д.

Из СК получают эбонит, широко используемый в электротехнике. Резины, получаемые из СК специального назначения, кроме эластичности характеризуются, например, бензо- и маслостойкостью (бутадиен-нитрильный СК), бензо-, масло- и теплостойкостью, негорючестью (хлоропреновый СК), износостойкостью (полиуретановый СК и др.).

Феноло-амино-формальдегидные смолы получают поликонденсацией формальдегида с фенолами и аминами. Их используют как основу клеев, лаков, ионитов и пластмасс. Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол называются фенопласты, на основе карбамидоформальдегидных смол – аминопласты. Фенопласты устойчивы к действию воды, растворов кислот, солей и оснований, органических растворителей, трудногорючи, атмосферостойки, хорошие диэлектрики. Используются в производстве печатных плат, корпусов электротехнических и радиотехнических изделий. Аминопласты имеют высокие диэлектрические и физико-химические свойства, устойчивы к действию света и УФ-лучей, трудногорючи, стойки к действию слабых кислот и оснований и многих растворителей, хорошо окрашиваются в разные цвета. Применяются для изготовления электротехнических изделий, корпусов приборов и аппаратуры, выключателей тепло- и звукоизоляционных материалов и др. В деревообрабатывающей и мебельной промышленности их используют в качестве связующих в композициях лаков, красок, эмалей, клеев, пропитывающих составов.

Кремнийорганические полимеры (силиконы) содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул, например:

R R

− O − Si − или − Si − R −

Полимеры, в состав которых не входят атомы углерода, получили название неорганических. Среди неорганических полимеров много природных типа полисиликатов. В настоящее время широко ведутся исследования с целью получения синтетических неорганических полимеров. К неорганическим полимерам относятся: аморфный диоксид кремния [SiО2]n, поликремниевая кислота [nSiО2 × m × Н2О], природные и синтетические силикаты, полифосфорные кислоты, полифосфаты. Важным свойством некоторых неорганических полимеров является полупроводимость.

Характерной особенностью кремнийорганических полимеров явля­ется высокая тепло- и морозостойкость, эластичность. Кремнийорганические полимеры используются для получения лаков, клеев, пластмассы и резины. Резины, получаемые на основе кремнийорганических каучуков [-Si(R2)-O-]n, могут эксплуатироваться при температуре от – 90 до +300 °С, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами. Применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например, для защитных покрытий космических аппаратов, холодильных аппаратов и т.д.

Экспериментальная часть

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Все, что окружает человека в быту, на работе или транспорте – изготовлено из материалов, которые обладают различными свойствами и характеристиками. Искусственное сырье создается человеком с помощью прогрессивных технологий, которые периодически обновляются. К такому ресурсу относят полимерные материалы, в состав которых входят как натуральные, так и искусственные элементы.

С каждым годом доля искусственных материалов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства, увеличивается благодаря разнообразию физических свойств и структуры такого сырья, как полимерные материалы. Благодаря большому количеству мономерных звеньев в структуре молекулы полимера, такой материал обладает прочностью наряду с эластичностью и практичностью. Молекулярная масса полимерного сырья имеет высокую массу, которая может измеряться как несколькими тысячами единиц, так и несколькими миллионами.

Полимерные материалы, в большей степени состоят из органики, при этом часто попадается и неорганический полимер. Изготавливают сырье синтетическими методами, с помощью соединения природных элементов по технологии полимеризации, конденсации или другого химического процесса. Составляющими элементами такого ресурса, как полимерные материалы являются:

  • нуклеиновые кислоты;
  • каучук;
  • белки;
  • полисахариды;
  • другие подобные элементы.

Прочность материалов достигается за счет повторения высокомолекулярных типов групп атомов, такое сырье называют сотополимером или гетерополимером. Характерным признаком ресурса является периодическое повторение структурного фрагмента, так называемого – мономерного звена. Примером такого повторения может быть поливинилхлорид или каучук.

При наличии слабой связи между макромолекулами полимерные материалы называют термопластами, наличие химической связи между звеньями позволяет отнести сырье к реактопластам. К линейному характеру соединений относят целлюлозу, а к разветвленному – амилопектин. Существуют также разновидности более сложных трехмерных пространственных связей.

Классификации полимерных материалов

Зависимо от происхождения полимеры разделяют на синтетические и природные. Несмотря на востребованность природных составляющих, материалы искусственного происхождения, которые производят на низкомолекулярной основе, благодаря синтезу, пользуются большим спросом.

Различия по химическому составу позволяет делить полимерные материалы на:

  • неорганические, у которых нет однотипных соединений, при этом есть органические радикалы, в качестве дополнительных составляющих;
  • элементоорганические полимеры, отличаются способностью удерживать в органическом радикальном соединении, атомы неорганики, хорошо сочетающихся с органикой;
  • органические, которые используют, как основу для пластмассовых изделий.

Характерным отличием структуры, влияющим на свойства материала оказывает макромолекула. Ее вид позволяет разделить полимеры на:

  • плоские;
  • ленточного типа;
  • разветвленной структуры;
  • линейного характера;
  • сетчатого типа;
  • гребнеобразные полимеры;
  • прочие виды.

По свойствам соединений звеньев, полимерные материалы делят по полярности, влияющую на растворимость материалов в разных средах. Ее определяют по разобщению положительных и отрицательных зарядов. Характера этих связей позволяет разделить полимеры на:

Иначе говоря, можно отнести перечисленные категории к полярным, неполярным или смешанным. Кроме этого, полимеры имеют разные свойства при изменении температуры. Они бывают:

  • термопластичные, имеющие свойство размягчения, при увеличении градуса, а при понижении – твердеют;
  • термореактивные, подвержены разрушению структурных связей между звеньями.

Явным примером, подчеркивающим различие структуры, будет письмо, отправленное по почте, предварительно заклеенное в конверт. В процессе транспортировки, тщательно склеенные поверхности остаются невредимыми. Но стоит нагреть обработанное место на огне или с помощью раскаленного металлического предмета, как клей утратит свои свойства и конверт откроется.

Полимерные материалы делят на два типа: синтетический (искусственный) и огнеупорный. Синтетика встречается в различных сферах жизнедеятельности человека: в строительстве, промышленности, быту и даже – в одежде. Производство искусственного сырья началось в первые годы ХХ века. Первым запатентованным материалом была бакелитовая смола, которая при нагревании меняла форму.

Современные синтетические материалы подвержены влиянию огня и высоких температур, а некоторые из них могут воспламеняться. Чтобы избежать подобное используют добавки, а также синтезируют сырье с помощью хлора или брома. Галогенированный полимерный материал, который получается после обработки, при сжигании образует газ, способствующий повышению коррозии других материалов. Разнообразие структур полимеров по химическому составу позволяет разделить материалы на несколько видов, которые находят все большее применение в народном хозяйстве.

  1. Полиэтилен Известен по широко применяемой упаковке различного назначения. Свойства и низкая себестоимость сделала такие материалы популярными в разных отраслях. Различают полиэтилен низкого давления, который обладает прочной структурой молекул и высокого давления, с противоположными свойствами. Эти материалы имеют одинаковы по химическому составу, но различаются по структуре решетки.
  2. Полипропилен Прозрачный полимер изготовленный методикой экструзии с охлаждением методом полива или другим способом с раздувом. Не контактирует с маслами и жирами, не деформируется при температурных изменениях, пропускает водяные пары. Эти свойства материала применяются в пищевой и строительной отрасли.
  3. Поливинилхлорид Такие материалы с полимерной основой встречается реже других из-за способности быть хрупким и не эластичным. Был популярен в 60-е годы прошлого столетия, при сжигании образует диоксин. Современные материалы вытесняют эти полимеры за счет более высокой экологичности и улучшения структуры сырья.
  4. Полиолефин Благодаря разнообразному строению макромолекул, эти полимеры включает в себя составляющие элементы пропилена и полиэтилена. Более половины производимой полимерной продукции относят к полиофелинам. Стойкость к разрыву, нагреву и усадке, позволит в ближайшем будущем увеличить объемы изготовления этого сырья. Тем более, что экологичность, которой обладают такие материалы выше других полимеров, а при производстве и утилизации – не выделяет вредных веществ.

Свойства

Внутреннее строение трехмерных форм полимера, соединенных вследствие полимеризации, а в некоторых случаях поликонденсации, четко выявлена и часто просматривается на изломе и разрыве материала. Основная часть полимеров – это органические соединения, при этом встречаются нередко – неорганические варианты.

Свойства полимерных материалов определяются в большей степени строением макромолекул, из которых они состоят. Для изменения характеристик материала используют различные добавки:

  • смазки, которые позволяют избежать прилипания полимерной структуры к металлическим поверхностям оборудования, на котором производится переработка;
  • красители, применяемые в декоративных целях;
  • инсектициды и антисептики, способствующие устойчивости к плесени и воздействию насекомых;
  • антиперенами, позволяющими снизить горючесть полимеров;
  • пластификаторами, с помощью которых снижается температура переработки, повышается морозоустойчивость и улучшается эластичность;
  • наполнители в различном фазовом состоянии позволяют изменить специфические свойства материалов;
  • стабилизаторы, способствующие улучшению прочности полимерных материалов и увеличению срока службы.

Для большинства полимеров характерны различные механические свойства, которые зависят от структуры и внешних факторов воздействия:

  • нагрузки, давления, температуры. Из достоинств полимерных материалов можно выделить такие как: простота механической обработки;
  • водо- и газонепроницаемость;
  • способность к свариванию и склеиванию; химическая устойчивость; низкая теплопроводность;
  • высокая прочность и эластичность;
  • малая плотность;
  • является диэлектриком.

Как и любой другой материал, полимеры обладают недостатками:

  • горючесть;
  • слабая твердость;
  • ускоренное старение;
  • повышенная ползучесть;
  • способность к тепловому расширению;
  • низкая теплостойкость.

Основной характеристикой полимеров считают их деформируемость. Именно по этому признаку в различных температурных режимах обычно оценивают свойства полимерных материалов.

Применение

Благодаря преимуществам полимерных материалов перед другими видами сырья, их использование с каждым годом становится более популярным. Применение полимеров встречается повсюду: в легкой и тяжелой индустрии, сельскохозяйственной и медицинской отрасли. Каждый день приходится сталкиваться с продукцией из полимерных материалов.

При строительстве зданий стали заменять металлические конструкции – пластиковыми. Это окна, армирующие сетки, а также приспособления и инструмент. Геосинтетические материалы широко используются при возведении дорог.

С помощью сеток из синтетических материалов изготавливают поддерживающую оснастку вьющимся растениям для сельского хозяйства. Устройство декоративных заборов с применением пластика также стало популярным благодаря устойчивости к коррозии, которой обладает полимерная сетка.

Геотекстиль и геомембрана используют при возведении бассейнов и искусственных водоемов. Такие полимеры защищают мембрану от грунта и обладают гидроизоляцией.

Упаковка различных товаров производится с помощью полимерных пленок и других видов упаковок, как в супермаркете, так и на рынке. Изготовление несущих конструкций авто- и мототехники позволяет облегчить вес транспортных средств и избежать пагубного воздействия коррозии.

Применение полимерных материалов в производстве и быту становится все популярнее с каждым годом. Низкая стоимость и желаемые технические параметры сырья постепенно вытесняют привычные изделия текстильной, строительной и даже металлургической промышленности. Удобство обработки и химические свойства полимерных изделий повышают качество и продлевают срок службы привычных предметов, создающих комфортные условия для активной жизнедеятельности человека.

Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Полимерные композиционные материалы

Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000 долларов. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

Стеклопластики

Полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом. Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Углепластики

Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

Боропластики

Композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Органопластики

Композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Полимеры, наполненные порошками

Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок – под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются разнообразные наполнители так термореактивных, так и термопластичных полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал.

Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Текстолиты

Слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Полимерный материал – обзор

3.2.2.1 Принцип криогенного измельчения

Полимерные материалы имеют соответствующие точки хрупкости и точки стеклования при низкой температуре. Когда температура ниже точки хрупкости, полимерные материалы становятся хрупкими. В различных диапазонах температур ударная вязкость полимерных материалов будет разделена на три зоны, а именно зону пластичности, переходную зону и зону хрупкости.

В зоне пластичности, как и при высокой эластичности резины, полимерные материалы могут быть растянуты в высокоэластичном состоянии, и процесс разрушения постоянных нагрузок может длиться более 1 секунды, что отличается от мгновенного действия в то время. ударного разрушения.В полимерных материалах, которые находятся в переходной зоне между высокоэластичным состоянием и стеклообразным состоянием, будет относительно стабильное сужение и холодное вытягивание, поэтому удлинение велико.

В хрупкой зоне полимерные материалы находятся в стеклообразном состоянии, прочность на разрыв, сопротивление сжатию и твердость усиливаются, а пластичность, ударная вязкость и относительное удлинение снижаются. Когда материалы подвергаются воздействию внешней силы, неровные частицы и мелкие трещины накапливают энергию в материалах, заставляя трещины постоянно расширяться.Трещины – это внутренний фактор повреждения, который увеличивает скорость деформации ползучести и релаксации напряжений. В результате растрескивания и растрескивания напряжение становится более концентрированным, что приводит к скольжению или разрыву некоторых молекулярных цепей. По мере увеличения скорости деформации хрупкость материала будет усиливаться, и возникающая в результате трещина будет хрупкой.

В целом, хрупкость полимерных материалов будет увеличиваться при понижении температуры. Когда полимерные материалы измельчаются, будет использоваться такое свойство, то есть измельчение полимерных материалов методом высокоскоростного удара при низкой температуре.

Низкая температура выполняет три функции: (1) потребление местного тепла, выделяемого во время измельчения, предотвращение повышения температуры и поддержание низкой температуры; (2) снижение ударной вязкости и удлинения при разрыве полимерных материалов, что облегчает их измельчение; и (3) резкое снижение теплоты измельчения и повышение производительности измельчения.

Во время измельчения при низкой температуре эффект низкой температуры достигается за счет использования хладагентов. Обычно используемые хладагенты для криогенного измельчения – жидкий азот и метан.Благодаря большой скрытой теплоте и отсутствию скрытой опасности взрыва жидкий азот, как инертный сжиженный газ, имеет широкую область применения.

Выбор подходящего полимерного материала

Автор: Вишу Шах, John Wiley & Sons.

Неисправности, возникающие из-за поспешного выбора материала, не редкость в пластмассовой или любой другой отрасли. В случае применения, требующего высокой ударопрочности, необходимо указать ударопрочный материал. Если материал будет использоваться на открытом воздухе в течение длительного периода, необходимо указать материал, устойчивый к ультрафиолетовому излучению (УФ).Для правильного выбора материала требуется тщательное планирование, глубокое понимание пластиковых материалов и разумные испытания прототипа. Пластмассы – это вязкоупругие материалы. Вязкоупругость определяется как тенденция пластиков реагировать на напряжение, как если бы они были комбинацией упругих твердых тел и вязких жидкостей. Это свойство, которым обладают все пластмассы в той или иной степени, диктует, что, хотя пластмассы обладают твердоподобными характеристиками, такими как эластичность, прочность и стабильность формы, они также обладают жидкоподобными характеристиками, такими как текучесть в зависимости от времени, температуры, скорости и количества жидкости. загрузка.Это также означает, что в отличие от металлов, керамики и других традиционных материалов, пластмассы не имеют линейной зависимости между напряжением и деформацией. Дизайнеры, привыкшие работать с металлами и другими материалами, часто делают ошибку, выбирая и указывая неправильные пластмассовые материалы. Именно эта нелинейная зависимость для пластмасс делает чрезвычайно важным понимание ползучести, релаксации напряжений и усталостных свойств.

Как правило, для большинства проектировщиков процесс выбора материала начинается с изучения таблиц данных о пластических материалах, которые обычно предоставляются поставщиками материалов.Неправильная интерпретация таблиц данных – одна из наиболее частых причин выбора и указания неправильного материала для конкретного приложения. Во-первых, важно понять цель таблицы данных. Таблицы данных полезны только для сравнения значений свойств различных пластиковых материалов, таких как прочность на разрыв нейлона по сравнению с поликарбонатом или ударная вязкость полистирола по сравнению с АБС. Таблицы данных следует использовать для первоначальных проверок различных материалов. Например, если проектировщик ищет прочный и прочный материал, он может начать с выбора материалов, для которых заявленные значения превышают предел прочности на разрыв 7000 фунтов на квадратный дюйм и значения ударной вязкости лучше 1.0 фут-фунт / дюйм и исключая такие материалы, как полистирол общего назначения, полипропилен и полиэтилен. Листы технических данных никогда не предназначены для использования при инженерном проектировании и окончательном или окончательном выборе материалов. Во-первых, отчетные данные обычно получаются из краткосрочных тестов. Краткосрочные тесты, как следует из названия, – это тесты, проводимые без учета времени, и полученные значения являются мгновенными. Примерами таких краткосрочных испытаний являются испытание на растяжение, испытание на удар изодом и температура теплового искажения.Данные, представленные в технических паспортах, также получены на основе одноточечных измерений. Эти испытания не принимают во внимание влияние времени, температуры, окружающей среды, химикатов и т. Д. Одно число, представляющее одну точку на кривой зависимости напряжения от деформации, не может начать передавать поведение пластика в диапазоне условий. Стандартизированные тесты, используемые для измерения свойств, описанных в паспорте, содержат данные, измеренные в лаборатории в идеальных условиях (как указано в стандартах ASTM или ISO) на стандартных испытательных образцах, которые мало похожи на геометрию реальных деталей.Эти испытания также проводятся при температурах, скоростях напряжения и деформации, которые редко соответствуют реальным условиям.

Нельзя переоценить правильное использование многоточечных данных для выбора наиболее подходящих пластиковых материалов для приложений. Этот момент хорошо проиллюстрирован на классическом примере неверной интерпретации опубликованных данных испытаний и истинного значения и полезности значений температуры теплового искажения (HDT). Температурный тест теплового искажения – это краткосрочный тест, проводимый с использованием стандартных испытательных стержней в лабораторных условиях.Значения температуры, полученные в результате этого испытания для конкретного пластического материала, являются просто показателем температуры, при которой испытательный стержень должен деформироваться на 0,010 дюйма под заданной нагрузкой. Приведенные значения дополнительно искажаются такими факторами, как остаточные напряжения в испытательных стержнях, величина нагрузки и толщина образца. Это заявленное значение имеет ограниченное практическое значение и не должно использоваться для выбора материалов для приложений, требующих непрерывного воздействия при повышенных температурах. Данные о температуре непрерывного использования, такие как температурный индекс UL, являются лучшим показателем того, как пластмассы будут работать в течение длительного периода при повышенных температурах.

Если бы разработчик выбрал материал исключительно на основе опубликованных данных о температуре прогиба при нагревании, не понимая истинного значения испытания, ограничений испытаний и способа получения значений, результат мог бы быть катастрофическим.

Выбор материала с использованием многоточечных данных

Как уже говорилось, трудности с выбором материала возникают из-за ограниченной доступности многоточечных данных от поставщиков материалов. Спецификации с данными одноточечных измерений легко доступны.Однако, приложив немного усилий, дизайнеры могут найти многоточечные данные из таких источников, как CAMPUS (2) и IDES (3), а также от всех ведущих поставщиков материалов. Многоточечные данные представлены в виде диаграммы и графиков зависимости модуля сдвига от температуры, изохронных кривых напряжения-деформации и данных ползучести как минимум при трех различных температурах и четырех уровнях напряжения. При проектировании изделия, способного выдержать множественные ударные нагрузки, проектировщик должен учитывать данные, полученные в результате инструментальных испытаний на удар, которые могут предоставить ценную информацию, такую ​​как переход от пластичного к хрупкому состоянию и поведение образца в течение всего события удара.Значения модуля также часто неверно интерпретируются. Значения модуля упругости при изгибе, полученные из одноточечных измерений, часто принимаются как показатель жесткости материала в течение длительного периода. Испытания модуля упругости при изгибе проводятся при очень низкой деформации и, как правило, представляют только линейную часть кривой зависимости напряжения от деформации. Сообщенные значения не соответствуют фактическим условиям использования и имеют тенденцию к завышению прогноза жесткости фактической детали. Пластиковые детали часто выходят из строя из-за того, что при выборе материала не учитываются значения ползучести.Пластмассы могут ползать или деформироваться при очень небольшой нагрузке при очень низкой деформации даже при комнатной температуре. Следует оценивать данные по модулю ползучести или кажущемуся модулю упругости для пластмассовых материалов в течение длительного периода при нескольких температурах.

Процесс выбора материала

Выбор материала не должен основываться исключительно на стоимости. Системный подход к процессу выбора материала необходим, чтобы выбрать лучший материал для любого применения. Правильная методика выбора материала включает в себя тщательное определение требований к применению с точки зрения механических, термических, экологических, электрических и химических свойств.Во многих случаях имеет смысл спроектировать более тонкую стеновую часть, используя преимущество соотношения жесткости к весу, обеспечиваемого более дорогими, быстро меняющимися инженерными материалами. Многие компании, включая поставщиков материалов, разработали программное обеспечение для помощи в выборе материалов, просто выбирая требования к приложениям в порядке их важности. Процесс выбора материала начинается с тщательного определения требований и сужения выбора путем исключения. Разработчик должен определить требования к приложению, включая механические, термические, экологические и химические.Необходимо учитывать все особые потребности, такие как воздействие УФ-излучения на открытом воздухе, светопропускание, утомляемость, ползучесть, снятие напряжения и нормативные требования. Технологии обработки и методы сборки играют ключевую роль при выборе подходящего материала, и им следует уделять внимание. Многие пластмассовые материалы подвержены химическому воздействию, поэтому поведение пластмассовых материалов в химической среде является одним из наиболее важных факторов при выборе материала. Никакое отдельное свойство не определяет способность материала работать в данной химической среде и таких факторах, как внешние или формованные напряжения, продолжительность воздействия, температура, химическая концентрация и т. Д.следует внимательно изучить.

Некоторые из распространенных ошибок в процессе выбора материалов – это полагаться на опубликованные данные о свойствах материалов, неверное толкование таблиц данных и слепое принятие рекомендаций поставщика материалов. Таблицы данных о свойствах материалов следует использовать только для проверки различных типов и сортов материалов, а не для окончательного выбора или инженерного проектирования. Как обсуждалось ранее, представленные данные обычно получают в результате краткосрочных испытаний и одноточечных измерений в лабораторных условиях с использованием стандартных испытательных стержней.Опубликованные значения, как правило, выше и плохо коррелируют с фактическими условиями использования. Такие данные не учитывают влияние времени, температуры, окружающей среды и химикатов.

Ключевые соображения:

Механические свойства
  • Прочность на растяжение и модуль
  • Прочность на изгиб и модуль
  • Ударная вязкость
  • Прочность на сжатие
  • Усталостная выносливость
  • Ползучесть
  • Усталостная выносливость

Оба коротких и дата долгосрочной собственности должна быть оценена; Краткосрочные данные для быстрого сравнения и отбора кандидатов и долгосрочные данные для окончательного выбора материала.Данные о ползучести и релаксации напряжений, которые представляют деформацию под нагрузкой в ​​течение длительного периода, должны быть тщательно изучены в используемом диапазоне температур. Изохронные кривые напряжение-деформация очень полезны для сравнения различных материалов на равной основе. Необходимо учитывать данные о многоточечном ударе, полученные в результате инструментальных испытаний на удар, которые предоставляют более значимую информацию, такую ​​как энергия при заданной деформации или полная энергия при разрыве. Пластиковые детали часто выходят из строя из-за отсутствия учета внезапной потери удара в очень холодной среде.Данные о многоточечном низкотемпературном воздействии, хотя обычно не встречаются в технических паспортах, доступны у всех основных поставщиков материалов.

Термические свойства

Как обсуждалось ранее в этой главе, краткосрочные значения, такие как температура теплового искажения, температура размягчения по Вика должны использоваться только для начального скрининга. Значимые значения, полученные на основе температуры непрерывного использования и коэффициента испытания на тепловое расширение, более полезны для окончательного выбора материала.

Расширение / сжатие

Пластиковые материалы имеют тенденцию расширяться и сжиматься от семи до десяти раз больше, чем обычные материалы, такие как металлы, дерево и керамика. Дизайнеры должны это хорошо понимать, и при сборке разнородных материалов необходимо уделять особое внимание. Различия в тепловом расширении могут создавать внутренние напряжения в результате двухтактного эффекта наряду с внутренними напряжениями и вызывать преждевременный выход деталей из строя. Ограничение тенденции системы трубопроводов к расширению / сжатию может привести к значительным стрессовым реакциям в трубе и фитингах или между трубопроводом и его опорной конструкцией.Допуск умеренного изменения длины установленной системы трубопроводов в результате изменения температуры, как правило, является полезным, независимо от материала трубопровода, поскольку он имеет тенденцию уменьшать и перераспределять возникающие напряжения в случае тенденции к изменению размеров. быть полностью сдержанным. Таким образом, допущение контролируемого расширения / сжатия в одной части системы трубопроводов является приемлемым средством предотвращения повышения дополнительных напряжений до уровней в других частях системы, которые могут поставить под угрозу работу или вызвать повреждение структурной целостности системы трубопроводов. компонент трубопровода или конструкцию, которая поддерживает трубопровод.

Воздействие химических веществ

Одним из наиболее важных факторов при выборе правильного материала является его устойчивость к различным химическим веществам. Как обсуждалось ранее, устойчивость пластмасс к различным химическим веществам зависит от времени контакта с химическими веществами, температуры, формованного или внешнего воздействия и концентрации химического вещества. Конструкция деталей и методы обработки играют важную роль в способности материала противостоять химическому воздействию. Например, коэффициент концентрации напряжений значительно увеличивается для деталей, спроектированных с отношением радиуса к толщине стенки менее 0.4. Как правило, кристаллические полимеры более устойчивы к химическим веществам по сравнению с аморфными полимерами (и поэтому, если приложение требует, чтобы детали постоянно подвергались воздействию химикатов, следует уделять серьезное внимание кристаллическим материалам.

Химическое воздействие на пластмассовые детали может приводят к физической деградации, такой как растрескивание под напряжением, размягчение, набухание, обесцвечивание и химическое воздействие с точки зрения реакции химикатов с полимерами и потери свойств

Экологические аспекты

Пластиковые материалы чувствительны к условиям окружающей среды.Экологические факторы включают воздействие УФ, ИК, рентгеновских лучей, высокую влажность, экстремальные погодные условия, загрязнение промышленными химикатами, микроорганизмами, бактериями, грибками и плесенью. Комбинированное действие различных факторов может быть намного более серьезным, чем любой отдельный фактор, и процесс деградации ускоряется во много раз. Очень важно понимать, что опубликованные результаты испытаний не включают синергетические эффекты различных факторов окружающей среды, которые почти всегда существуют в реальных жизненных ситуациях.Дизайнерам следует рассмотреть возможность воздействия на готовые детали экстремальных условий окружающей среды, очень похожих на те, которые встречаются во время фактического использования продукта.

Нормативно-правовые требования

Выбор материала может определяться нормативными требованиями, выдвинутыми такими агентствами, как Underwriters Laboratories (UL), Национальный фонд санитарии (NSF), Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) с точки зрения воспламеняемости и номинального давления , и токсикологические соображения.

Экономика

Как обсуждалось ранее, при выборе материала не следует руководствоваться только затратами. Наиболее логичный подход предполагает отобрать от 3 до 4 лучших кандидатов на основе требований и выбрать одного из них с учетом экономических соображений.

Прочие соображения

Процесс выбора материала должен также учитывать такие аспекты обработки, как тип процесса изготовления, вторичные операции и сборка компонентов.


Спросите нас о нашем Руководстве по спецификациям, состоящем из трех частей для архитекторов.

Свяжитесь с нами

Frontiers | Умные полимеры для передовых приложений: обзор механической перспективы

Введение

В последние годы появился большой интерес к умным и гибким материалам. Было признано, что способность материалов развивать автономные функции или обеспечивать желаемый отклик на внешние воздействия имеет первостепенное значение для разработки активных устройств, датчиков и исполнительных механизмов, которые будут применяться в передовых областях, особенно тех, которые предназначены для малых масштабов. приложения (Рой и др., 2010; Стюарт и др., 2010; Wei et al., 2017). Общепринятая стратегия получения интеллектуальных устройств состоит в использовании правильного расположения нескольких элементов в заранее заданный образец (метаматериалы), чтобы обеспечить сборку желаемой механической функциональностью (Grima et al., 2013; Jackson et al., 2018 ). Стремление к меньшим и меньшим системам и устройствам для использования в передовых технологических приложениях подтолкнуло исследовательские усилия в этом направлении. Однако подход метаматериалов страдает размерными ограничениями.Действительно, хотя современные технологии 3D-печати позволяют изготавливать устройства микромасштаба, они не распространяются на нано- и молекулярные масштабы. Этот недостаток можно преодолеть, используя материалы на основе реагирующих молекул, а именно полимеры (Флори, 1953), где желаемый отклик и функциональность достигаются за счет коллективного срабатывания встроенных умных молекул. Сегодня в современном материаловедении использование междисциплинарного подхода, включающего химию, физику и инженерию, является неизбежным требованием для успешного проектирования желаемых компонентов, что делает их пригодными для конкретных приложений (Cabane et al., 2012; Shepherd et al., 2013; Манрике-Хуарес и др., 2016). Молекулярные переключатели, например, представляют собой очень многообещающий механизм, обеспечивающий возможность реагирования объемного материала за счет изменения размера и формы. В этом случае отзывчивость является результатом перехода молекулы из одного состояния равновесия в другое (мы говорим о бистабильных молекулах или изомерах), причем каждое состояние характеризуется различными, но разными геометрическими или химическими свойствами. В определенных ситуациях молекулярный переключатель не требует конформационного изменения молекулы, а скорее модификации ее химической структуры, которая может быть обнаружена на объемном уровне.Переход между двумя стабильными конформационными состояниями, вызванный воздействиями окружающей среды (такими как температура, свет, электрические и / или магнитные поля, химические агенты, механическое напряжение, биологические агенты и т. Д.), Позволяет разрабатывать актуаторы и материалы на молекулярном уровне, независимо от того, требований к размерам приложения (Randolph et al., 2012; Kocak et al., 2017; Milić and Diederich, 2019). Такое состояние материалов повсеместно встречается в биологии, например, в иммуноглобулинах (Prigogine and Nicolis, 1971), где развертывание молекулярных сегментов запускается механическими воздействиями (Marszalek et al., 1999).

Еще одним эффективным способом получения интеллектуальных материалов является использование жидкокристаллических эластомеров (ЖКЭ), демонстрирующих способность производить обратимое механическое срабатывание, вызываемое подходящими внешними стимулами, такими как тепло, свет, электрическое и магнитное поле, благодаря самопроизвольному порядок встроен в их микроструктуру (De Gennes and Prost, 1993; Warner and Terentjev, 2007; Jiang et al., 2013; Guin et al., 2018). Это свойство использовалось во многих приложениях, таких как искусственные мышцы и микроэлектромеханические системы (MEMS) для использования в промышленности и в медицине (López-Valdeolivas et al., 2018; Shang et al., 2019). Умные полимеры могут также полагаться на множество других механизмов, которые включают, например, зависимую от стимула структурную перестройку (Mayumi et al., 2012), реорганизуемые динамические сети (Tanaka and Edwards, 1992) и механизмы, вызываемые набуханием, типичные для гелей ( Флори, 1950; Агарвал и др., 2019), и это лишь некоторые из них. Также стоит упомянуть о чувствительности, проявляемой нанокомпозитными материалами, полученными с использованием определенных наночастиц, способных вызывать желаемый отклик на материал, в который они встроены; Наночастицы Януса (поверхность которых имеет два различных физических свойства, а именно гидрофобную часть и гидрофильную) принадлежат к этому классу настраиваемых межфазных наноструктур, отклик которых обеспечивается их асимметричным характером (Liu et al., 2014; Чжу и др., 2018; Дай и др., 2019). Благодаря своим двойным свойствам вышеупомянутые нанокомпозиты успешно используются в биологических науках, биоимиджинге, электронике и т. Д. (Su et al., 2019).

Настоящая работа направлена ​​на предоставление всестороннего обзора различных типов активных полимеров, подчеркивая их потенциал применения, описывая молекулярные механизмы, обеспечивающие их функциональные возможности, а также обсуждая современные модели, используемые для описания их механического поведения.Мы надеемся, что эта инициатива будет полезна всем, кто хочет изучать и проводить исследования в области проектирования интеллектуальных систем и устройств, а также использовать математическую модель для настройки их свойств с точки зрения микроструктуры. Обзор организован следующим образом. В разделе «Адаптивные полимеры: от молекулярной архитектуры к возникающей реакции» сначала дается физическое описание полимеров в различных масштабах длины, от молекулярного до континуального уровня. В разделе «Полимеры с конформационной нестабильностью» обсуждается конкретный класс полимеров со встроенными реагирующими молекулами, т.е.е., те, чья реакция возникает из-за встроенных молекул, изменяющих конформацию. В разделе «Полимеры с изменяющейся топологией» мы дополнительно предоставляем обзор различных классов полимеров с реорганизуемой микроструктурой. К ним относятся витримеры, гели с скользящими кольцами и жидкокристаллические эластомеры. Раздел «Реакция гелей, вызванная набуханием», наконец, фокусируется на гидрогелях, в которых полимерная сеть способна поглощать большие количества растворителя, что вызывает значительное изменение объема (Masao, 2009).Этот механизм представляет собой важный способ получить разумный ответ, например, в случае зависящего от температуры набухания гидрогеля. Раздел «Заключение» завершает обзор заключительными замечаниями и перспективами будущих исследований в этой передовой области материаловедения.

Отзывчивые полимеры: от молекулярной архитектуры к возникающей реакции

Чувствительные полимеры относятся к классу интеллектуальных материалов, способных вызывать обнаруживаемые реакции при воздействии внешних раздражителей.При правильном понимании и количественной оценке такой ответ на молекулярном уровне можно удобно использовать различными способами для получения чувствительности на мезо- и макроуровне. Реакция активных полимеров обычно состоит из наноразмерных изменений (перестройка / разрыв молекулярных связей, молекулярное движение, изменение морфологии и т. Д.), Которые могут вызывать наблюдаемые изменения в более крупных масштабах, такие как изменения цвета и / или формы или изменения физических свойств, которые могут быть использованы для достижения желаемых функциональных возможностей.Поскольку отзывчивость обусловлена ​​их молекулярной архитектурой, расположением полимерных цепей и природой встроенных активных молекул, полимеры, реагирующие на стимулы, могут быть адаптированы для получения специфичных для стимулов химических, физических (электрических, оптических) и механических реакций и могут быть спроектированы. в различные формы (тонкие пленки, микро / наночастицы, композиты и многие другие).

Молекулярный механизм в активном полимере

В целом чувствительные полимеры можно разделить на две категории (Stuart et al., 2010; Gruhn and Emmerich, 2013): (1) ковалентно сшитая полимерная сеть, которая набухает или сжимается под воздействием раздражителя; и (2) динамические полимерные сети с переменной топологией, в которых поперечные связи или химические связи могут быть разорваны и образованы внешними стимулами. В первой категории объем этих полимерных сеток может быть резко изменен путем изменения pH или химического состава растворителя. Такое поведение можно понять из модели многофазной смеси, разложив систему на две или более фаз.Например, чувствительный к pH гидрогель может быть разложен на фазу несжимаемой полимерной сетки и фазу несжимаемой жидкости. Их молекулярные структуры можно понять, сведя к минимуму свободную энергию всей системы (Nap et al., 2006), включая взаимодействие и энтропию полимерных цепей, энтропию растворителя и ионов в гидрогеле, кулоновские взаимодействия и энергию смешения полимерные цепи, растворитель и ионы.

Во второй категории наиболее важным аспектом является способность сети преобразовывать разорванные связи и перестраивать свои молекулярные структуры в совершенно иную топологию и форму (Cho et al., 2009). Во время этого процесса ассоциация и диссоциация динамических связей, а также диффузия полимерных цепей играют наиболее важные роли. Понимая кинетику реакции динамических связей и движения полимерных цепей, можно построить молекулярные теории, связывающие молекулярную структуру с механическим поведением сети (Стукалин и др., 2013). Однако из-за ограничений современных экспериментальных методов все еще невозможно отслеживать молекулярную структуру этих динамических полимеров по мере их деформации.Таким образом, моделирование молекулярной динамики (МД) предоставило полезный альтернативный подход к пониманию эволюции их внутренней структуры и связанных с ними молекулярных механизмов.

В моделировании МД положения и скорости атомов и молекул могут быть непосредственно получены с помощью уравнений движения, которые зависят от внешних и межатомных сил. Таким образом, этот инструмент моделирования позволяет нам напрямую исследовать динамические свойства и молекулярные структуры полимеров, реагирующих на раздражители.Подобные методы моделирования включают моделирование броуновской динамики, моделирование динамики диссипативных частиц (DPD), моделирование методом Монте-Карло и крупномасштабное моделирование MD. С помощью МД-моделирования можно получить очень подробную информацию о полимерах, реагирующих на раздражители (Chen et al., 2019), например о поведении полимерных сеток при набухании, разрыве и образовании динамических связей, изменениях конфигураций и сеток полимеров, а также об упругих и эластичных связях. неупругая реакция полимерных сетей на приложенные деформации.Все эти результаты моделирования не только помогают интерпретировать экспериментальные наблюдения, но также поддерживают молекулярные и макроскопические модели. В следующих разделах мы обсудим текущий прогресс в моделировании МД полимеров, реагирующих на раздражители. Мы должны подчеркнуть, что из-за ограниченности объема и объема этой работы мы не разделяем различные методы моделирования MD, такие как моделирование полностью атомного MD и DPD.

Механизмы наведения мостов и возникающая реакция: механика сплошной среды

Механический отклик полимера возникает из-за упругой энергии, накопленной в сетевых цепях из-за деформации.Эта энергия возникает из энтропии конформаций цепи, измеренной сквозным вектором r между головой и хвостом цепи (согласно статистике Гаусса или Ланжевена). Таким образом, ключевая идея состоит в том, чтобы представить физическое состояние полимерной сети через статистическое распределение ϕ ( r , t ) цепи в соответствии с их сквозным вектором (Рисунок 1). Действительно, если это распределение известно в любое время, энергия деформации, запасенная в сети, может быть оценена с помощью интеграла Ψ = ∫rϕ (r, t) ψ (r) dr, где ψ – это энергия, приходящаяся на одну цепочку.Это уравнение утверждает, что полная механическая энергия, хранящаяся в сети, является суммой энергий, хранящихся в каждой цепи.

Рис. 1. (A) Сшитая полимерная сеть и иллюстрация сквозного вектора r одной цепи. Предполагается, что цепь состоит из N сегментов Куна длиной b . (B) Статистически совокупность цепочки может быть описана распределением ϕ ( r , t ), для которого мы показываем схематический пример в одном измерении.

Знание распределения цепи обеспечивает связь между структурой сети и макроскопическими величинами, такими как напряжение, запасенная упругая энергия и средняя конформация цепи (Vernerey et al., 2017). Действительно возможно, применяя второй принцип термодинамики, чтобы определить тензор напряжений и среднюю конфигурацию цепей посредством определения конкретных моментов распределения как

σ = 1c∫rϕ∂ψ∂ r⊗rdr и μ = 1c∫rϕ r⊗rdr, (1)

, где c – концентрация цепи, ∂ψ / ∂ r интерпретируется как сила в каждой цепи, а ⊗ – двоичное произведение.Отметим здесь, что тензор μ обеспечивает описание как среднего сквозного вектора (связанного со следом μ ), так и среднего направления растяжения (основные направления μ ). Кроме того, это распределение изменяется во времени из-за растяжения цепи, неупругой динамики (например, динамической ассоциации и диссоциации связей) или изменений в молекулярных конформациях. В результате эти отношения могут связывать молекулярные механизмы и чувствительность полимера к стимулам с его макроскопическим ответом, включая эластичность, релаксацию напряжения или самовосстановление.Эволюция тензора μ под вышеупомянутыми эффектами позволяет определять деформацию и напряженное состояние в полимере. Вышеупомянутая модель микромеханики подходит для масштабирования до уровня континуума посредством гомогенизации точечного механического состояния, обеспечиваемого фактической конфигурацией цепей полимерной сетки. В следующих разделах мы обсудим форму распределения ϕ ( r , t ), основанную на чувствительных к стимулам молекулярных механизмах, деформации цепи и динамике.Это будет сделано в контексте различных полимерных систем, перечисленных в таблице 1, чтобы стала очевидной связь между молекулярными механизмами и макроскопическим откликом. Таблица 1 суммирует основной класс реагирующих полимеров, которые будут рассмотрены ниже.

Таблица 1 . Схема основных существующих реагирующих полимеров и механизмов их действия.

Полимеры с конформационной нестабильностью

Механически индуцированные конформационные изменения в молекулах относятся к так называемой механохимии, основным принципом которой является приложение механической силы для запуска химических реакций (Brantley et al., 2013). Эта технология сегодня используется для активации молекул в материалах; однако механохимия полимеров еще не получила широкого распространения в промышленности, несмотря на то, что лабораторные испытания продемонстрировали ее возможности, недостижимые с помощью традиционных методов активации. Этот подход позволяет использовать интеллектуальные материалы для доставки лекарств, датчиков, исполнительных механизмов, экологически чистых приложений и т.д. , считаются.В первую очередь рассматриваются так называемые механофоры, т.е. механически чувствительные химические группы, встроенные в химическую структуру полимера; они обычно обладают фотохромными свойствами, поскольку при механическом воздействии изменяется химическая структура молекулы, и поэтому излучается свет другого цвета (Brown and Craig, 2015). Однако существуют другие виды групп, чья механическая чувствительность проявляется в геометрических конформационных изменениях (Milić and Diederich, 2019).

Конформационно изменяющиеся молекулы

Преобразование химической энергии в механическую – хорошо известное явление повседневной жизни; однако обратное превращение, называемое механохимией, позволяет осуществлять химические превращения за счет механических сил.В этом контексте так называемые механофоры, связи или химические функции которых подвержены химическим изменениям, вызванным механическим напряжением, обладают соответствующими возможностями. Чувствительные к механическому напряжению молекулы, помещенные в полимерную сеть, позволяют получить интересную чувствительность самого полимера; полимерные материалы, срабатывание которых может быть вызвано механическим напряжением, обычно получают путем связывания с полимерной сетью определенных молекул (механофоров), химическая структура или конформация которых (изомеры) может быть изменена при приложении механической силы (Рисунок 2) (Caruso et al. al., 2009). Среди различных существующих соединений полимеры на основе спиропиранов представляют особый интерес, поскольку они обладают способностью к фотохромизму, т. Е. Изменением длины волны испускаемого света (среди механофоров следует упомянуть также диарилбибензофуранон [DABBF], тетраарилсукцинонитрил [TASN], диарилбенибензотиолбенибензотиолбенибензотил). DABBT]) – позволяет связать цвет излучаемого света с механической энергией, передаваемой материалу (Klajn, 2014; Li et al., 2017). Благодаря количественному измерению количества механофорной активации, стресс или деформация могут быть получены самочувствительные полимеры (Früh et al., 2017). Среди широкого спектра применений, разрешенных механохимией, механофоры также используются для стимулирования способности полимеров к самовосстановлению (Diesendruck and Moore, 2013).

Рис. 2. (A, B) Схема механофорной единицы, активируемой при достижении механической силы порога активации. (C) Диаграммы силового и энергетического удлинения цепи при активации молекулы.

Аспекты моделирования

Полимеры, содержащие механофоры, недавно были изучены с точки зрения механики, чтобы дать количественное описание их реакции на внешние раздражители (Silberstein et al., 2013, 2014; Wang et al., 2015; Takaffoli et al., 2016). В общем, при работе с системой, характеризующейся двумя разными стабильными конфигурационными состояниями, а именно s 1 и s 2 , динамическое равновесие количественно определяет, насколько равновесие системы ближе к состоянию s 1 или в состояние s 2 обеспечивается дифференциальным уравнением вида (Brighenti et al., 2018, 2019)

dϱs2dt = kA ϱs1-kD ϱs2, (2)

где ϱ s 1 и ϱ s 2 – объемные доли материала, находящегося в состояниях s 1 и s 2 , соответственно 9014 (ϱ s 1 + ϱ s 2 = 1), в то время как k A , k D – скорости активации и деактивации, значения которых связаны с энергетический барьер, разделяющий два вышеупомянутых состояния.Как правило, эти скорости связаны с прямым (Δ G A 0 ) и обратным (Δ G D D D D D D ) энергетическими барьерами через стандартный закон Аррениуса, kA = CA · exp (- ΔGA0kBT), kD = CD · exp (-ΔGD0kBT), с частотными факторами C A , C D (Hänggi et al., 1990). Этот подход становится полезным для описания полимеров, функциональность которых обеспечивается активными молекулами или соединениями, характеризующимися двумя или более состояниями, встроенными и связанными с полимерной сеткой.В других случаях функциональность обеспечивается перестройкой их основной сети или заранее определенной организацией цепей полимера, чьи характеристики ориентации материал может иметь память.

Фигура 2A схематически иллюстрирует возникновение переключения молекулы из одной конформации в другую под действием механической силы, в то время как фигура 2B представляет механический ландшафт, возникающий, когда полимерная цепь содержит реагирующую молекулу, конформация которой изменяется при достаточном значении силы, приводя к к расширению молекулы; сила цепи резко изменяется (на величину δ f c ) при изменении конформации молекулы на величину δ s c (красная пунктирная линия), а сплошная черная линия соответствует стандартной реакции полимерной цепи [модель свободно сочлененной цепи (FJC)].С энергетической точки зрения активация молекулы влечет за собой деформацию зависимости энергии от системы, которая больше не является выпуклой, что указывает на возникновение явления локальной нестабильности. Механический эффект, оказываемый активацией молекул, легко учесть выражением энергии деформации единицы объема полимера; разность энергий между исходным безнапряженным состоянием и текущим выражается как

ΔΨ = ∫r (ϕ (r, t) -ϕ0) [(1-ϱs2) ψ (r) + ϱs2 ψc] dr, (3)

, где ψ c = δ f c · δ s c – энергия, связанная с активацией молекулы (обычно пренебрежимо мала по отношению к энергии деформации сети).Таким образом, напряженное состояние определяется выражением

σ = J-1PFT = ∂ΔΨ∂FFT≅1c∫r (1-ϱs2) ϕ∂ψ (r) ∂r⊗ rdr, (4)

, где предполагалось, что полимер удовлетворяет условию несжимаемости, математически выраженному как J = det F = 1, а F = ∂ x / X равно тензор градиента деформации, где X , x являются вектором положения в опорной и текущей конфигурации, соответственно.Отметим, что уравнение (4) макроскопически эквивалентно напряжению, появляющемуся в уравнении (1).

Полимеры с изменяющейся топологией

Полимеры с возможностью перестройки сети обладают уникальными свойствами реорганизовывать структуру своих цепей во времени, что приводит к непрерывной релаксации их микроструктуры, которая самопроизвольно стремится вернуться к эталонному состоянию без напряжений (Tanaka and Edwards, 1992). Класс гелей со способностью к структурной перестройке (гели скользящего кольца), обусловленный их свойствами подвижных поперечных связей (Kato et al., 2013) также относятся к такой группе отзывчивых полимеров.

pH-чувствительные полимеры

pH-чувствительные полимеры могут изменять свою конфигурацию и свойства при изменении pH в растворе, как показано на рисунке 3A. Обычно эти материалы содержат ионизируемые функциональные группы, которые могут отдавать или принимать протоны из-за изменения pH окружающей среды, представленного на рисунке 3B. Типичными ионизируемыми группами являются слабые кислоты и слабые основания, такие как карбоновые кислоты, фосфорная кислота и амины, которые можно охарактеризовать константой кислотной диссоциации ( pK a ) или константой диссоциации оснований ( pK б ).

Рисунок 3. (A) Схема pH-чувствительного полимера с изменением конформации из расширенного состояния в сложенное при изменении pH в зависимости от ионизации групп ионной цепи. (B) Химические структуры pH-чувствительных полимеров с ионизируемыми функциональными группами: поли (акриловая кислота) (PAA) и поли (N, N-диметиламиноэтилметакрилат) (PDMAEMA).

Например, поли (акриловая кислота) (ПАК) имеет константу диссоциации pK a = 4.25 и выше значения pH 4,25, его карбоксильная группа ионизируется за счет обозначения протонов. Это приводит к электростатическому отталкиванию между полимерными цепями, которые затем могут связываться с молекулами воды для набухания. Физические свойства pH-чувствительных полимеров, такие как конформация цепи, конфигурация, растворимость и объем, могут быть адаптированы путем манипулирования зарядами вдоль основной цепи полимерных цепей или концентрацией электролита, что приводит к силам электростатического отталкивания для увеличения гидродинамических объемов полимера. цепи.На переход между плотно свернутыми и расширенными конформациями могут влиять любые условия, которые изменяют электростатическое отталкивание, такие как значение pH, ионная сила, концентрация соли и тип противоионов. Переход из свернутого состояния в расширенное состояние этих полиэлектролитных цепей объясняется изменением осмотического давления, оказываемым мобильными противоионами, нейтрализующими сетевые заряды (Tagliazucchi et al., 2010). Cranford et al.(2010) изучали регулируемые адгезионные свойства полиэлектролитного комплекса, состоящего из PAA и поли (аллиламингидрохлорида) (PAH), при различных скоростях деформации и значениях pH. Процент ионизации каждого составляющего полимера систематически варьировался в соответствии с диапазоном pH 2,5–10 и pK и значениями карбоксилатных и аммониевых групп в ПАК и ПАУ, соответственно. Было обнаружено, что сила адгезии варьируется от 8 до 45 нН из-за различных электростатических взаимодействий, демонстрируя потенциальное применение настраиваемого и механомонтируемого полиэлектролитного комплекса ПАК / ПАУ.Помимо прочности адгезии, эти pH-чувствительные полимеры могут меняться от свернутой конформации до растянутой из-за изменения pH растворителя (Katiyar and Jha, 2017). Такое поведение можно использовать для управления транспортным поведением наноразмерных жидкостных каналов и твердотельных нанопор, как показали моделирование DPD и теоретические исследования (Tagliazucchi and Igal, 2015; Wang et al., 2018).

Эти чувствительные к pH полимеры широко используются в различных областях, таких как системы доставки лекарств, биосенсоры, противообрастающие покрытия, супергидрофильные поверхности, биомиметические мембраны и многие другие.Чтобы понять изменение их конформации при различных значениях pH, широко применяется метод мезомасштабного моделирования DPD. Например, процесс самосборки амфифильных сополимеров (PAE-g-PEG) в везикулы и их загрузка / высвобождение лекарственного средства молекул доксорубицина при различных средах pH были тщательно изучены с помощью моделирования MD и DPD (Luo and Jianwen, 2012; Луо и др., 2016). Обратите внимание, что в этих моделированиях MD и DPD полимеры имеют фиксированные заряды в соответствии с условием pH, что игнорирует колебания заряда в действительности.Тем не менее, эти результаты молекулярного моделирования обеспечивают количественное понимание поведения контролируемого высвобождения лекарственного средства из pH-чувствительных полимеров в молекулярном масштабе.

Динамическая реорганизация сети (витримеры, ионные полимеры и другие)

Термин «динамическая полимерная сеть» относится к классу сети, цепи которой не связаны ковалентно с поперечными связями. Вместо этого эти связи могут диссоциировать и повторно связываться во времени под воздействием внешних стимулов или тепловых колебаний.Некоторыми примерами этих связей являются ковалентно адаптируемые связи (Bowman and Kloxin, 2012) или физические связи, такие как водородные связи и ионные взаимодействия (Luo et al., 2014). Эти материалы представляют особый интерес для нескольких применений, таких как возобновляемые материалы, самовосстановление или материалы с высоким рассеянием энергии. Динамический характер их микроструктуры проистекает из слабой природы связей, таких как ионные, существующих в некоторых полимерах (броуновское движение, вызванное тепловыми флуктуациями, позволяет происходить обмену связями) или может также иметь место в ковалентно связанных полимерах ( Leibler et al., 1991; Войтецкий и др., 2011; Jin et al., 2013; Клоксин и Боуман, 2013; Менг, Терентьев, 2018). В частности, так называемые витримеры – класс полимеров, полученных из термореактивных полимеров, состоящих из молекулярных ковалентных сетей, – способны изменять свою топологию за счет термически активируемых реакций обмена связями (Capelot et al., 2012; Tellers et al., 2019 ). При достаточно высоких температурах они текут как вязкоупругие жидкости, в то время как при низких температурах скорость реакций обмена связями замедляется, что приводит к классической термореактивной реакции.Витримеры – это прочные стеклообразователи; их поведение открывает новые возможности в применении термореактивных материалов, такие как самовосстановление или простая технологичность в широком диапазоне температур.

МД Моделирование сети ковалентных адаптируемых полимеров

Ковалентно адаптируемые полимерные сети могут изменять свои сетевые связи посредством реакций обмена связями. Реакция обмена связью обычно запускается активной единицей, прикрепленной к существующей связи, путем отталкивания своего ранее существовавшего однорангового узла для образования новой связи.Во время механической деформации события обмена связями могут привести к релаксации напряжений и пластической деформации полимерной сетки. Кроме того, сломанная полимерная сеть может восстанавливаться за счет реакций обмена связями на границе раздела трещин. Чтобы понять молекулярные структуры этих ковалентных адаптируемых полимерных сетей и их связь с макроскопическим механическим поведением, Yang et al. (2015) разработали крупнозернистую модель МД для изучения реакций обмена связями эпоксидных полимеров.Численный алгоритм был предложен для реакций обмена связями и использован для изучения сшитой сетки, образованной диглицидиловым эфиром эпоксидной смолы, бисфенолом А (DGEBA) и отвердителем на основе трикарбаллиловой кислоты. После каждой итерации реакций обмена связями свойства полимерной сетки, такие как расстояние между двумя соседними сайтами сшивки, анализировались, чтобы понять эволюцию молекулярных структур и механического поведения. Результаты МД-моделирования показывают, что реакции обмена связями не только изменяют макроскопическую форму полимерной сетки, но также возвращают характерные особенности микроскопической сетки в нерастянутое изотропное состояние.Такая схема моделирования может также использоваться для изучения поведения межфазного самовосстановления динамических полимерных сетей (Стукалин и др., 2013). Например, недавно были разработаны крупнозернистые модели MD для изучения изменения полимерных сеток под влиянием обратимых связей (Amin et al., 2016; Wu et al., 2019). Обратимые связи могут образовываться за счет динамических ковалентных связей, водородных связей, координации металл-лиганд и ионных взаимодействий. В этих крупнозернистых моделях ассоциация и диссоциация обратимых связей обычно контролируются ступенькой Монте-Карло с различными энергетическими барьерами.Эти крупнозернистые МД-модели могут быть использованы для дальнейшего понимания динамики полимерной цепи, изменения сети, а также механического отклика динамической / переходной полимерной сети в молекулярном масштабе.

Модель континуума переходной полимерной сети

Функция распределения ϕ ( r , t ) цепочек переходных полимеров обычно изменяется со временем из-за событий присоединения / отрыва. Обычно считается, что связанная цепь может диссоциировать в любой конфигурации, но свободная цепь может повторно связываться только в свободной от напряжений конфигурации (Vernerey et al., 2017). Следовательно, накопленная упругая энергия рассеивается через цикл диссоциации-ассоциации. Чтобы количественно оценить эти динамические события, давайте определим скорость ассоциации связей как k a и скорость диссоциации как k d .

Из-за взаимодействия между цепью и динамикой эволюция функции распределения цепочки определяется следующим уравнением (Vernerey et al., 2017):

∂ϕ (r, t) ∂t︸ (a) = – (∂ϕ (r, t) ∂ r⊗ r): L︸ (b) + kdϕ0 (r) ︸ (c) −kd (r) ϕ ( г, т) ︸ (г), (5)

Как показано на рисунке 4, это уравнение утверждает, что изменения численности цепей (член a ) вызваны искажением цепей из-за приложения макроскопической деформации, представленной градиентом скорости L = ∂ v / x (член b , с вектором скорости v ), присоединение (со скоростью k a ) новых цепей в напряженном состоянии – свободная конфигурация, представленная распределением ϕ 0 ( r ) (член c ), и отделение (со скоростью k d ) цепей в их текущей конфигурации, представленное распределением ϕ ( r ) (срок d ).К этому уравнению можно сделать несколько важных замечаний: (1) это уравнение учитывает, что цепи прикрепляются в расслабленном (или свободном от напряжений) состоянии, в то время как они отсоединяются в своей текущей растянутой конфигурации. Эта особенность отвечает за снятие напряжения в полимере с течением времени (Vernerey, 2018). Кроме того, когда динамика связи исключена ( k a = k d = 0), (Уравнение 5) вырождается в эволюцию эластичной сети.(2) Скорости k a и k d понимаются в терминах, обратных среднему времени жизни цепи в отсоединенном и присоединенном состояниях, соответственно. (3) Это уравнение, которое очень похоже на уравнение Больцмана в газовой динамике (Villani, 2002), имеет глубокие последствия для эволюции сети в результате деформации и кинетики событий прикрепления и отрыва ( k a и k д ).

Рисунок 4 . Графическая иллюстрация уравнения (5) для эволюции функции распределения ϕ цепи ( r , t ). Распределение конфигурации цепей в недеформированном (A) , растянутом (B) и расслабленном состоянии (C) .

Гели со скользящими кольцами: топологический гель со скользящими перекрестными связями

Гели с высокими механическими свойствами нашли большой интерес в биомедицинских приложениях.В частности, высокая ударная вязкость является желательным свойством, получаемым в гелях за счет использования жертвенных частиц, позволяющих рассеивать энергию; однако слабые жертвенные цепи снижают сопротивление циклическим нагрузкам (усталость). Полимерные гели характеризуются сетчатой ​​структурой, состоящей из длинных перепутанных цепей, взаимно соединенных в нескольких местах, называемых поперечными связями, впитываемыми жидкостью; выдающееся изменение механических свойств полимеров было получено за счет того, что поперечная сшивка свободно перемещалась по цепям.Такой гель, имеющий подвижные поперечные связи, был получен путем использования полиротаксановых цепей, поперечно связанных за счет связывания колец α-циклодекстрина (CD), что позволяет поперечным связям скользить на большое расстояние вдоль сетевых цепей (рис. 5) ( Карино и др., 2006).

Рисунок 5 . Цепочка полиротаксана с визуальным представлением параметров, используемых в уравнении (6). Цепи поперечно связаны через резьбовые кольца вдоль цепи, образуя сеть скользящих колец. Понимая реакцию одиночной цепи, отклик сети может быть достигнут путем статистического усреднения.

Эта способность с механической точки зрения позволяет избежать концентрации напряжений в самых коротких цепях – как это обычно происходит в стандартных полимерах – которые легче достигают своего максимального удлинения (относительно количества сегментов Куна в цепи Н и их длина b как λmax = bN) и, следовательно, не срабатывают. С другой стороны, когда сеть имеет подвижные кольцевые соединения, полимерные цепи могут свободно перемещаться через сайты сшивки, позволяя напряжению, вызванному внешним напряжением, равномерно распределяться по всему материалу (Kato et al., 2013; Jiang et al., 2018). С механической точки зрения участки поперечного сшивания ведут себя как шкив, и, таким образом, совместная работа называется эффектом шкива . Эта особенность позволяет создавать гели с беспрецедентными свойствами, такими как высокая стойкость к разрушению, благодаря способности сети оставаться неповрежденной при большой деформации (Liu et al., 2017).

Моделирование гелей с скользящими кольцами

Нобелевская премия по химии 2016 г. (Stoddart, 2017) была отмечена «разработкой и синтезом молекулярных машин», новым классом синтетических молекул, которые могут быть задействованы для выполнения механической работы в наномасштабе.Однако эта цель редко достигается из-за проблем, связанных с объединением и / или масштабированием направленных движений искусственных молекулярных машин для получения макроскопически наблюдаемой реакции (Coskun et al., 2012). Одной из наиболее широко используемых архитектур для искусственных молекулярных машин является архитектура ротаксана (Bruns and Stoddart, 2016), в которой одна или несколько молекулярных «гранул» нанизаны и закреплены на молекулярной «нити». Поскольку они не связаны химически, молекулярные шарики и нити могут скользить относительно друг друга.Многообещающее семейство полиротаксанов, в котором многие гранулы α-циклодекстрина нанизаны на нитку из полиэтиленгликоля (PEG), недавно было использовано для создания топологического геля (Okumura and Ito, 2001). После синтеза полиротаксана гранулы сшиваются между цепями, образуя сеть скользящих колец. Эффект шкива (Ito, 2007) был обнаружен путем наблюдения за диаграммами рассеивания геля: однородность после деформации подразумевала, что струны были способны равномерно перераспределять напряжение по всему материалу с помощью своих подвижных поперечных связей.Дальнейшие эксперименты с гелями с скользящими кольцами выявили их многие желательные свойства, включая высокую растяжимость, устойчивость к царапинам и ударную вязкость (Noda et al., 2014).

Еще более интересно то, что свойства цепей скользящих колец в значительной степени зависят от химического состава одной цепи. Типичные сшитые сети становятся более жесткими с увеличением концентрации сшивания, но одна группа (Mayumi et al., 2012) обнаружила, что гели с скользящими кольцами начинают становиться более мягкими после того, как концентрация сшивания достигает примерно 3% (на единицу объема). .Группа приписала это несшитым мобильным кольцам, которые остаются на цепях после сшивания (Kato et al., 2015). В самом деле, можно распознать новые источники энтропии из этих мобильных колец – они имеют одну степень свободы (вдоль цепочки), что приводит к конечному пространству перестановок, определяемому контурной длиной сегмента, на котором они нанизаны. Это можно рассматривать как своего рода нарастающее одномерное давление между сегментами. Таким образом, полиротаксановая цепь имеет как упругий, так и неупругий отклик, что подтверждается реологическими данными.Упругий отклик возникает из классической энтропийной эластичности полимерных цепей, которая фиксируется в первом члене потенциала свободной энергии (описывающем энергетический ландшафт и равновесие цепи):

F = 3kT2 [ri2nib2] ︸Эластическая энтропия, ψ + kT [∑3-2p2 log ni-kTρ log ne] ︸ Энтропия мобильного кольца (6)

Все параметры, используемые в этом выражении, схематически изображены на фиг. 5. В отличие от ковалентно сшитых сеток, вязкоупругие свойства полиротаксана связаны с механизмами релаксации, возникающими в результате проскальзывания мономеров через кольцеобразные сшивки.С параметрами, включенными в эту свободную энергию, физика, лежащая в основе одной цепи, может быть использована для понимания отклика геля с использованием статистического усреднения.

Есть многообещающие надежды на разработку интеллектуальных материалов и молекулярных двигателей с использованием ротаксанов (Goujon et al., 2017). Действительно, механически связанные молекулы, такие как ротаксаны, имеют большой потенциал для использования в качестве молекулярных машин. Поскольку они обладают молекулярными компонентами, которые ограничивают движение только в определенных направлениях, их можно использовать в качестве небольших роторов или ходунков по аналогии с миозиновыми головками, обнаруженными в биологических мышцах.Хотя нет четкого ответа на вопрос о макроскопической работе, экспериментальные исследования показали многообещающие направления. Увеличение механической работы действительно наблюдалось в фотоприводных молекулярных роторах, встроенных в жидкокристаллические пленки, в монослоях фоточувствительных молекул ротаксана, движущихся крошечных капель (Berná et al., 2005), и в LCE для перемещения механических объектов (Ikeda et al., 2007). Однако теоретическая работа с этими материалами все еще находится в зачаточном состоянии, и связь между вышеупомянутыми механизмами и механическим откликом еще предстоит обнаружить.

Отзывчивые полимеры на основе LCE

Жидкие кристаллы состоят из удлиненных жестких молекул (нематических мезогенов), чья преимущественная ориентация в пространстве сохраняется (Oseen, 1933; Frank, 1958; Ericksen, 1961; Stephen, Straley, 1974; Warner, Terentjev, 2007). Будучи встроенными в сильно деформируемую сеть, они придают эластомеру свой собственный ориентационный характер, и получаемый в результате материал обычно идентифицируется как жидкокристаллический эластомер (LCE). Такая предпочтительная ориентация цепей позволяет получать исключительно большие ответы на внешние раздражители, что позволяет использовать их в различных приложениях.В области реагирующих полимеров LCE представляют большой интерес, поскольку они демонстрируют свойства как жидкости, так и твердого тела. LCE состоят из эластичной сети с преобладанием энтропии, которая, кроме того, имеет типичный порядок жидкого кристалла. LCE демонстрируют большую самопроизвольную деформацию (до 300–400% по отношению к эталонной конфигурации), когда фазовое превращение из изотропного в нематическое состояние индуцируется соответствующим стимулом. Предпочтительной ориентацией LCE можно легко управлять, применяя стимулы окружающей среды, такие как тепло, электрические / магнитные поля, УФ или видимый свет (Stephen and Straley, 1974), что позволяет использовать обратимый отклик для мягкого срабатывания или восприятия (Ohm et al. al., 2012). Изменение порядка LCE может вызвать макроскопическое изменение формы, объема и т. Д., Подходящего для использования в целях срабатывания; LCE могут использоваться в нескольких приложениях, начиная от искусственных мышц и мягких роботов и заканчивая развертываемыми структурами, настраиваемыми зеркалами, морфируемыми структурами, реагирующими на стимулы поверхностями и роботизированной материей, и это лишь некоторые из них (White and Broer, 2015). Их моделирование требует описания преимущественной ориентации сети цепей и того, как она развивается в материале в результате внешних воздействий различной природы (Warner, Terentjev, 1996; Finkelmann et al., 2001; Yakacki et al., 2015; McBride et al., 2018; Ула и др., 2018).

МД Моделирование LCE

Под действием светового облучения светочувствительные полимеры LCE могут демонстрировать конформационный переход, молекулярную полярность и изменение цвета. Эти светочувствительные полимеры обычно содержат азобензол, спиропиран, стильбен и другие светочувствительные триггерные молекулы. Чтобы понять молекулярные механизмы этих светочувствительных полимеров, Choi et al. (2014) использовали моделирование МД для изучения структуры и оптомеханических свойств азобензольных полимеров LCE.Формализм переключаемого потенциала для связи N = N молекул азобензола применяется для фиксации поведения фотопереключения: транс цис и цис транс изомеризация. Систематически изучалось влияние степени изомеризации этих молекул азобензола на фотодеформацию, упругие свойства и термический фазовый переход нематик – изотроп. Результаты моделирования показывают, что жесткость и температура плавления этих светочувствительных нематических полимерных сетей (PRPN) уменьшаются с увеличением степени изомеризации.Кроме того, на ориентацию и конформацию этих PRPN может существенно влиять изомеризация молекул азобензола. Совсем недавно они дополнительно разработали крупнозернистую МД-модель для изучения индуцированного светом последовательного фазового перехода смектик-нематик-изотроп сшитых полимеров LCE (Clarke et al., 2001; Moon et al., 2019). Установлено, что на общую форму полимерной сетки влияют нарушения смектического слоя и ориентационный порядок нематика. В дополнение к этим химическим моделям MD, Скачай и Заннони разработали общую крупнозернистую модель MD для LCE при срабатывании электрического поля (Skačej and Zannoni, 2011, 2012).В этой модели была принята молекулярная модель Гэя-Бернера с мягким ядром для представления жидкокристаллической структуры полимеров, которая также допускает смектико-нематические и нематик-изотропные фазовые переходы. С помощью этой крупнозернистой модели наблюдались два режима электромеханического срабатывания LCE: (1) поперечный «полумягкий» режим с вращением директора, приводящим к ориентационным полосовым доменам жидких кристаллов; и (2) режим переключения между ориентационно неупорядоченной изотропной и ориентированной нематической фазами.

Механические аспекты LCE

LCE накапливают энергию при деформации из-за ограничений энтропийных конфигураций полимерных цепей (Warner and Terentjev, 1996). Однако из-за ориентации стержней в этих цепях они являются анизотропными эластомерами; т.е. механические свойства зависят от порядка и направления ориентации (Finkelmann et al., 2001). Используя концепции статистической механики, неоклассическая теория описывает сквозные векторы r полимерных цепей с использованием анизотропного гауссова распределения, направленность которого характеризуется так называемым тензором длины шага l , который представляет собой ковариационную матрицу (Warner, Terentjev, 2007).Затем свободная энергия сшитой сети может быть рассчитана из энтропии конфигураций цепочек, чтобы прийти к формуле следа для плотности энергии:

E = μs2 Tr (l-1F l0FT), (7)

, где μ s = ck B T – модуль сдвига эластичной сети, а l 0 – начальный тензор длины шага до деформации. Из-за связи между ориентационным порядком и эластичностью цепей изменения в нематическом порядке Q могут вызвать деформацию до нескольких 100 процентов (White and Broer, 2015) (Рисунок 6).

Рисунок 6 . Термическое срабатывание жидкокристаллических эластомеров основной цепи для достижения работы. Критическая температура вызывает фазовый переход из нематического состояния в изотропное и наоборот, приводящий к сжатию / растяжению. Схема конфигурации сети в нематике (А) и изотропном состоянии (Б) . Растяжение и параметр порядка в зависимости от температуры (C) (рисунок адаптирован из Clarke et al., 2001).

Тензор μ , представленный в разделе «Механизмы мостов и возникающая реакция: механика сплошной среды», описывает растяжение цепей в трехмерном пространстве и, таким образом, связан с параметром порядка Q LCE, поскольку представляет конформацию цепочки внутри сети.Рассматривая тензор μ , записанный в его системе отсчета основных направлений ( μ p ), в которой он принимает диагональную форму, его можно выразить следующим образом:

μp = [1-Q0001-Q0001 + 2Q], (8)

, где предполагалось, что нематическое выравнивание происходит в направлении z . Нематический порядок Q LCE определяется как Q = 〈32cos2θ-12〉, где θ – угол, образованный осями молекул и их средним направлением ориентации; другими словами, он количественно определяет степень совмещения молекулярных осей мезогенов, составляющих жидкокристаллическую фазу эластомера.Значение Q = 1 указывает на идеальный нематический порядок, в котором все стержни идеально выровнены по направлению z , в то время как значение Q = 0 относится к случайно ориентированным стержням, то есть к идеально изотропному расположению цепей. С другой стороны, когда 0 < Q <1, стержни почти выровнены с осью z , но с увеличивающейся дисперсией, интенсивность которой увеличивается при Q → 0. Так называемый нематический тензор порядка Q [или тензор порядка де Жена (Warner and Terentjev, 2007)] представляет девиаторную часть тензора μ , определяемую как Q = 32 (μNb2-I3) (Finkelmann et al., 2001; Уорнер, Терентьев, 2007).

Сегодня LCE

спроектированы так, чтобы иметь способность производить большие деформации в ответ на изменение ориентационного порядка посредством таких раздражителей, как тепло или свет (White and Broer, 2015). Это сделало их первыми кандидатами для технологических приложений, включая мягкую робототехнику, искусственные мышцы, биомедицинские устройства, исполнительные механизмы и датчики (Ula et al., 2018). Одной из ключевых особенностей, которые делают возможным обратимое изменение формы в этих приложениях, является явление изотропно-нематического фазового перехода.Для достижения запрограммированных изменений формы стержни сначала выравнивают на постоянной основе в их гелеобразном состоянии путем приложения внешнего поля (такого как магнитное или электрическое), поверхностного закрепления или растяжения во время стадии полимеризации перед второй стадией сшивания. В последние годы было проведено значительное количество исследований динамических реакций сшивания, индуцируемых теплом или светом, которые предлагают новый способ конструирования и программирования LCE (Yakacki et al., 2015; McBride et al., 2018). Благодаря сильной теоретической базе моделирования эти новые материалы могут трансформировать области мягкой робототехники, 3D-печати и фотолитографии, и это лишь некоторые из них.

Отклик GELS, вызванный набуханием

Некоторые полимеры, а именно гели, обладают способностью легко перемещать жидкость внутри своей сети; жидкость не вызывает никаких модификаций микроструктуры материала или каких-либо химических реакций, а просто заставляет полимер набухать или сжиматься в зависимости от входящего или выходящего движения жидкости. В этих задачах перенос массы жидкости и деформация сети являются связанными явлениями (Tanaka and Fillmore, 1979; Chirani et al., 2015).Гели также использовались для разработки умных и отзывчивых материалов, которые будут использоваться в гибкой электронике, приведения в действие и мягкой робототехнике (Shen et al., 2017, 2019; Rong et al., 2018). Например, гидрогели могут имитировать трофические движения растений и грибов под давлением (Sridhar et al., 2018) и используются для создания датчиков света, влажности или биологических датчиков, способных к перемещению (Ionov, 2014). Хотя скорость их движения ограничена из-за медленной диффузии растворителя в полимерную сетку, можно использовать механические нестабильности, чтобы вызвать внезапное движение, как демонстрируют материалы, вдохновленные мухоловкой Венеры (Athas et al., 2016).

Моделирование набухания на молекулярном уровне

Гидрогели часто проявляют чувствительность к растворителям из-за химического сродства между полимером и внешней жидкостью. Это химическое сродство обычно измеряется параметром Флори – Хаггинса χ. По сравнению с плохим растворителем (большой χ), хорошие молекулы растворителя (маленький χ) могут легко проникать в полимерную сеть, растягивать цепи и набухать гидрогель. В моделировании МД поведение полимерных цепей при реагировании на растворитель может быть проанализировано с помощью радиуса инерции, профиля плотности, функции радиального распределения и т. Д.[например, (Lee et al., 2009) изучали влияние содержания воды на равновесные структуры и механические свойства поли ( N -винил-2-пирролидон-2-гидроксиэтилметакрилата) (P (VP -co-HEMA)) гидрогель посредством моделирования МД для всех атомов]. Результаты моделирования показывают, что сегмент VP более гидрофильный, чем сегмент HEMA, и гидрогель со случайной последовательностью мономеров может быть сольватирован больше, чем гидрогель с блочной последовательностью. Обнаружено, что во время механической деформации VP расслабляется быстрее, особенно в блочной последовательности, что приводит к более низкому уровню напряжения гидрогеля с блочной последовательностью мономера.Помимо молекулярной структуры и механических свойств, динамика воды и полимеров в гидрогелях также может быть изучена с помощью МД-моделирования (Chiessi et al., 2007). В моделировании DPD взаимодействие полимер-растворитель непосредственно представлено параметром отталкивания a ij , который связан с параметром Флори-Хаггинса как a ij = a ii + 3,27х. Следовательно, состояние растворителя при моделировании DPD можно точно контролировать, регулируя a ij между соответствующими шариками.Например, Чен и Йонг (2018) недавно разработали модель DPD для изучения набухания гидрогеля под влиянием различных условий растворителя и топологии полимерной сети. Результаты моделирования показывают, что набухание геля является результатом механического баланса между изменением упругой энтропии деформации полимерной сетки и осмотическим давлением, возникающим при смешивании полимера и растворителя.

Сплошная механика набухающих гидрогелей

При моделировании явления набухания поведение жидкости и твердого тела необходимо рассматривать одновременно (Флори, 1950; Танака и Филлмор, 1979; Хонг и др., 2008). Механика гелей должна учитывать уравнение баланса массы, чтобы обеспечить сохранение жидкости. В дифференциальной форме он читается как

. ∂Cs∂t + ∇ · J = 0, (9)

, где C s – это концентрация растворителя (т. Е. Концентрация молекул растворителя на единицу контрольного объема полимера), а J – векторный поток молекул растворителя, пересекающих границу произвольной элемент объема в единице времени (положительный при вводе).Как полимер, так и жидкость обычно считаются несжимаемыми; однако при набухании объем набухшего твердого вещества увеличивается согласно J = det F = 1 + C s v s , где v s – молярный объем жидкости. Вышеупомянутое условие обеспечивает кинематическое ограничение, которое должно выполняться в любой момент процесса текучей среды.Предполагается, что концентрация жидкости зависит от химического потенциала μ и осмотического давления π (Hong et al., 2008, 2009), C s (μ, π), в то время как определяющее соотношение для потока жидкости обычно принимается в виде j = -csDkB T∇μ, где D, k B , T – коэффициент диффузии, постоянная Больцмана и абсолютная температура соответственно. С другой стороны, с механической точки зрения проблема определяется стационарным состоянием следующего функционала (Hong et al., 2008):

Ψ = ∫VΨm dV = ∫V [Ψ (F) + Ψmix (Cs)] dV + ∫Vπ [(1 + vsCs) -J] dV = 0 (10)

В уравнении (10) общая плотность энергии Ψ m , плотность упругой энергии Ψ, плотность энергии смешения (Ψmix = -kBTvs · [(J-1) ln (JvsCs) + χJ]) и ограничение изменения объема может быть распознано. Стационарное условие для функционала (уравнение 10) вместе с уравнением (9) обеспечивает основу для решения связанной задачи. Наконец, напряженное состояние в геле обеспечивается соотношением P = ∂Ψ / ∂F = (∂Ψe / ∂F-πJF-T), где P является первым (номинальным) тензором напряжений Пиолы.В гелях смесь твердого вещества и жидкости больше не является несжимаемой, но происходит изменение объема, а именно J = 1+ C s v s ≥ 1; в этом случае градиент деформации, связанный с явлением набухания, принимает простую диагональную форму F s = diag ( λ s ) , то есть λs = J1 / 3.

Термочувствительные гидрогели

В семействе гелей поли ( N -изопропилакриламид) (также обозначаемый как PNIPAA или PNIPAm) образует трехмерный гидрогель при сшивании с N, N ‘-метилен-бис-акриламидом (MBAm) или N, N ‘-цистамин-бис-акриламид (CBAm) (Işikver, Saraydin, 2019).Это гель, способность которого абсорбировать жидкость сильно зависит от температуры; Фактически, это термочувствительный полимер, демонстрирующий обратимый фазовый переход при более низкой критической температуре раствора (НКТР) из набухшего состояния в сморщенное дегидратированное состояние (Yan and Tsujii, 2005). Благодаря зависящему от температуры набуханию его возможности применения заключаются в тканевой инженерии и контролируемой доставке лекарств (Yan and Tsujii, 2005). Его поведение меняется с гидрофильного на гидрофобное при НКТР; я.е. ниже НКТР он поглощает воду и растворяется в растворе, а при более высоких температурах он выделяет воду и происходит разделение фаз.

МД Моделирование термочувствительных полимеров

Термочувствительный полимер обычно имеет НКТР [например, поли ( N -изопропилакриламид) (ПНИПАМ) (НКТР ~ 305 К)]. Когда температура ниже, чем НКТР, полимерные цепи могут смешиваться с водой с образованием конформации сильно набухшей и спиральной цепи с гидрофильностью; когда температура выше, чем НКТР, полимерная цепь сжимается в изгиб и проявляет гидрофобность с разделением фаз.МД моделирования использовались, чтобы понять этот переход клубок-глобула PNIPAM на атомном уровне (Deshmukh et al., 2013). Результаты моделирования показывают, что водородные связи, образованные между PNIPAM и молекулами воды, играют наиболее важную роль во время изменения конформации PNIPAM. Когда температура ниже НКТР, эти водородные связи прочны и стабильны; но когда выше НКТР, сила этих водородных связей ослабевает, что приводит к пониженной растворимости и переходу клубок-глобула PNIPAM.Недавно был разработан метод DPD-моделирования на мезомасштабе для дальнейшего понимания динамики фазового перехода термочувствительных полимеров (Li et al., 2015). Были идентифицированы два различных механизма самоагрегации термочувствительных полимеров во время процесса фазового перехода клубок-глобула, который, как обнаружено, зависит от размера этих полимерных цепей. Такая модель DPD была дополнительно применена для изучения механизмов переноса наночастиц (НЧ) в термореактивной гидрогелевой сети PNIPAM (Wang et al., 2020). Изменяя температуру моделирования в LCTS PNIPAM, характеристики гидрогелевой сети могут быть значительно изменены, что приводит к контролируемому высвобождению захваченных НЧ. Эти представления могут быть приняты для руководства разработкой контролируемого высвобождения лекарственного средства из гидрогелей, реагирующих на раздражители.

Приводы на основе гидрогеля PNIPAm

Гидрогели способны к значительному изменению объема за счет набухания / отслаивания при воздействии внешних раздражителей.Например, термочувствительные гидрогели PNIPAm хорошо известны своей способностью претерпевать резкий объемно-фазовый переход около нижней критической температуры набухания (НКТР) 305 K (Afroze et al., 2000; Vernerey and Shen, 2017; Shen et al. , 2019). Когда температура вокруг НКТР быстро повышается, гидрогель претерпевает обратимый переход из набухшего состояния в сморщенное обезвоженное состояние, теряя более 90% своего объема (рис. 7А). Из-за такой температурной чувствительности гидрогель NIPAm нашел применение во множестве приложений, включая мягкие исполнительные механизмы (Santulli et al., 2005; Vernerey and Shen, 2017), системы доставки лекарств (Hoare, Kohane, 2008) и сенсоры гидрогеля (Richter et al., 2004).

Рисунок 7. (A) Коэффициент набухания гидрогеля NIPAm как функция температуры. (B) Кривые давления гидрогеля P г как функция степени набухания Дж . На вставке показана линейная зависимость параметра взаимодействия χ от температуры.

Происхождение этого фазового перехода можно объяснить взаимодействием двух конкурирующих сил: силы смешения полимер-растворитель и эластичности сшитой полимерной сетки.При низких температурах набухание геля возникает из-за сродства между растворителем и полимером и уравновешивается сопротивлением растяжению сшитой цепной сетки. Теория Флори-Рейнера (Флори, 1942) успешно предсказала эту конкуренцию, разложив свободную энергию Гибба геля Δ G на смесь (Δ G смесь ) и эластичную (Δ G эл. ), так что полная свободная энергия равна Δ G ( J , χ) = Δ G mix ( J , χ) + Δ G el ( J ) , где J обозначает коэффициент набухания, а параметр Флори-Хаггинса, χ, измеряет сродство между полимером и растворителем [меньшее значение χ указывает на большее сродство (MacConaghy et al., 2015)]. Можно показать, что равновесное гидростатическое давление, определяемое как Pg = 3 (∂ΔG / ∂J), разбивается на упругий ( P e ) и осмотический (π) вклад следующим образом:

Pg = Pe + π, где Pe = E (J-1/3-J-1) и π = kBTν [ln (1-1J) + 1J + χ1J2] (11)

В приведенных выше уравнениях E – это модуль Юнга полимера, k B T – тепловая энергия, а ν – удельный объем растворителя.Баланс между осмотическим и упругим давлениями достигается, когда давления в геле уравновешены (т.е. P г = 0) для данного уменьшенного объема V * , как показано на рисунке 7A. Чрезвычайная температурная чувствительность PNIPAm между 300 и 310 K обусловлена ​​температурной зависимостью параметра взаимодействия χ, описанной Afroze et al. (2000) с использованием серии многочленов. Согласно нашей предыдущей работе, этот параметр взаимодействия откалиброван как χ = χ 0 + χ 1 T , где χ 0 = −12.917 и χ1 = 0,044959 K-1 (Никодемус, Брайант, 2008). На рисунке 7B показано, что изменения χ резко изменяют равновесие набухания геля с Дж ≈ 40 при T = 300 K (χ = 0,51) на J = 4 при T = 310 K (χ = 0,92). Это дает уменьшение объема более чем в 10 раз в этом температурном диапазоне.

Программируемые гидрогели как основы для тканевой инженерии

Из-за высокого содержания воды гидрогели могут имитировать большинство тканей человеческого тела.Таким образом, синтетически полученные гидрогели, которые являются биомиметическими и биоразлагаемыми, являются многообещающими платформами для инкапсуляции клеток и тканевой инженерии. Гидрогели, которые используются для инкапсулирования клеток, обычно изготавливаются из гидрофильных и цитосовместимых многофункциональных макромолекулярных мономеров или макромеров (Nicodemus and Bryant, 2008). Многие различные природные и синтетические полимеры были функционализированы реактивными группами для создания широкого спектра макромеров, подходящих для инкапсуляции клеток (Li et al., 2012). В частности, гидрогели, чувствительные к биологическим сигналам релаксации или деградации, могут быть очень эффективными в обеспечении роста тканей. Для создания биоразлагаемых гидрогелей химические связи, которые подвержены расщеплению водой или ферментами, могут быть легко введены в поперечные связи полимерной сети. После инкапсуляции клеток гидрогель разрушается, что позволяет транспортировать большие белки внеклеточного матрикса, которые в конечном итоге созревают во вновь регенерированную ткань (Bryant and Vernerey, 2018).

Одна из самых сложных задач – программирование деградации гидрогеля для оптимальных условий роста. Например, слишком быстрое разложение гидрогеля может привести к полной потере механической целостности, тогда как слишком медленное разложение может сдерживать рост. Поэтому понимание физики, которая управляет процессами деградации и роста, имеет решающее значение при разработке моделей, которые помогут перенести разлагаемые гидрогели из лабораторий в клиники. Ключевой вывод, подтвержденный экспериментами и моделями, заключается в том, что успешный рост ткани происходит, когда происходит плавный перенос механических свойств от гидрогеля к новой ткани (см. Рисунок 8).Это может быть достигнуто (1) осаждением матрицы с локальной деградацией и (2) обеспечением общей структурной связности композитного геля и новой ткани. Локальная деградация возможна, например, с умными гидрогелями, чьи связи созданы, чтобы быть чувствительными к ферментам, высвобождаемым из клеток. Это ограничивает транспорт внеклеточного матрикса в непосредственной близости от клеток, где гидрогель разрушился. Пространственно-временное поведение деградации гидрогеля и отложения матрикса зависит от свойств гидрогеля и, зачастую, от поведения клеток.Поэтому мы разработали законы масштабирования, которые позволяют количественно оценить эти процессы и потенциально помочь в деградации настройки. Локализованная деградация вокруг клетки может быть математически описана с помощью связанного уравнения реакции-диффузии фермента и гидрогеля и охарактеризована скоростью продвижения v и шириной частично разрушенного геля. Скорость локальной деградации v дана в единицах скорости ферментативной реакции κ; коэффициент диффузии, D ; концентрация источника фермента, c 0 ; и возможность подключения к гидрогелевой сети, β, (Sridhar and Vernerey, 2018):

v = D κ c0lnβ (12)

Это простое соотношение полезно для понимания точного влияния каждого физического параметра.

Рисунок 8 . Разрушение чувствительных к ферментам гидрогелей и локализованное отложение в тканях для обеспечения плавного перехода механических свойств от геля к регенерированной ткани.

Имея полную 3D-модель (Akalp et al., 2016; Sridhar et al., 2017), которая также включает распределение клеток и отложение роста, можно запрограммировать деградацию w.r.t. измерить активность клеток каждого пациента, чтобы гарантировать механическую целостность конструкции. Поскольку гидрогели часто подвергаются полимеризации in situ при прямом контакте с живой тканью, их можно использовать в качестве платформы для инъекций для доставки клеток in vivo .Таким образом, программирование этих умных гидрогелей станет решающим шагом на пути к персонализированной регенеративной медицине.

Выводы

Отзывчивые материалы, а также активные структурные системы сегодня широко используются для разработки беспрецедентных интеллектуальных устройств, датчиков или исполнительных механизмов; их функции происходят из способности реагировать заметной реакцией на раздражители окружающей среды. В зависимости от исследуемого реагирующего материала триггерные стимулы могут иметь различную природу, начиная от физической (температура, свет, электрическое или магнитное поле, механическое напряжение и т. Д.).), химического (pH, лиганды и др.) или биологического (ферменты и др.) типа. Такая отзывчивость может быть получена путем правильного проектирования мезо- или макроскопического расположения составляющих элементов, как это происходит в метаматериалах, или может быть получена с помощью отзывчивых материалов как таковых, , чья отзывчивость проистекает из химии, лежащей в основе их микроструктуры. Фактически, когда чувствительность на молекулярном уровне организована должным образом, отклик в наномасштабе может быть коллективно обнаружен на макроуровне, что приводит к так называемому чувствительному материалу.В данной статье мы рассмотрели огромный мир отзывчивых полимеров, обрисовав в общих чертах основные особенности, характеристики и механизмы реагирования интеллектуальных полимеров и предоставив перспективное описание механического моделирования как на нано, так и на уровне континуума.

Несмотря на обширные исследования, проведенные в области компьютерного моделирования, в частности, МД-моделирование реагирующих полимеров, большинство этих исследований сосредоточено только на отдельных полимерах, реагирующих на раздражители, таких как pH, температура, свет, растворитель, электрическое поле и т. Д.Однако полимеры с двойным или множественным откликом привлекают все больше и больше внимания, поскольку многие применения этих интеллектуальных материалов требуют комбинированного ответа на несколько внешних стимулов (Zhuang et al., 2013). Таким образом, существует острая необходимость в разработке молекулярных моделей и моделирования для создания этих полимеров с двойным или множественным реагированием. Кроме того, полностью атомное моделирование МД может применяться для изучения одиночной полимерной цепи или небольших полимерных систем на атомистическом уровне. Однако они не подходят для изучения мезоскопических структур и свойств больших и сложных полимеров, реагирующих на стимулы, из-за ограниченных пространственных и временных масштабов полностью атомных МД-моделирования.С этой целью методы крупномасштабного моделирования MD и DPD более подходят для изучения крупномасштабного поведения реагирующих на стимулы полимеров. Тем не менее, остается проблемой получить эффективные параметры для крупнозернистых МД-моделей из атомистической модели (Li et al., 2013).

Настоящая статья призвана предоставить всесторонний обзор основных характеристик и аспектов моделирования наиболее распространенных интеллектуальных полимеров. Фактически, количественное механическое описание активных материалов играет ключевую роль в их разработке и использовании, позволяя проектировать усовершенствованные устройства, а также проектировать микроструктуру материалов в соответствии с желаемой функциональностью или чувствительностью.Цель этой статьи, хотя она не является исчерпывающей, состоит в том, чтобы стимулировать интерес к этой передовой области материаловедения, уделяя особое внимание механическим аспектам, необходимым для использования интеллектуальных полимеров в беспрецедентных передовых приложениях, начиная от макроэкономики до наноразмер.

Авторские взносы

РБ был основным исследователем этой работы и разработал основную структуру статьи. FV и RB разработали аспекты моделирования и моделирования, указанные в документе, связанные с подходом в масштабе континуума.YL разработал аспекты моделирования рукописи в молекулярном масштабе. Все авторы в равной степени внесли свой вклад в редактирование окончательной версии рукописи.

Финансирование

РБ благодарит за поддержку со стороны Программы исследований и инноваций Европейского Союза Horizon 2020 (h3020-WIDESPREAD-2018, SIRAMM) в рамках Соглашения о гранте № 857124. YL благодарит за поддержку грантов Национального научного фонда (CMMI-1762661 и CMMI-1934829).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

FV с благодарностью отмечает поддержку Национального научного фонда в рамках премии № 1761918.

Список литературы

Афрозе Ф., Нис Э. и Бергманс Х. (2000). Фазовые переходы в системе поли (N-изопропилакриламид) / вода и поведение соответствующих сетей при набухании. J. Mol. Struct . 554, 55–68. DOI: 10.1016 / S0022-2860 (00) 00559-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Агарвал, С., Цзян, С., Чен, Ю. (2019). Прогресс в области полимерных приводов, регулируемых водой и / или температурой. Macromol. Матер. Eng . 304: 1800548. DOI: 10.1002 / mame.201800548

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Акалп, У., Брайант, С. Дж., И Вернери, Ф. Дж. (2016). Настройка роста ткани с деградацией каркаса в ферментно-чувствительных гидрогелях: математическая модель. Soft Matter. 12, 7505–7520. DOI: 10.1039 / C6SM00583G

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Амин, Д., Алексей, Э. Л., и Зуовей, В. (2016). Динамика супрамолекулярных полимерных сетей, образованных ассоциативными телехелическими цепями. Макромолекулы 49, 7510–7524. DOI: 10.1021 / acs.macromol.6b00561

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Атхас, Дж. К., Нгуен, К. П., Заркет, Б. К., Гаргава, А., Ни, З., и Рагхаван, С. Р. (2016). Сворачивание гидрогелей под действием ферментов: имитирует венерическую мухоловку. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 8, 19066–19074. DOI: 10.1021 / acsami.6b05024

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Берна, Дж., Ли, Д. А., Любомска, М., Мендоса, С. М., Перес, Э. М., Рудольф, П. и др. (2005). Макроскопический транспорт синтетическими молекулярными машинами. Природа Mater . 4, 704–710. DOI: 10.1038 / nmat1455

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боуман, К. Н., Клоксин, К. Дж. (2012). Ковалентные адаптируемые сети: структуры обратимых связей, встроенные в полимерные сети. Angew. Chem. Int. Эд. 51, 4272–4274. DOI: 10.1002 / anie.201200708

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брантли, Дж. Н., Виггинс, К. М., и Белявски, К. В. (2013). Механохимия полимеров: конструирование и изучение механофоров. Polym. Инт . 62, 2–12. DOI: 10.1002 / pi.4350

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бригенти Р., Артони Ф. и Косма М. П. (2019). Механика инновационных отзывчивых полимеров. мех. Res. Коммуна . 100: 103403. DOI: 10.1016 / j.mechrescom.2019.103403

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Brighenti, R., Artoni, F., Vernerey, F., Torelli, M., Pedrini, A., Domenichelli, I., et al. (2018). Механика реагирующих полимеров через конформационно изменяемые молекулы. J. Mech. Phys. Твердые тела 113, 65–81. DOI: 10.1016 / j.jmps.2018.01.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брунс К. Дж., Стоддарт Дж.Ф. (2016). Природа механической связи: от молекул к машинам . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. DOI: 10.1002 / 97811123

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Брайант, С. Дж., И Вернери, Ф. Дж. (2018). Программируемые гидрогели для инкапсуляции клеток и роста новых тканей, позволяющие индивидуализировать тканевую инженерию. Adv. Здоровьеc. Материал . 7: 1700605. DOI: 10.1002 / adhm.201700605

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cabane, E., Чжан, X., Ланговска, К., Паливан, К. Г., и Мейер, В. (2012). Полимеры, реагирующие на раздражение, и их применение в наномедицине. Биоинтерфазы 7: 9. DOI: 10.1007 / s13758-011-0009-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Капелот М., Унтерласс М. М., Турнильак Ф. и Лейблер Л. (2012). Каталитический контроль стеклования витримера. САУ Macro Lett . 1, 789–792. DOI: 10.1021 / mz300239f

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карузо, М.М., Дэвис, Д. А., Шен, К., Одом, С. А., Соттос, Н. Р., Уайт, С. Р. и др. (2009). Химические изменения в полимерных материалах, вызванные механическим воздействием. Chem. Ред. . 109, 5755–5798. DOI: 10.1021 / cr

53

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, Z., Huo, J., Hao, L., and Zhou, J. (2019). Мультимасштабное моделирование и имитация отзывчивых полимеров. Curr. Opin. Chem. Eng . 23, 21–33. DOI: 10.1016 / j.coche.2019.02.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кьесси, Э., Кавальери Ф. и Парадосси Г. (2007). Вода и динамика полимеров в химически сшитых гидрогелях поливинилового спирта: исследование с помощью моделирования молекулярной динамики. J. Phys. Chem. B 111, 2820–2827. DOI: 10.1021 / jp0671143

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чирани, Н., Гритч, Л., Мотта, Ф. Л., и Фаре, С. (2015). История и применение гидрогелей. J. Biomed. Sci . 4, 1–23. DOI: 10.4172 / 2254-609X.100013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чо, С.Х., Уайт, С. Р., Браун, П. В. (2009). Самовосстанавливающиеся полимерные покрытия. Adv. Матер. 21, 645–649. DOI: 10.1002 / adma.200802008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чой, Дж., Чунг, Х., Юн, Дж. Х. и Чо, М. (2014). Эффект фотоизомеризации азобензольной цепи на опто-механическое поведение нематического полимера: исследование молекулярной динамики. Заявл. Phys. Lett . 105: 221906. DOI: 10.1063 / 1.47

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кларк, С.М., Хотта, А., Таджбахш, А. Р., Терентьев, Э. М. (2001). Влияние геометрии сшивающего агента на равновесные термические и механические свойства нематических эластомеров. Phys. Ред. E 64: 061702. DOI: 10.1103 / PhysRevE.64.061702

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Coskun, A., Banaszak, M., Astumian, R.D., Astumian, R.D., Stoddart, J.F., and Grzybowski, B.A. (2012). Большие надежды: смогут ли искусственные молекулярные машины оправдать свои обещания? Chem.Soc. Ред. . 41, 19–30. DOI: 10.1039 / C1CS15262A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cranford, S. W., Ortiz, C., and Buehler, M. J. (2010). Механически изменяемые свойства полиэлектролитного комплекса ПАК / ПАУ: зависимость скорости и эффекты ионизации от регулируемой силы адгезии. Soft Matter 6, 4175–4188. DOI: 10.1039 / c0sm00095g

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дай, X., Чен, П., Чжу, Г., Сюй, З., Чжан, X., и Ян Л. Т. (2019). Опосредованные энтропией механомтабильные микроструктуры и механореактивный тепловой транспорт самосборки наночастиц в блок-сополимерах. J. Phys. Chem. Lett . 10, 7970–7979. DOI: 10.1021 / acs.jpclett.9b03253

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

De Gennes, P. G., and Prost, J. (1993). Физика жидких кристаллов , Vol. 83. Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Дешмух, С.А., Ли, З., Камат, Г., Сутар, К. Дж., Шанкаранараян, С. К., и Манчини, Д. К. (2013). Атомистические взгляды на динамику сольватации и конформационные превращения в термочувствительных и нетермочувствительных олигомерах. Полимер 54, 210–222. DOI: 10.1016 / j.polymer.2012.11.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дизендрук, К. Э., и Мур, Дж. С. (2013). Механофоры для самовосстановления. Самовосстанавливающиеся полимеры: от принципов к применению .Вайнхайм: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.

Google Scholar

Финкельманн, Х., Греве, А. и Уорнер, М. (2001). Упругая анизотропия нематических эластомеров. евро. Phys. J. E 5, 281–293. DOI: 10.1007 / s1018060

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Флори, П. Дж. (1950). Статистическая механика набухания сетевых структур. J. Chem. Phys . 18, 108–111. DOI: 10.1063 / 1.1747424

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Флори, П.Дж. (1953). Основы химии полимеров . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Корнельского университета.

Google Scholar

Früh, A. E., Artoni, F., Brighenti, R., and Dalcanale, E. (2017). Поли (диметилсилоксановые) эластомеры с самодиагностикой поля деформации. Chem. Матер. 29, 7450–7457. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.7b02438

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Goujon, A., Lang, T., Mariani, G., Moulin, E., Fuks, G., Raya, J., et al. (2017).Бистабильные [c2] гирляндные ротаксаны в качестве обратимых мышечных исполнительных механизмов в механически активных гелях. J. Am. Chem. Soc . 139, 14825–14828. DOI: 10.1021 / jacs.7b06710

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грима, Дж. Н., Каруана-Гаучи, Р., Дудек, М. Р., Войцеховски, К. В., и Гатт, Р. (2013). Умные метаматериалы с настраиваемыми ауксетическими и другими свойствами. Smart Mater. Struct. 22: 084016. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 22/8/084016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грун, Т., и Эммерих, Х. (2013). Моделирование полимерных сетей, реагирующих на раздражители. Хемосенсоры 1, 43–67. DOI: 10.3390 / chemosensors1030043

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуин Т., Сеттл М. Дж., Ковальски Б. А., Огюст А. Д., Бебло Р. В., Райх Г. В. и др. (2018). Приводы из слоистого жидкокристаллического эластомера. Нат. Коммуна . 9: 2531. DOI: 10.1038 / s41467-018-04911-4

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Hänggi, P., Талкнер, П., и Борковец, М. (1990). Теория скорости реакции: пятьдесят лет спустя после Крамерса. Ред. Мод. Phys . 62, 251–341. DOI: 10.1103 / RevModPhys.62.251

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хоар, Т. Р., и Кохан, Д. С. (2008). Гидрогели в доставке лекарств: прогресс и проблемы. Полимер 49, 1993–2007. DOI: 10.1016 / j.polymer.2008.01.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хонг, В., Лю, З., и Суо, З. (2009). Неоднородное набухание геля в равновесии с растворителем и механической нагрузкой. Внутр. Дж. Строение твердых тел . 46, 3282–3289. DOI: 10.1016 / j.ijsolstr.2009.04.022

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хун В., Чжао X., Чжоу Дж. И Суо З. (2008). Теория сопряженной диффузии и большой деформации в полимерных гелях. J. Mech. Phys. Твердые тела 56, 1779–1793. DOI: 10.1016 / j.jmps.2007.11.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ионов, Л. (2014). Актуаторы на основе гидрогеля: возможности и ограничения. Materi. Сегодня 17, 494–503. DOI: 10.1016 / j.mattod.2014.07.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ишиквер Ю., Сарайдин Д. (2019). Гидрогели, реагирующие на раздражители: полимеры NIPAM / AAm / карбоновые кислоты. Acta Chem. Яссы . 27, 155–184. DOI: 10.2478 / achi-2019-0012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ито, К. (2007). Новая концепция сшивания полимерной сети: синтез, структура и свойства гелей скользящих колец со свободно подвижными соединениями. Polym. J . 39, 489–499. DOI: 10.1295 / polymj.PJ2006239

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джексон, Дж. А., Месснер, М. К., Дудукович, Н. А., Смит, В. Л., Беккер, Л., Моран, Б. и др. (2018). Полевые механические метаматериалы. Sci. Adv. 4: eaau6419. DOI: 10.1126 / sciadv.aau6419

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзян, Л., Лю, К., Маюми, К., Като, К., Ёкояма, Х., Ито, К. (2018).Легко растягивающиеся и мгновенно восстанавливаемые гели с скользящими кольцами, состоящие из ферментативно синтезированного полиротаксана с низким покрытием хозяина. Chem. Матер. 30, 5013–5019. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.8b01208

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карино Т., Шибаяма М. и Ито К. (2006). Гель для слайд-кольца: топологический гель со свободно подвижными поперечными связями. Phys. B Конденс. Дело 385, 692–696. DOI: 10.1016 / j.physb.2006.05.293

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Катияр Р.С., Джа П. К. (2017). Фазовое поведение водных растворов полиакриловой кислоты с использованием моделирования атомной молекулярной динамики модельных олигомеров. Полимер 114, 266–276. DOI: 10.1016 / j.polymer.2017.03.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Като К., Окабе Ю., Окадзуми Ю. и Ито К. (2015). Существенное влияние стехиометрии «хозяин-гость» на растяжимость полиротаксановых гелей. Chem. Commun. 51, 16180–16183. DOI: 10.1039 / C5CC07122D

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Като, К., Ясуда, Т., и Ито, К. (2013). Вязкоупругие свойства гелей с скользящими кольцами, отражающие динамику скольжения частичных цепей и энтропию компонентов кольца. Макромолекулы 46, 310–316. DOI: 10.1021 / ma3021135

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Коджак, Г., Тунцер, К., Бютюн, В. Дж. П. К. (2017). pH-чувствительные полимеры. Polym. Chem . 8, 144–176. DOI: 10.1039 / C6PY01872F

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, С.Г., Брунелло, Г. Ф., Янг, С. С., и Бакнелл, Д. Г. (2009). Молекулярно-динамическое моделирование гидрогелей P (VP-co-HEMA): влияние содержания воды на равновесные структуры и механические свойства. Биоматериалы 30, 6130–6141. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2009.07.035

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лейблер Л., Рубинштейн М. и Колби Р. Х. (1991). Динамика обратимых сетей. Макромолекулы 24, 4701–4707.DOI: 10.1021 / ma00016a034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, М., Лю, В., и Чжу, С. (2017). Умные полиолефины, ощущающие силу: поли (этилен-винилацетат) и полиэтилен-октен, изменяющий цвет в ответ на механическую силу. Полимер 112, 219–227. DOI: 10.1016 / j.polymer.2017.02.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю., Аббертон Б. К., Крегер М. и Лю В. К. (2013). Проблемы многомасштабного моделирования динамики полимеров. Полимеры 5, 751–832. DOI: 10.3390 / polym5020751

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю., Родригес Дж. И Томас Х. (2012). Инъекционные и биоразлагаемые гидрогели: гелеобразование, биоразложение и биомедицинские применения. Chem. Soc. Ред. . 41, 2193–2221. DOI: 10.1039 / C1CS15203C

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли З., Тан Ю. Х., Ли X. и Карниадакис Г. Э. (2015). Мезомасштабное моделирование динамики фазовых переходов термореактивных полимеров. Chem. Commun. 51, 11038–11040. DOI: 10.1039 / C5CC01684C

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю К., Кадоно Х., Маюми К., Като К., Йокояма Х. и Ито К. (2017). Необычное поведение гелей скользящих колец с подвижными поперечными связями. САУ Macro Lett . 6, 1409–1413. DOI: 10.1021 / acsmacrolett.7b00729

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю, З., Го, Р., Сюй, Г., Хуан, З., и Ян Л. Т. (2014). Энтропийно-опосредованный механический ответ формирования паттерна межфазных наночастиц. Nano Lett. 14, 6910–6916. DOI: 10.1021 / nl5029396

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лопес-Вальдеоливас, М., Лю, Д., Броер, Д. Дж., И Санчес-Сомолинос, К. (2018). Печатные приводы 4D с функциями мягкого робота. Macromol. Рапид Коммуна . 39: 1700710. DOI: 10.1002 / marc.201700710

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луо, Ф., Sun, T. L., Nakajima, T., Kurokawa, T., Zhao, Y., Ihsan, A. B., et al. (2014). Поведение жесткого и самовосстанавливающегося полиамфолитного гидрогеля при притуплении трещин и продвижении вперед. Макромолекулы 47, 6037–6046. DOI: 10.1021 / ma5009447

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луо, З., и Цзянвэнь, Дж. (2012). pH-чувствительная загрузка / высвобождение лекарственного средства в амфифильном сополимере PAE – PEG: интеграция моделирования молекулярной динамики и динамики диссипативных частиц. J. Control.Выпуск 162, 185–193. DOI: 10.1016 / j.jconrel.2012.06.027

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Луо, З., Ян, Л., Бяобин, В., и Цзяньвен, Дж. (2016). pH-чувствительные везикулы, образованные амфифильными привитыми сополимерами с регулируемой проницаемостью мембраны для загрузки / высвобождения лекарственного средства: исследование с многомасштабным моделированием. Макромолекулы 49, 6084–6094. DOI: 10.1021 / acs.macromol.6b01211

CrossRef Полный текст | Google Scholar

МакКонаги, К.И., Чадли Д. М., Стойкович М. П., Каар Дж. Л. (2015). Оптически дифрагирующие гидрогели для скрининга киназной активности in vitro и в клеточном лизате: влияние свойств материала и раствора. Анал. Chem . 87, 3467–3475. DOI: 10.1021 / acs.analchem.5b00442

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манрике-Хуарес, М. Д., Рэт, С., Салмон, Л., Мольнар, Г., Кинтеро, К. М., Нику, Л. и др. (2016). Материалы на основе переключаемых молекул для микро- и наноразмерных исполнительных приложений: достижения и перспективы. Coord. Chem. Ред. . 308, 395–408. DOI: 10.1016 / j.ccr.2015.04.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маршалек, П. Э., Лу, Х., Ли, Х., Каррион-Васкес, М., Оберхаузер, А. Ф., Шультен, К., и др. (1999). Промежуточные звенья механического разворачивания в модулях титина. Природа 402, 100–103. DOI: 10.1038 / 47083

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Масао, Д. (2009). Гелевая динамика. J. Phys. Soc. Jpn. 78: 052001.DOI: 10.1143 / JPSJ.78.052001

CrossRef Полный текст

Маюми К., Тезука М., Бандо А. и Ито К. (2012). Механика гелей с скользящими кольцами: новая энтропийная эластичность топологической сети, образованной кольцом и струной. Soft Matter 8, 8179–8183. DOI: 10.1039 / c2sm25508a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макбрайд, М. К., Мартинес, А. М., Кокс, Л., Алим, М., Чилдресс, К., Бейсвингер, М. и др. (2018). Легко программируемый, полностью обратимый материал, меняющий форму. Sci. Adv. 4: eaat4634. DOI: 10.1126 / sciadv.aat4634

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Менг Ф., Терентьев Э. М. (2018). Флюидизация переходных сетей накала. Макромолекулы 51, 4660–4669. DOI: 10.1021 / acs.macromol.8b00012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Милич, Ю. В., и Дидерих, Ф. (2019). Поиски молекулярных захватов: фотоэлектрическое управление захватными механизмами для молекул. Chem. A Eur. J. 25, 8440–8452. DOI: 10.1002 / chem.201

2

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мун, Дж., Ким, Б., Чой, Дж., И Чо, М. (2019). Многоуровневое исследование взаимосвязи между фотоизомеризацией и механическим поведением азополимера на основе крупномасштабного молекулярно-динамического моделирования. Макромолекулы 52, 2033–2049. DOI: 10.1021 / acs.macromol.8b02535

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нап, р., Гонг П. и Шлейфер И. (2006). Слабые полиэлектролиты, привязанные к поверхностям: влияние геометрии, кислотно-щелочного равновесия и электрической проницаемости. J. Polym. Sci. Часть B Polym. Phys. 44, 2638–2662. DOI: 10.1002 / polb.20896

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Никодемус, Г. Д., и Брайант, С. Дж. (2008). Инкапсуляция клеток в биоразлагаемых гидрогелях для тканевой инженерии. Tissue Eng. Часть B Rev. 14, 149–165. DOI: 10,1089 / десять.teb.2007.0332

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нода, Ю., Хаяси, Ю., Ито, К. (2014). От топологических гелей до материалов для скользящих колец. J. Appl. Polym. Sci . 131, 1–9. DOI: 10.1002 / app.40509

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ом, К., Бремер, М., и Зентел, Р. (2012). «Применение жидкокристаллических эластомеров», в Жидкокристаллические эластомеры: материалы и приложения (Берлин: Springer), 49–93.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Окумура Ю., Ито К. (2001). Полиротаксановый гель: топологический гель с поперечными связями в форме восьмерки. Adv. Матер. 13: 485–487. DOI: 10.1002 / 1521-4095 (200104) 13: 7 <485 :: AID-ADMA485> 3.0.CO

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рэндольф, Л. М., Чиен, М. П., и Джаннески, Н. К. (2012). Биологические стимулы и биомолекулы в сборке и манипулировании наноразмерными полимерными частицами. Chem. Sci. 3, 1363–1380. DOI: 10.1039 / c2sc00857b

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рихтер, А., Ховиц, С., Куклинг, Д., и Арндт, К. Ф. (2004). Влияние явлений объемного фазового перехода на поведение клапанов на основе гидрогеля. Приводы Sens. B Chem. 99, 451–458. DOI: 10.1016 / j.snb.2003.12.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рой Д., Камбр Дж. Н. и Сумерлин Б. С. (2010).Перспективы на будущее и последние достижения в области материалов, реагирующих на раздражители. Prog. Polym. Sci . 35, 278–301. DOI: 10.1016 / j.progpolymsci.2009.10.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сантулли, К., Патель, С. И., Джеронимидис, Г., Дэвис, Ф. Дж., И Митчелл, Г. Р. (2005). Разработка интеллектуальных приводов переменной жесткости с использованием полимерных гидрогелей. Smart Mater. Struct. 14: 434. DOI: 10.1088 / 0964-1726 / 14/2/018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шанг, Ю., Ван, Дж., Икеда, Т., и Цзян, Л. (2019). Жидкокристаллический актуатор из биологических материалов. J. Mater. Chem. С 7, 3413–3428. DOI: 10.1039 / C9TC00107G

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шен Т., Фонт М. Г., Юнг С., Габриэль М. Л., Стойкович М. П. и Вернери Ф. Дж. (2017). Дистанционно запускаемое перемещение гидрогелевых магнитоботов в ограниченном пространстве. Sci. Реп . 7: 16178. DOI: 10.1038 / s41598-017-16265-w

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шен Т., Кан Дж., Бенет Э. и Вернери Ф. Дж. (2019). О вздутии термочувствительного гидрогеля: объемный фазовый переход и механическая нестабильность. Soft Matter 15, 5842–5853. DOI: 10.1039 / C9SM00911F

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шеперд, Х. Дж., Илья, А., Кинтеро, К. М., Трикард, С., Салмон, Л., Мольнар, Г. и др. (2013). Молекулярные исполнительные механизмы, управляемые кооперативным переключением спиновых состояний. Нат. Коммуна . 4: 2607. DOI: 10.1038 / ncomms3607

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зильберштейн, М. Н., Кремар, Л. Д., Бейерман, Б. А., Крамер, С. Б., Мартинес, Т. Дж., Уайт, С. Р. и др. (2014). Моделирование активации механофоров в вязкой резиноподобной сети. J. Mech. Phys. Твердые тела 63, 141–153. DOI: 10.1016 / j.jmps.2013.09.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зильберштейн, М. Н., Мин, К., Кремар, Л. Д., Деген, К. М., Мартинес, Т. Дж., Алуру, Н. Р. и др. (2013). Моделирование активации механофоров в сшитой стеклообразной матрице. J. Appl. Phys . 114: 023504. DOI: 10.1063 / 1.4812581

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Скачай, Г., и Заннони, К. (2011). Набухшие жидкокристаллические эластомеры основной цепи: исследование на молекулярном моделировании. Soft Matter 7, 9983–9991. DOI: 10.1039 / c1sm05709j

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Скачай Г. и Заннони К.(2012). Молекулярное моделирование объясняет срабатывание электрического поля в набухших жидкокристаллических эластомерах. Proc. Nat. Академия Наук. США 109, 10193–10198. DOI: 10.1073 / pnas.1121235109

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шридхар, С. Л., Ортега, Дж. К., и Вернери, Ф. Дж. (2018). Статистическая модель экспансивного роста клеток растений и грибов: случай фикомицетов. Biophys. J . 115, 2428–2442. DOI: 10.1016 / j.bpj.2018.11.014

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шридхар, С.Л., Шнайдер, М. К., Чу, С., де Руси, Г., Брайант, С. Дж., И Вернери, Ф. Дж. (2017). Неоднородность является ключом к регенерации хрящевой ткани на основе гидрогеля. Soft Matter 13, 4841–4855. DOI: 10.1039 / C7SM00423K

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шридхар, С. Л., и Вернери, Ф. (2018). Локализованная ферментативная деструкция полимеров: физика и законы масштабирования. Phys. Rev. Appl. 9: 031001. DOI: 10.1103 / PhysRevApplied.9.031001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стивен М.Дж. И Стрейли Дж. П. (1974). Физика жидких кристаллов. Ред. Мод. Phys . 46: 617. DOI: 10.1103 / RevModPhys.46.617

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стоддарт, Дж. Ф. (2017). Механически заблокированные молекулы (МИМ) – молекулярные челноки, переключатели и машины (нобелевская лекция). Angew. Chem. Int. Эд . 56, 11094–11125. DOI: 10.1002 / anie.201703216

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стюарт, М.А.C., Huck, W. T., Genzer, J., Müller, M., Ober, C., Stamm, M., et al. (2010). Новые области применения полимерных материалов, реагирующих на раздражители. Нат. Матер. 9: 101. DOI: 10.1038 / nmat2614

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стукалин, Э. Б., Цай, Л. Х., Кумар, Н. А., Лейблер, Л., и Рубинштейн, М. (2013). Самовосстановление незапутанных полимерных сетей с обратимыми связями. Макромолекулы 46, 7525–7541. DOI: 10.1021 / ma401111n

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вс, Х., Прайс, К. А. Х., Цзин, Л., Тиан, К., Лю, Дж., И Цянь, К. (2019). Частицы Януса: дизайн, подготовка и биомедицинские приложения. Mater. Сегодня Био . 4: 100033. DOI: 10.1016 / j.mtbio.2019.100033

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tagliazucchi, M., de la Cruz, M.O., and Szleifer, I. (2010). Самоорганизация слоев привитого полиэлектролита за счет сочетания химического равновесия и физических взаимодействий. Proc. Natl. Акад.Sci. США 107, 5300–5305. DOI: 10.1073 / pnas.0

0107

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tagliazucchi, M., и Igal, S. (2015). Транспортные механизмы в нанопорах и наноканалах: можем ли мы имитировать природу? Mater. Сегодня 18, 131–142. DOI: 10.1016 / j.mattod.2014.10.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Такаффоли, М., Чжан, Т., Паркс, Д., и Чжао, X. (2016). Вязкоупругие эластомеры с механохимическими свойствами. J. Appl. Мех. 83, 071007-1–071007-9. DOI: 10.1115 / 1.4033431

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Танака, Ф., и Эдвардс, С. Ф. (1992). Вязкоупругие свойства физически сшитых сетей – теория переходных сетей. Макромолекулы 25, 1516–1523. DOI: 10.1021 / ma00031a024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Теллерс, Дж., Пиналли, Р., Солиман, М., Вашон, Дж., И Далканале, Э. (2019). Повторно перерабатываемый винилогичный уретановый сшитый полиэтилен путем реактивной экструзии. Polym. Chem . 10, 5534–5542. DOI: 10.1039 / C9PY01194C

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ула С. В., Траугутт Н. А., Вольпе Р. Х., Патель Р. Р., Ю К. и Якацки К. М. (2018). Жидкокристаллические эластомеры: введение и обзор новых технологий. Жик. Кристаллы Ред. 6, 78–107. DOI: 10.1080 / 21680396.2018.1530155

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вернери Ф. Дж., Лонг Р. и Бригенти Р. (2017).Статистическая теория континуума для полимеров с переходными сетками. J. Mech. Phys. Твердые тела 107, 1–20. DOI: 10.1016 / j.jmps.2017.05.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Виллани, К. (2002). Обзор математических разделов кинетической теории столкновений. Handb. Математика. Жидкость Dyn . 1, 71–74. DOI: 10.1016 / S1874-5792 (02) 80004-0

CrossRef Полный текст

Ван, К., Ли, В., Цзинь-хао, Х., и Цзянь, З. (2018). Компьютерное моделирование pH-чувствительной блок-сополимерной мембраны. Acta Polymerica Sinica 4, 515–523. DOI: 10.11777 / j.issn1000-3304.2017.17137

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, К., Госсвейлер, Г. Р., Крейг, С. Л., и Чжао, X. (2015). Механика механохимически чувствительных эластомеров. J. Mech. Phys. Твердые тела 82, 320–344. DOI: 10.1016 / j.jmps.2015.05.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Ю., Ли, З., Оуян, Дж., И Карниадакис, Г. Э. (2020).Контролируемое высвобождение захваченных наночастиц из термореактивных гидрогелей с настраиваемыми сетевыми характеристиками. Soft Matter 16, 4756–4766. DOI: 10.1039 / D0SM00207K

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уорнер М., Терентьев Э. М. (1996). Нематические эластомеры – новое состояние материи? Prog. Polym. Sci . 21, 853–891. DOI: 10.1016 / S0079-6700 (96) 00013-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уорнер, М., и Терентьев, Э. М. (2007). Жидкокристаллические эластомеры , Vol. 120. Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета.

Войтеки Р. Дж., Мидор М. А. и Роуэн С. Дж. (2011). Использование динамической связи для доступа к макроскопически чувствительным структурно-динамическим полимерам. Нат. Материал . 10, 14–27. DOI: 10.1038 / nmat2891

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, J.-B., Shu-Jia, L., Hong, L., Hu-Jun, Q., and Zhong-Yuan, L. (2019).Динамика и кинетика реакции крупнозернистых насыпных витримеров: исследование молекулярной динамики. Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 13258–13267. DOI: 10.1039 / C9CP01766F

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Якацки К. М., Саед М., Наир Д. П., Гонг Т., Рид С. М. и Боуман К. Н. (2015). Настраиваемые и программируемые жидкокристаллические эластомеры с использованием двухстадийной тиол-акрилатной реакции. RSC Adv . 5, 18997–19001. DOI: 10.1039 / C5RA01039J

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян, Х., и Tsujii, K. (2005). Возможное применение поли (N-изопропилакриламидного) геля, содержащего полимерные мицеллы, в системах доставки лекарств. Colloids Surf. B Биоинтерфейсы 46, 142–146. DOI: 10.1016 / j.colsurfb.2005.10.007

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, Х., Ю, К., Му, X., Ши, X., Вэй, Й., Го, Й., и др. (2015). Исследование молекулярной динамики реакций обмена связями в ковалентных адаптируемых сетях. Soft Matter 11, 6305–6317.DOI: 10.1039 / C5SM00942A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжуан Дж., Гордон М. Р., Вентура Дж., Ли Л. и Таюманаван С. (2013). Макромолекулы, реагирующие на множественные стимулы, и их сборки. Chem. Soc. Ред. . 42, 7421–7435. DOI: 10.1039 / c3cs60094g

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Произошла ошибка при установке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Последние достижения в области строительных материалов на основе полимеров

С развитием человеческого общества требования к строительным материалам становятся все выше.Развитие полимерных материалов и их применение в области архитектуры значительно расширили и расширили функции строительных материалов. С развитием материаловедения и технологий было разработано множество функциональных материалов. Полимерные материалы обладают многими превосходными свойствами по сравнению с неорганическими материалами, и они также могут быть улучшены для улучшения функциональных свойств путем смешивания или добавления различных добавок (таких как антипирены, антистатики и антиоксиданты).В этой статье строительные материалы на основе полимеров представлены тремя классами в соответствии с областями применения, то есть субстратами, покрытиями и связующими, и тщательно демонстрируются их недавние признаки прогресса в приготовлении и применении.

1. Введение

Строительная промышленность играет важную роль в развитии истории человечества. Развитие строительной индустрии неотделимо от различных строительных материалов. Строительные материалы можно разделить на конструкционные, декоративные и некоторые специальные.Конструкционные материалы включают дерево, бамбук, камень, цемент, бетон, металл, кирпич, керамику, стекло, инженерные пластмассы и композитные материалы; декоративные материалы включают различные покрытия, краски, обшивку, облицовку, керамическую плитку различных цветов, стекло со спецэффектами; К специальным материалам относятся водонепроницаемые, влагостойкие, антикоррозионные, огнестойкие, звукоизоляционные, теплоизоляционные, герметизирующие.

С развитием материаловедения и технологий полимерные материалы демонстрируют потенциал применения в строительной отрасли благодаря их превосходным свойствам по сравнению с неорганическими материалами, такими как водонепроницаемость, антикоррозийность, износостойкость, антисейсмичность, легкий вес, хорошая прочность, звукоизоляция, теплоизоляция. изоляция, хорошая электроизоляция и яркие цвета.Благодаря своим превосходным свойствам полимерные материалы широко используются в строительной индустрии, например, в качестве изоляционного слоя водопроводной трубы, дренажной трубы, проводов и кабелей, а также изоляционного материала для стен.

Обычно используемые строительные полимеры включают полиэтилен (PE), поливинилхлорид (PVC), полиметилметакрилат (PMMA), полиэфирную смолу (PR), полистирол (PS), полипропилен (PP), фенольную смолу (PF) и кремнийорганическую смолу. (ЛАРН). Добавляя функциональные добавки в эти полимеры или добавляя эти полимеры в традиционные строительные материалы, такие как бетон и строительный раствор, строительные материалы на основе полимеров имеют большой потенциал в строительстве.В этой статье строительные материалы на основе полимеров представлены тремя классами в соответствии с областями применения, то есть субстратами, покрытиями и связующими, и тщательно демонстрируются их недавние признаки прогресса в приготовлении и применении.

2. Полимерные подложки

Полимер – это материал на основе природных или синтетических макромолекул, который пластифицируется и формируется при высокой температуре и давлении с соответствующими наполнителями и добавками и сохраняет форму изделий неизменной при нормальной температуре и давление [1–3].Обычно полимер состоит из синтетической смолы, наполнителя, пластификатора, отвердителя, красителя, стабилизатора и т. Д. [4, 5]. Добавление некоторых функциональных добавок может улучшить характеристики пластмасс и расширить их возможности. Например, добавление пенообразователей позволяет обрабатывать пенопласты, а добавление антипиренов позволяет обрабатывать негорючие пластики. Они имеют широкий спектр применения, и в этом разделе основное внимание уделяется материалам подложек на основе полимеров, включая бетон, сборные элементы и упрочняющие соединители [6–9].

2.1. Полимербетон

Полимербетон – относительно новый высококачественный материал. По сравнению с цементным бетоном, он имеет множество преимуществ, таких как хорошая механическая прочность, короткий период отверждения, высокая адгезия, износостойкость, атмосферостойкость, водонепроницаемость и высокие изоляционные характеристики [10–14]. Благодаря этим свойствам полимербетон находит широкое применение в строительстве по сравнению с обычным цементным бетоном, например, сборные стены; гидротехнические сооружения, включая дамбы, резервуары и опоры; дорожные покрытия и настилы; и подземные сооружения [15–17].В полимербетоне могут использоваться многие типы полимеров, включая полиэфир, фуран, винил, каучук, фенол, эпоксидные и акриловые смолы [18–20].

Полиэфирно-полимерный бетон (ППБ) широко используется в строительстве благодаря своим преимуществам быстрого схватывания и затвердевания, высокой механической прочности, низкой проницаемости и хорошей химической стойкости [21–25]. Seco et al. [26] подготовили строительные изделия из ППК и охарактеризовали их долговечность, основанную на повреждениях и потерях механической прочности после замораживания и оттаивания.Результаты показали, что после 25 циклов замораживания с последующим оттаиванием в воде в соответствии с европейским стандартом EN 14617-5 у строительных изделий из PPC не было повреждений.

Полимербетон на основе эпоксидной смолы с хорошей прочностью имеет отличные свойства, но его стоимость очень высока, что ограничивает его широкое применение [27, 28]. По сравнению с эпоксидной смолой, эпокси-уретанакрил [29, 30] на 100% реакционноспособен и не требует испарения растворителя или специального оборудования для восстановления растворителя, и, таким образом, загрязнение окружающей среды и воздействие на рабочих сводятся к минимуму.Кроме того, он даже обладает некоторыми улучшенными свойствами, такими как износостойкость, гибкость, эластичность, адсорбционная способность к ударам и устойчивость к окружающей среде. Agavriloaie et al. [31] разработал новый полимерный бетон на основе эпокси-уретанакрила и заполнителей и охарактеризовал его свойства посредством механических и теплофизических испытаний. Эпокси-уретанакрилбетон продемонстрировал сравнимые механические характеристики, включая прочность на сжатие, прочность на изгиб и модуль упругости, с бетоном из полиэфирной смолы.

Помимо обычных полимеров, биополимеры также использовались для приготовления полимербетона. Биополимеры – это полимеры, производимые живыми организмами, которые обычно дешевы, биоразлагаемы и возобновляемы. Эти преимущества делают их привлекательным материалом для пищевых и непищевых применений. Kulshreshtha et al. [32] приготовили новый бетон на биологической основе, смешав песок, воду и кукурузный крахмал, а затем нагрея полученную смесь (рис. 1). В присутствии воды кукурузный крахмал после нагревания образует гель, который может затвердеть и соединиться с песчинками.Прочность бетона на основе кукурузы (CoRncrete) очень чувствительна к концентрации воды и зависит от размера песка, метода нагрева и времени.


2.2. Сборные полимерные элементы

Строительная промышленность превращается в сборные конструкции или модульные конструкции, преимущества которых заключаются в быстром строительстве, высоком качестве контроля, меньшем количестве отходов и прерывании строительства [33, 34]. Чтобы осуществить это преобразование, сборное здание или элементы должны обладать высоким отношением прочности к весу, простотой применения и легкостью.Полимеры, армированные волокном (FRP), обладают всеми этими свойствами и поэтому все чаще используются в строительной промышленности. Благодаря превосходным свойствам, внедрение FRP в сборные дома выгодно как для структурных, так и для неструктурных компонентов, и они могут произвести революцию в отрасли сборных домов и обеспечить адекватное жилье для быстро растущего населения. Легкая природа FRP устраняет проблему транспортировки и подъема в сборных системах, поскольку он может производить легкие неструктурные элементы, такие как перегородки, стены заполнения, парапеты, навесные стены и фасадные системы [35–37].Эти стеклопластики также обладают способностью обеспечивать отличную атмосферостойкость, высокую долговечность, адаптируемый эстетический вид и рентабельные производственные процессы. Эти возможности увеличивают привлекательность архитекторов и дизайнеров к использованию FRP на фасадах зданий.

Типичная структура FRP показана на рисунке 2 (а) [38]. FRP использовались для замены традиционных строительных материалов (например, железобетона и дерева) в современных зданиях. FRP также обладают потенциалом для усиления существующих структурных элементов и уменьшения количества арматуры и вяжущих материалов в бетоне [39–42].В последние годы некоторые структурные (например, стены, балки, колонны и плиты) и неструктурные (например, фасады и навесные стены) элементы в зданиях были изготовлены из стеклопластика [43–45]. На рис. 2 (б) показаны некоторые примеры использования стеклопластиков для строительства фасадов новых зданий.

При использовании в конструкциях прочность FRP обеспечивает несущую способность конструкций [46, 47]. Высокое отношение прочности к весу, хорошие изоляционные свойства и отличная стойкость к электрохимической коррозии FRP делают их альтернативой традиционному стальному арматурному бетону, особенно в прибрежных районах [48, 49].Однако механические свойства стеклопластика, включая модуль упругости и прочность, снижаются с повышением температуры окружающей среды, что может привести к непригодному отклонению и потере прочности на разрыв [50–56]. Изменение прочности и модуля упругости стеклопластиков составляет от 20% до 100%, что связано с типом волокна, ориентацией, объемной долей волокон, типом смолы и наполнителей [52].

Кроме того, теплопроводность FRP обычно ниже, чем у традиционных строительных материалов (т.е.э., дерево и бетон) [57]. Тестирование Скоттом и Беком [58] показало, что теплопроводность FRP линейно изменяется от 0,77 Вт / мК до 0,85 Вт / мК. Это изменение теплопроводности зависит от типа волокна, типа смолы, объемной доли волокна, архитектуры волокна, наполнителей и т. Д. Кроме того, стеклопластики обладают способностью к пиролизу при пожаре [59]. Однако имеются ограниченные убедительные доказательства общего поведения структурных элементов FRP под огнем [60, 61]. Таким образом, антипирен – одна из важных тем исследований для применения стеклопластиков в зданиях.

Легкие стеклопластики с хорошей теплоизоляцией в неструктурных элементах (например, фасаде) уменьшают приток или потери тепла в окружающую среду. Фасад часто является ненесущим элементом и предназначен для противодействия перемещению конструкции здания. Однако фасадные системы из стеклопластика могут потенциально способствовать распространению огня по зданиям и стать наиболее критическим элементом в случае пожара, если фасадная система не спроектирована или не изучена должным образом. Другой фактор, угрожающий способности фасадной системы FRP, – это возгорание, вызванное ветром; это может снизить пожарные характеристики, так как может увеличить риски возгорания, распространения огня, воспламеняемости и выделения тепла [62].Тепловыделение фасада из стеклопластика при пожаре может быть значительным и привести к перекрытию или последующему обрушению здания [63, 64]. Действие пробоя можно предотвратить, используя огнезащитные составы, такие как органоглина в системе FRP; например, 5% органоглины в армированном стекловолокном полимере (GFRP) может помочь свести к минимуму перекрытие, а также горизонтальное распространение пламени [34].

Тепло, выделяемое композитными фасадными панелями из стеклопластика, также было изучено, и риск тепловыделения композитного фасада из стеклопластика значительно ниже, чем у традиционной полимерной фасадной системы.Исследование Nguyen et al. [35] о фасадной системе из стеклопластика показали, что тепловыделение фасадной системы из стеклопластика соответствует требованиям пожарной безопасности в соответствии со стандартом EN13501, но не отвечает требуемым требованиям безопасности в отношении дыма. Кроме того, Nguyen et al. [35] предположили, что тепловыделение и выделение дыма из стеклопластиков можно улучшить с помощью антипиренов, таких как тригидрид алюминия. Выделение дыма и токсичного газа из стеклопластика при пожаре является еще одной проблемой при использовании для внешнего фасада.В зависимости от стеклопластика и других компонентов фасада, таких как полипропиленовая вата и горючий каркас, плотный черный дым окиси углерода и других токсичных газов, таких как цианистый водород, может выделяться непосредственно в окружающую среду. Это выделение дыма может создать опасность токсичности и коррозионную среду [65, 66].

2.3. Укрепляющие элементы

Полимеры или стеклопластик также используются для усиления или ремонта каменных конструкций, особенно древних зданий. В последнее десятилетие были проведены значительные исследовательские кампании по оценке эффективности методов усиления на основе однонаправленных листов FRP, наклеенных на поверхности стен с помощью эпоксидной смолы.Этот метод позволил получить значительное увеличение прочности существующей кладки на сдвиг при незначительном увеличении массы конструкции, но возникают серьезные проблемы расслоения, которые необходимо решить с помощью механических анкеров. Gattesco et al. [67] подготовили сетку из армированного стекловолокном полимера (GFRP), нанеся термоотверждающуюся смолу на длинные стеклянные волокна и затем скрутив пропитанные смолой поперечные волокна поперек продольных проволок, чтобы сформировать сетку. Сетка из стеклопластика использовалась для усиления образцов кладки, усиленных строительным раствором, нанесенным на обе поверхности стены.Тестовые эксперименты показали, что сетка из стеклопластика обладает отличным укрепляющим эффектом.

Tomazevic et al. [68] укрепили ряд каменных стен с различными типами полимерных покрытий. Одно полимерное покрытие состоит из сетки из стеклопластика в качестве арматуры и цементного раствора, армированного фиброй, толщиной 15–20 мм в качестве матрицы. Другое полимерное покрытие состоит из полос ткани GFRP шириной 30 см в качестве армирования и эпоксидной смолы в качестве матрицы. Были проведены тестовые эксперименты, в которых полимерные покрытия были нанесены на обе стороны стен и закреплены на кирпичной кладке в углу, и не было существенной разницы в эффективности между разными типами покрытий.

Gattesco и Boem [69] продемонстрировали технику, в которой строительный раствор с заделанными сетками из стеклопластика используется на поверхности кладки для усиления. Техника создания сетки из стеклопластика (Рисунок 3) включает нанесение тонкого слоя царапин на поверхность каменной стены или свода, проделывание отверстий (диаметром 25 мм), наложение сетки из стеклопластика, вставку L-образного соединителя из стеклопластика в отверстие. , и впрыскивание тиксотропного цементного раствора. Кроме того, используется дополнительное сетчатое устройство из стеклопластика для улучшения сцепления соединителя с поверхностью раствора.Кроме того, используется раствор толщиной около 3 см.

2.4. Другое

Помимо бетона, сборных конструктивных элементов и усиливающих элементов, полимеры находят множество других применений, таких как пластиковые обои, декоративные панели, пластиковые полы, пластиковые двери и окна, оболочки трубопроводов, пластиковые пленки, герметики, трубы. , и санузлы.

Полиметилметакрилат (ПММА) – это оптически прозрачный термопласт с отличной атмосферостойкостью и устойчивостью к царапинам.В настоящее время оно широко применяется в строительной отрасли в качестве замены неорганического стекла из-за его высокой ударной вязкости, легкости и устойчивости к раздавливанию [70]. Прочность на разрыв и ударная вязкость ПММА в 7-18 раз выше, чем у обычного стекла, а его коэффициент пропускания достигает 92%, что также выше, чем у стекла. На рисунке 4 показаны некоторые типичные применения ПММА в строительстве и зданиях, включая туннели, навесы и уличные фонари [71].

Этилентетрафторэтиленовые пленки (ETFE) широко используются в некоторых экологических и эстетических зданиях, включая теплицы, стадионы и терминалы аэропортов, поскольку структуры ETFE демонстрируют выдающиеся структурные, световые, термические и энергетические характеристики по сравнению со стеклянными конструкциями [72].В 1981 году фольга ETFE была впервые использована для строительства крыш в зоопарке Бюргерса в Нидерландах. После этого пленка из ETFE привлекла к себе огромное внимание в строительстве. На рисунке 5 показаны два типичных здания с пленкой из ETFE, включая Национальный центр водных видов спорта и выставку Changzhou Flora Expo в Китае [73].

3. Полимерные покрытия

Строительные покрытия используются для нанесения на поверхность строительных изделий и формирования непрерывной пленки, чтобы защитить строительные изделия, улучшить окружающую среду и обеспечить особые функции.Их можно использовать во многих частях зданий, таких как внешние стены, внутренние стены, полы, потолки и крыши. Обычные строительные покрытия включают огнезащитные покрытия, водонепроницаемые покрытия, теплоизоляционные покрытия, самовосстанавливающиеся покрытия, стерилизационные покрытия, ледофобные покрытия и антикоррозионные покрытия.

3.1. Огнезащитные покрытия

Пожар представляет собой серьезную угрозу для людей и зданий, которые они строят. Для предотвращения воздействия на них огня было разработано много новых методов и материалов.В настоящее время все больше внимания уделяется огнестойкости конструкции зданий. Пассивная огнестойкость высотных зданий представляет собой серьезную проблему из-за использования несущих стальных конструкций и привлекает все больше внимания после обрушения Всемирного торгового центра. К традиционным пассивным огнезащитным материалам относятся бетонное покрытие, гипсокартон и покрытие на цементной основе. Эти материалы обладают плохой эстетичностью.

Огнестойкие покрытия были разработаны для предотвращения угрозы возгорания людям, которые одновременно могут обеспечить хороший внешний вид.Они могут повысить огнестойкость зданий и замедлить распространение пламени, тем самым предоставив время для тушения пожара. Обычные огнезащитные покрытия можно разделить на не вспучивающиеся и не вспучивающиеся покрытия. Неинтумесцентные покрытия обычно содержат полимерную синтетическую смолу, легированную негорючими веществами, такими как галоген, фосфор и азот, в качестве основных мембранных материалов. Вспучивающиеся покрытия обычно состоят из негорючей смолы, антипирена, углеродообразующего агента и пенообразователя.

3.1.1. Неинтумесцентные огнезащитные покрытия

Shao et al. [74] успешно подготовили эффективное огнезащитное покрытие с использованием фенольной эпоксидной смолы (PER), полифосфата аммония (APP) и функционализированного дубильной кислотой графена (TGE) и проверили его огнестойкость и теплоизоляцию, нанеся его на поверхность Плита из пенополистирола (EPS / ATG). Это огнестойкое покрытие эквивалентно экранированию плиты из пенополистирола. Огнезащитное покрытие ПЭР / АПП / ТГЭ, приготовленное в соотношении 20: 20: 0.65 демонстрируют отличную огнестойкость. Экспериментальные результаты конического калориметра показали, что пиковая скорость тепловыделения плиты из пенополистирола / ATG20 была снижена на 53,8%, а время воспламенения было в 75,7 раз больше по сравнению с пластиной из пенополистирола. Теплопроводность плиты из пенополистирола EPS / ATG20 увеличена до 0,053 Вт / мК, что на 0,048 Вт / мК выше, чем у плиты из пенополистирола. Покрытие PER / APP / TGE придает пенопласту EPS / ATG не только отличную огнестойкость, но и хорошую теплоизоляцию.

Меламиновые и меламиновые смолы представляют собой серию высокоэффективных антипиренов для полимерных строительных материалов из-за выдувания внутри вспучивающихся слоев, образования обугливания и выделения аммиака и азота. Системы вулканизированного меламина используются в теплочувствительных объектах, таких как мебель, оконные рамы и подоконники. Farag et al. [75] использовали смолы метилированного поли (меламин-соформальдегида) различного отверждения (cmPMF) в качестве огнезащитных покрытий для строительных материалов из поли (стирола) (PS) и полиэтилена (PE).

Полимерные покрытия этого типа, которые наносятся методом погружения, должны иметь толщину в несколько десятых микрона, чтобы обеспечить адекватную огнестойкость. Чтобы гарантировать адекватную адгезию между толстым покрытием и полиолефиновой матрицей, а также в случае высоких температур во время воздействия огня, плазменный полимерный слой толщиной в сотни нанометров сначала был нанесен на полимерную подложку. Тонкий плазменный полимерный слой получали плазменной полимеризацией аллилового спирта при низком давлении. Толстое покрытие меламинового форполимера и отверждающейся меламиновой смолы тонким слоем плазменного полимера в качестве усилителя адгезии привело к положительному влиянию на огнестойкость полистирола и полиэтилена.

3.1.2. Вспучивающееся огнезащитное покрытие

Вспучивающееся огнезащитное покрытие – это новый тип пассивного огнезащитного покрытия, которое обычно используется в виде пленки. Он расширяется во много раз по сравнению с исходной толщиной, образуя изолирующий углерод, который обеспечивает барьер между огнем и структурой. Он может предотвратить повышение температуры стальных деталей до критической точки и помочь сохранить целостность конструкции в случае пожара. Благодаря красоте, гибкости, быстроте использования, легкости осмотра и обслуживания вспучивающееся огнестойкое покрытие является первым выбором архитекторов и дизайнеров для пассивной противопожарной защиты несущей стальной каркасной конструкции.

Органическое вспучивающееся покрытие имеет хорошее качество отделки и может использоваться в качестве финишного покрытия на открытом воздухе. Однако иногда после воздействия огня он образует пушистый уголь, который может отпасть при высокой скорости ветра. Обычно органическое вспучивающееся покрытие основано на кислотном катализаторе, обугливателе и вспенивающем агенте в связующих на основе растворителя или воды. По сравнению со щелочно-силикатными покрытиями, такие покрытия обладают лучшей атмосферостойкостью и водостойкостью. Люди предпочитают пассивную противопожарную защиту стальных каркасов, потому что они обеспечивают отделку, которая не влияет на внешний вид открытых стальных конструкций, как это делают цементные покрытия.В настоящее время органическое вспучивающееся покрытие широко используется в современных аэропортах, небоскребах, спортивных или торговых центрах, отелях и других местах, что позволяет архитекторам использовать стальные элементы для создания и проектирования [76, 77].

Xu et al. [78] подготовили три вспучивающихся огнезащитных покрытия, таких как акриловая смола / расширяемый графит (EG), алкидная смола / EG и эпоксидная смола / EG, и протестировали их огнезащитные свойства, нанеся их на стабилизированные по форме материалы с фазовым переходом. . Результаты показали, что все три огнезащитных покрытия могут образовывать толстые пористые слои полукокса при воздействии огня и, таким образом, задерживать испарение парафина, улавливать образующиеся горючие вещества, препятствовать передаче тепла в матрицу и предотвращать диффузию кислорода.

3.2. Водонепроницаемые покрытия

Гидроизоляция – обычная и серьезная проблема для обеспечения нормального использования строительных элементов, таких как бетонные настилы мостов или крыши [79]. В этих строительных элементах наиболее широко используются ортотропные битумные мембраны, модифицированные сополимером стирол-бутадиен-стирол (СБС) и атактическим полипропиленом [80]. Обработка и свойства материала полимерно-модифицированных битумных мембран (PBM) определяют функциональность и прочность сцепления с бетоном, что напрямую влияет на срок службы зданий.Как правило, ПБМ состоят из одного или двух армирующих несущих слоев и двух полимерно-битумных герметизирующих материалов, нанесенных с двух сторон несущих слоев. Полимерно-битумный уплотнительный материал представляет собой смесь битума, минеральных наполнителей и полимеров. Почти все полимеры в полимерно-битумном герметизирующем материале модифицированы эластомером или пластомером, в котором эластомер обычно представляет собой сополимер стирола, бутадиена и стирола (SBS), а пластомер обычно представляет собой атактический полипропиленовый полимер.При использовании в настилах мостов номинальная стандартная толщина гидроизоляционного ПБМ составляет 5 мм. PBM обычно соединяется с бетонной поверхностью с помощью эпоксидной смолы в качестве связующего вещества термической сваркой с использованием пламени или горячего воздуха.

Помимо гидроизоляции бетонных настилов мостов или крыш, многие другие строительные элементы, включая стены, фасады и объекты культурного наследия, также нуждаются в гидроизоляции. Проникновение воды в эти строительные элементы серьезно снижает их долговечность. Распространенным подходом к защите этих строительных элементов является использование водонепроницаемых покрытий для предотвращения переноса воды внутрь помещений [81, 82].Кроме того, нанесение водонепроницаемых покрытий обладает многими другими свойствами, такими как устойчивость к пятнам, защита от биообрастания, слипание, защита от коррозии и самоочищение [83–85]. Наиболее эффективным и недорогим методом получения покрытий, обладающих этими свойствами, является применение полимерных материалов, изготовленных из различных мономеров, таких как акриловые, фторированные и кремниевые материалы [86, 87].

Создание гидрофобной поверхности – полезный метод для создания водонепроницаемых покрытий [88–90].Низкая поверхностная энергия и микро- или наноструктура поверхности являются ключом к гидрофобной поверхности [91–93]. В прошлом полимерная матрица, включенная или сформированная in situ с неорганическими наночастицами, в значительной степени исследовалась для создания наноструктур и создания покрытий на водной основе [94]. Добавление неорганических наночастиц может улучшить гидроизоляционные, механические, термические, электрические, оптические или адгезионные свойства полимерной матрицы, а также некоторые другие функциональные свойства [95–99].

Среди множества неорганических наночастиц, используемых в полимерных покрытиях, нанокремнезем наиболее широко исследуется для улучшения механической прочности, модуля и термической стабильности, а также для повышения водостойкости полимерных покрытий на водной основе [100–105]. Хуанг и др. [106] использовали нанокристаллы целлюлозы (CNC) в качестве каркасного материала для изготовления наноструктуры CNC / SiO 2 , подобной ожерелью (называемой стержнем CNC / SiO 2 ), путем выращивания на месте SiO 2 в качестве строительного материала. блоки супергидрофобных покрытий (рисунок 6).Стержни CNC / SiO 2 напыляли на подложки, которые были предварительно обработаны клеями, а затем после сушки получали супергидрофобные покрытия CNC / SiO 2 . Приготовленные покрытия демонстрируют чрезвычайно высокую механическую прочность в тяжелых условиях и обладают хорошей гидрофобностью.


Cao et al. [107] синтезировали частично фторированный олигоадипамид (FAD), содержащий боковые сегменты PFPE, вместе с двумя диамидами, то есть этилендиамидом (DC2) и гексаметилендиамидом (DC6), включающими сегменты перфторполиэфира (PFPE), путем реакций конденсации.Используя коммерческий фторэластомер в качестве контроля, FAD показал гораздо лучшие водоотталкивающие свойства в образцах мрамора из Кералы и аналогичный гидрофобный эффект в образцах камня из Лечче. Таким образом, этот новый олигомерный продукт имеет хороший потенциал для защиты каменного наследия.

Для защиты исторических зданий от надписей на стенах Lettieri et al. [108] разработали нанонаполненное покрытие на основе фторсодержащей смолы с наночастицами SiO 2 и нанесли два продукта с разработанными покрытиями на пористые известняковые камни для исследования их антиграффити способности.Разработанные покрытия показали высокую гидрофобность и олеофобность, что полностью соответствует требованиям, предъявляемым к антиграффити-системам.

Кроме гидрофобных покрытий, существует еще один тип покрытия, а именно покрытие на водной основе, которое может предотвращать транспортировку воды и широко используется в строительстве туннелей и подвальных помещений. Акрилат магния (CA-Mg 2 ) дробемембранные гидроизоляционные материалы представляют собой тип гидрогеля, который обычно используется в водонепроницаемых слоях. Pan et al.[109] добавили мономер CA-Mg 2 в раствор поливинилового спирта (PVA), который подвергали обработке замораживанием / оттаиванием, и получили гидрогель CA-Mg 2 / PVA с взаимопроникающей полимерной сеткой (IPN). Новый гидрогель IPN содержит сеть CA-Mg 2 , образованную координационными связями Mg 2+ , и сеть PVA, образованную водородными связями между гидроксильными группами. Затем они подготовили новый гидроизоляционный материал с дробемембранной мембраной на основе гидрогеля IPN, который может достигать напряжения разрушения 1.44 МПа и эффективность самовосстановления 80% за 3 часа.

Sbardella et al. [110] разработали новые гибридные покрытия на водной основе с использованием сополимера акрилата с наночастицами SiO 2 и охарактеризовали их с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Добавление нанокремнезема создает поверхность с наноразмерной структурой и, таким образом, увеличивает шероховатость поверхности, тем самым увеличивая угол контакта с водой и создавая поверхность с хорошим балансом между гидрофильностью и гидрофобностью.

3.3. Прочее

Помимо огнезащитных покрытий и водонепроницаемых покрытий, существует множество других функциональных покрытий, таких как теплоизоляционные покрытия [111–114], самовосстанавливающиеся покрытия [115, 116], стерилизационные покрытия [117], ледофобные покрытия. покрытия [118] и антикоррозионные [119], которые также незаменимы в строительстве.

Junior et al. [112] разработали теплоизоляционный полимерный композит с использованием термопластичного крахмала (TPS), малеатного полиэтилена (PE-g-MA) и волокна курауа.Теплоемкость или удельная теплоемкость композита пропорциональна количеству волокна курауа. Производимые композиты имеют хороший потенциал для производства теплоизоляционных покрытий для строительства.

Nejad et al. [120] подготовили самовосстанавливающееся покрытие путем пропитки электроспряденного волокна из поликапролактона матрицей из эпоксидной смолы с памятью формы путем смешивания и разделения фаз, вызванного полимеризацией. После нанесения контролируемого повреждения изучали способность покрытия к самовосстановлению.Самовосстанавливающееся покрытие показало отличное закрытие термических трещин и коррозионную стойкость. Благодаря простоте процесса гибридный метод больше подходит для крупномасштабных приложений.

Кроме того, нанесение полимерных покрытий сопровождается загрязнением летучими органическими соединениями (ЛОС). Обычные летучие органические соединения включают бензол, толуол, этилбензол и ксилол. Martinez et al. [121] разработали фотокаталитические покрытия для строительных материалов с использованием наночастиц TiO 2 , включенных в покрытие на основе полимерной матрицы.Фотокаталитическое покрытие подходит для разложения бензола, толуола, этилбензола и о-м-п-ксилолов.

4. Полимерные связующие
4.1. Вяжущие Растворы

Растворы – это серия материалов, которые фиксируют керамическую плитку на различных основаниях, в основном на бетоне. Цемент обычно является наиболее широко используемым вяжущим материалом в строительных растворах для склеивания. С развитием науки и техники о полимерах многие полимеры использовались для модификации цемента или строительного раствора с целью улучшения их свойств.Полимеры играют важную роль в снижении жесткости и придании гибкости клеевым растворам. Чем больше соотношение полимер / цемент, тем менее жестким и гибким будет клеевой раствор. Кроме того, на характеристики полимера сильно влияют температура стеклования полимера (Tg) и эмульгатор, используемый для производства коммерческого полимера. Как правило, чем ниже Tg, тем ниже модуль Юнга строительного раствора. Кроме того, добавление полимеров обеспечивает множество других свойств, таких как обрабатываемость, водоудержание, механические свойства, прочность связи, гибкость и гидрофобность [122, 123].

До сих пор микроструктура, взаимодействие полимерцементной матрицы, эволюция гидратации, процесс образования пленки и механические характеристики полимерно-модифицированных строительных смесей были широко изучены [124–126]. Например, Маранхао и Джон [127] оценили параметры четырех коммерческих модифицированных полимером строительных смесей в типичных наружных и внутренних условиях, включая гибкость раствора и прочность сцепления с керамической плиткой. Они обнаружили, что растворы имеют более высокую гибкость и прочность сцепления в помещении, чем на открытом воздухе.

Метилцеллюлоза – важный компонент клеев и широко используемый полимер для модификации строительных растворов. Pichniarczyk и Niziurska [128] провели лабораторные эксперименты по влиянию водного раствора метилцеллюлозы на физические характеристики и микроструктуру клеев для керамической плитки на основе цемента. Результаты исследования строительных растворов с добавлением метилцеллюлозы различной вязкости показаны на Фигуре 7. Результаты показали, что добавление метилцеллюлозы в строительные растворы значительно увеличивает начальную адгезию и продлевает открытое время.Кроме того, более высокая вязкость метилцеллюлозы в клеях позволяет получить меньшее скольжение по сравнению с более низкой вязкостью.

За исключением обычных полимерных связующих, биополимеры разрабатываются как альтернативные связующие для укрепления грунта. Биополимерное связующее, как самодостаточное местное строительное связующее, имеет высокий потенциал, когда использование обычного цемента ограничено. Chang et al. [129] разработали микробный биополимер и использовали его в качестве альтернативного связующего для строительства почвенных зданий.Исследования относительной прочности грунтов, смешанных с биополимерами, показали, что даже небольшое количество биополимеров, смешанных с почвой, имеет более высокую прочность на неограниченное сжатие, чем грунт, смешанный с большим количеством цемента.

4.2. Асфальтовые вяжущие

Асфальтовые вяжущие давно используются в качестве строительных материалов [130]. Мировое потребление асфальтовых вяжущих превышает 100 миллионов тонн, что связано с их применением в различных сферах [131, 132]. Развитие дорожной промышленности, такое как проектирование тяжелых мостов, повышение уровня транспортного потока, загрузка тяжелых грузовиков и экологические потребности, потребовали улучшения асфальтовых вяжущих [133–135].Чтобы адаптироваться к развитию дорожной одежды и строительства, люди используют технологии устойчивого развития и различные типы добавок и модификаторов, чтобы модифицировать асфальтовое вяжущее для улучшения его характеристик [136–141].

В последние десятилетия модификация полимера все больше и больше используется для улучшения высокотемпературных характеристик асфальтового покрытия без снижения его низкотемпературных характеристик [142]. Однако модифицированный полимером асфальт может стать нестабильным при хранении при высоких температурах в течение длительного времени, что приведет к его разрушению во время производства, транспортировки и строительства [143–146].Chen et al. [147] модифицировали асфальты стирол-бутадиен-стиролом (SBS) и исследовали влияние концентрации полимера на экономичность и производительность автомагистралей с интенсивным движением. Результаты показали, что на образование вяжущих материалов, модифицированных SBS, влияют температура хранения и содержание полимера. Формирование непрерывной взаимосвязанной сети может улучшить реологические свойства битумов, модифицированных полимерами (ПМА). Между сильно модифицированной асфальтовой смесью и обычной асфальтовой смесью наблюдаются существенные различия в сопротивлении колейности и растрескиванию.На рисунке 8 показаны результаты определения глубины колеи с различным количеством SBS.


В последние годы использование материалов на основе возобновляемых источников (RRDM) для замены и модификации асфальтовых вяжущих [148–152] также является ярким пятном. Материалы растительного и растительного происхождения были разработаны как RRDM для модификации асфальтовых вяжущих [153–157]. Многие типы RRDM, такие как биоугля, рисовая шелуха, зола плодов пальмы и соевая мука, были успешно исследованы. Тарар и др. [158] оценили влияние подсолнечной муки (SF) на реологические аспекты асфальтовых вяжущих, чтобы выяснить, можно ли использовать подсолнечную муку в качестве дорожного покрытия и строительного материала.По сравнению с немодифицированным клеем, клей, модифицированный SF, показал более высокую стабильность при более высоких температурах. Комплексный модуль упругости модифицированных SF асфальтовых вяжущих материалов линейен с фазовым углом, что доказывает стабильность SF и всех асфальтовых вяжущих. Кроме того, было улучшено сопротивление деформации сдвигу цементных материалов, модифицированных SF. Следовательно, асфальтовое вяжущее, модифицированное SF, представляет собой новый состав, который может улучшить характеристики колейности и высокотемпературные характеристики асфальтовых вяжущих.

5. Резюме

Строительные материалы на основе полимеров в последние годы широко используются в строительстве. За счет добавления функциональных добавок в эти полимеры или добавления этих полимеров в традиционные строительные материалы, такие как бетон и строительные растворы, строительные материалы на основе полимеров имеют большие преимущества по сравнению с обычными строительными материалами. В этой статье представлены три класса применения строительных материалов на основе полимеров: основы, покрытия и связующие, а также тщательно демонстрируются их недавние признаки прогресса в приготовлении и применении.

Добавление полимеров позволяет бетону получить хорошую механическую прочность, короткую продолжительность отверждения, хорошие адгезионные свойства, устойчивость к истиранию и атмосферным воздействиям, водонепроницаемость и отличные изоляционные свойства. Внедрение стеклопластиков в сборные дома выгодно как для структурных, так и для неструктурных компонентов, и они могут произвести революцию в отрасли сборного строительства и обеспечить адекватное жилье для быстро растущего населения. За исключением бетона и сборных элементов в области оснований зданий, материалы на основе полимеров также могут использоваться для укрепления стен или украшения внешнего вида стен.

Строительные покрытия на основе полимеров широко используются для защиты строительных изделий, улучшения внешнего вида и обеспечения специальных функций, таких как огнезащитные покрытия, водонепроницаемые покрытия, теплоизоляционные покрытия, самовосстанавливающиеся покрытия, стерилизационные покрытия, ледофобные покрытия. , и антикоррозионные покрытия. Кроме того, применение полимерных связующих эффективно улучшит адгезионные свойства строительного раствора или цемента. В некоторых регионах полимерные вяжущие могут даже полностью заменить цемент с уменьшением производительности подстилки.Таким образом, строительные материалы на основе полимеров будут находить все более широкое применение в строительстве.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Все авторы внесли свой вклад в написание рукописи.

Благодарности

Эта работа поддержана Научно-исследовательским проектом Департамента образования провинции Чжэцзян (Y201941709) (J.С.).

Советы по выбору правильного полимерного материала для вашего приложения

Автор: CGR Products, | Комментарии к записи Советы по выбору правильного полимерного материала для вашего приложения отключены

Выбор подходящего полимерного материала для вашего приложения является критическим аспектом процесса разработки продукта.

Обеспечение надлежащего уплотнения прокладками означает, что ваш продукт будет правильно работать в приложениях ваших клиентов и не будет стоить их бизнесу денег из-за простоев и неисправностей.

Определение рабочих температур для ваших приложений позволяет вам выбрать полимерный материал, который будет выдерживать как нормальную рабочую температуру, так и максимальную температуру, которая требуется для вашего приложения. Способность противостоять жаре или холоду предотвращает повреждение материала в течение нормальной жизни вашего оборудования.

Точно так же стоимость также является проблемой. Использование очень дорогого материала, когда в этом нет необходимости, может означать проблемы для прибыли. С другой стороны, использование недорогого материала, который не выдерживает суровых условий эксплуатации, может означать большие потери при ремонте, чем было сэкономлено при использовании более дешевого материала.

Силикон

Силикон – широко используемый материал по ряду причин. Свойства материала включают:

  • Устойчивость к экстремальным температурам с приблизительным диапазоном от -150 ° F до + 500 ° F
  • Устойчивость к ультрафиолетовому излучению
  • Озоностойкость
  • Устойчивость к механической усталости
  • Отличная устойчивость к ползучести и остаточная деформация при сжатии

Хотя силикон является одним из более дорогих материалов, он компенсируется его термостойкостью и другими свойствами, которые делают его отличным выбором для различных применений.При несколько более высокой стоимости производители могут быть уверены, что материал прослужит дольше и будет более устойчивым к перепадам температур и другим факторам, которые могут присутствовать при применении.

Бутадиен-стирольный каучук (SBR)

SBR – это материал с самой низкой относительной стоимостью. Для приложений, которые не требуют такого прочного материала, как большинство других, SBR может быть выбором для вашего приложения. Вот некоторые из его свойств:

  • Температурная стойкость от -65 ° F до + 180 ° F
  • Отличная стойкость к истиранию
  • Твердая адгезия к твердым металлам
  • Превосходная ударопрочность

Хотя каучук SBR имеет низкую стоимость, его химическая стойкость низкая.Инженеры должны внимательно следить за тем, какие химические вещества присутствуют в предполагаемом применении, и решить, является ли SBR подходящим материалом для работы.

Фторсиликон

Относительно самым дорогим материалом, используемым в приложениях, является фторсиликон. Хотя он не обеспечивает такого диапазона температурной устойчивости, как другие материалы, он обладает отличной устойчивостью к топливу и обычно используется в аэрокосмических приложениях для топливных или смазочных систем. Вот некоторые из его свойств:

  • Термостойкость от -85 ° F до + 350 ° F
  • Устойчивость к топливу, маслу и растворителям
  • Хорошая деформация сжатия и упругость
  • Подходит для воздействия воздуха, озона, солнечного света, хлорированные и ароматические углеводороды

Существует множество других полимерных материалов, доступных для использования в различных областях, и CGR Product может помочь вам выбрать материал, который наилучшим образом соответствует вашим потребностям.Посетите нашу страницу материалов , чтобы увидеть полный набор доступных материалов. Мы также предлагаем справочники с информацией о стоимости и температуре для некоторых из наиболее часто используемых полимеров.

Какими бы ни были потребности вашего приложения, свяжитесь с CGR сегодня и позвольте нам показать вам, как мы можем вам помочь.


Теги: полимерные материалы, свойства полимеров, Полимеры

TweetFollow @cgrproducts

Новый ионно-жидкий полимерный материал с высокой связывающей способностью для белков

В этом исследовании новый макропористый полимерный материал с превосходной адсорбционной способностью для белков был синтезирован в водной среде с использованием ионного жидкого полимерного мономера, 1-винил-3-бутилимидазолия хлорида (ViBuIm + Cl ).Впервые ионная жидкость была выбрана в качестве функционального мономера для приготовления полимерного материала для адсорбции белка. Приготовленный ионный жидкий материал проявлял сильную связывающую способность для многих видов белков, особенно для лизоцима с максимальной связывающей способностью 755,1 мг / г -1 в оптимальных условиях адсорбции. Ионный жидкий мономер играет важную роль в способности материала адсорбировать белок. Кроме того, свойство распознавания ионно-жидкого полимерного материала можно легко настроить, изменив анионы ионной жидкости.Морфология, структура, состав и термические свойства материала ионной жидкости были дополнительно охарактеризованы с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FT-IR), дифференциального сканирующего калориметра (DSC) и термогравиметрического анализа (TGA). Легкое приготовление ионно-жидкого полимерного материала, а также высокая способность адсорбировать белки делают этот материал привлекательным и широко применимым в биомакромолекулярном разделении, биотехнологии, анализах и сенсорах.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *