Коллектив исследователей, включая специалистов Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, определил, как молекулярная "правильность" полипропилена и методы его обработки определяют механические качества готового продукта. Эти открытия позволяют задавать материалу необходимые характеристики уже на этапе синтеза, от гибкости до твердости.
Помягче или пожёстче?
Полипропилен, часто именуемый "королём пластмасс", применяется повсеместно. По объемам выпуска среди полимеров его превосходит лишь полиэтилен. Незначительное изменение молекулярной структуры позволяет создавать из полипропилена материалы с огромным диапазоном свойств, от эластичных резин до сверхпрочного пластика. Однако точная взаимосвязь между химическим строением и механическими характеристиками до сих пор оставалась неполной.
Как тактичность влияет на прочность
Полимеры представляют собой протяженные молекулярные цепи разной длины. Аморфный материал, напоминающий молекулярную "кашу", будет очень мягким. Но фрагменты цепей способны соединяться, формируя кристаллиты — упорядоченные участки, подобные кристаллам. Эти кристаллиты служат связующими узлами сети цепей. Чем их больше, тем прочнее сеть и жестче материал. Для образования связей структура молекул должна обладать определенной особенностью.
Химическая формула полипропилена это цепь звеньев пропилена. Пространственная конфигурация молекулы зависит от взаимного расположения этих звеньев. Если их метильные группы CH3 ориентированы в одну сторону, это изотактичность. Если ориентация чередуется, это синдиотактичность. Отсутствие закономерности означает атактичность. Изотактические участки эффективно связываются между собой. Следовательно, чем выше изотактичность полипропилена, тем прочнее материал. Химики могут синтезировать полипропилен с заданной степенью изотактичности. Целью исследования было установить точную связь между изотактичностью и механическими свойствами.
Установленный закон природы
Степень изотактичности измеряется процентным содержанием пентад — изотактических участков из пяти звеньев. Ученые исследовали полипропилен с различной изотактичностью: 25, 29, 50, 72, 78, 82 и более 95%. Из него изготовили тонкие пленки толщиной 0,5-0,7 мм двумя методами: резким охлаждением расплава холодной водой и медленным остыванием со скоростью 3 градуса в минуту. Полипропиленовые пленки растягивали со скоростью 10 мм/мин на испытательной машине. По результатам механических тестов для каждого образца построили кривые деформации. Поведение при деформации зависело от изотактичности и истории обработки. Закономерность отразили через зависимость модуля упругости от степени кристалличности. Чем выше модуль упругости, тем жестче материал. Степень кристалличности это соотношение кристаллитов к аморфной фазе. Также ученые выявили различия в форме кристаллитов у закаленных и медленно охлажденных образцов.
Перспективы применения
Многие стремятся улучшать свойства полипропилена, учитывая его огромное промышленное значение и масштабы производства. Небольшая корректировка структуры цепи или исходных условий позволяет получить материал с требуемыми характеристиками. Во время синтеза можно задать молекулярную структуру, что определяет свойства формируемой сетки, а следовательно, и свойства самого материала. Это ключевой вывод исследования. В настоящее время аналогичная работа ведется с другим широко распространенным полимером полиэтиленом.
Источник: scientificrussia.ru