Många plastleksaker är gjorda av polypropen. Kredit:MIPT
Ett team av forskare vid Institutet för syntetiska polymermaterial vid den ryska vetenskapsakademin, MIPT och på andra håll har bestämt hur regelbundenhet hos polypropenmolekyler och termisk behandling påverkar de mekaniska egenskaperna hos slutprodukten. Deras nya insikter gör det möjligt att syntetisera ett material med förutbestämda egenskaper som elasticitet eller hårdhet. Uppsatsen som beskriver studien publicerades i Polymer .
När det gäller produktionsvolym, polypropen det är näst efter polyeten. Genom att justera dess molekylära struktur, polypropen kan användas för att tillverka material med ett brett utbud av funktioner, från elastiska band till slagkraftig plast. Dock, förhållandet mellan polymerens kemiska struktur och dess mekaniska egenskaper är inte helt klarlagt.
Det som gör egenskaperna hos polymermaterial så varierande är deras makeup. En polymermolekyl är en lång kedja av upprepade enheter med olika längd. Om dessa molekyler blandas ihop mer eller mindre slumpmässigt i ett material, det sägs vara amorft. Sådana polymerer är mjuka. I andra material, polymerkedjorna bildar sammankopplingar som kallas tvärbindningar. Detta ger upphov till regioner med mycket regelbunden atomstruktur (fig. 1), liknande den för kristaller, därav namnet kristalliter. De håller ihop hela molekylära nätverket, och ju fler kristalliter det finns i ett material, desto svårare är det. För att bilda tvärbindningar, molekylkedjor måste ha en viss strukturell regelbundenhet som kallas isotakticitet.
Fig. 1. Polymerkedjor med kristalliterna inringade. Kredit:MIPT
En polypropenkedja består av en ryggrad av kolatomer med fästa väteatomer. Varannan kolatom i kedjan har en metylgrupp kopplad till sig. Två intilliggande kolatomer i kedjan med väteatomerna och metylgruppen bunden till dem utgör en upprepande enhet som kallas propen, eller propen. Den rumsliga konfigurationen av makromolekylen – polymerkedjan – bestäms av den inbördes orienteringen av metylgrupperna i kedjan (fig. 2):Om de alla är på ena sidan, molekylen sägs vara isotaktisk. Om de växlar mellan att vara vända åt det ena hållet, arrangemanget är känt som syndiotaktisk. Frånvaron av något konsekvent mönster kallas atakticitet. Isotaktiska kedjesegment är mycket effektiva för att bilda tvärbindningar. Därför, en högre grad av polypropenisotakticitet resulterar i ett starkare material. Kemister kan syntetisera polypropen med förutbestämd isotakticitet. Författarna bestämde sig för att fastställa det exakta förhållandet mellan materialets mekaniska egenskaper och isotakticitet.
Pentad. Den relativa förekomsten av pentads - isotaktiska fem-enhetssegment i en polymerkedja - är ett bra mått på polymerens totala isotakticitet. Kredit:MIPT
Vad gör den stark
Graden av isotakticitet hos en polymer uttrycks i termer av innehållet av pentads i den. En pentad är ett perfekt isotaktisk molekylsegment som är fem upprepade enheter långt. Forskarna undersökte polypropener som kännetecknas av olika grader av isotakticitet:specifikt, 25, 29, 50, 72, 78, 82, och över 95 procent. Prover av varje typ av polypropen erhölls i form av filmer, 0,5-0,7 millimeter tjock, använda två distinkta tekniker:nämligen släckning av det smälta materialet i isvatten och kylning av det med en hastighet av 3 grader per minut. Filmerna utsattes sedan för sträckning med 10 millimeter per minut på en testmaskin.
Elasticitetsmodulens E beroende av kristallinitet:Q- och S-etikettsläckta och långsamt kylda prover, M och ZN motsvarar olika katalysatorer, och siffrorna från 25 till 95 indikerar procentandelen av provets isotakticitet. Kredit:MIPT
Med hjälp av resultaten från mekaniska tester, författarna ritade en spännings-töjningskurva för vart och ett av proverna. De fann att beteendet hos proverna under påfrestning var relaterat till deras isotakticitet och termiska förhistoria - det vill säga, om de kyldes långsamt eller snabbt. Forskarna skildrade detta förhållande som ett beroende av elasticitetsmodulen på graden av kristallinitet (fig. 4). Högre elasticitetsmoduler motsvarar tuffare material. Graden av kristallinitet är procentandelen av kristalliterna - i motsats till amorfa regioner - i materialets volym. Teamet visade också att kristalliterna i släckta och långsamt kylda prover skilde sig åt i sin form.
De tre molekylära konfigurationerna -- isotaktiska, syndiotaktisk, och ataktisk -- skiljer sig genom den inbördes orienteringen av metylgruppen (orange) och väte (grön). Kredit:MIPT
"Många människor gör försök att förbättra egenskaperna hos polypropen, eftersom avkastningen på de nedlagda insatserna är stor. Den produceras av miljontals ton, och man behöver bara justera kedjestrukturen eller beredningsförhållandena något för att erhålla ett material med önskade egenskaper, " säger författaren Maxim Shcherbina, som undervisar vid MIPT och är en ledande forskare vid Laboratory of Functional Polymer Structures vid Institute of Synthetic Polymeric Materials, RAS. "Under syntesen, du bestämmer strukturen på molekylen. Men när du gör det, du bestämmer också nätverkets egenskaper och därmed materialets egenskaper. Detta är den viktigaste slutsatsen vi drar i tidningen. Just nu, vi gör liknande saker med polyeten - en annan ganska populär polymer."