Töjningsinducerad kristallisation kan stärka, sega och underlätta en elastokalorisk effekt i elastomerer. Den resulterande kristalliniteten kan induceras genom mekanisk sträckning i vanliga elastomerer som vanligtvis är under 20 %, med en töjbarhetsplatå.
I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Chase M. Hartquist och ett team av forskare inom maskinteknik och materialvetenskap vid MIT och Duke University i USA använde en klass av elastomerer bildade genom ändlänkning för att uppnå en procentandel av töjningsinducerad kristallinitet.
Den avsvällda och ändkopplade stjärnelastomeren förkortad DELSE nådde en ultrahög töjbarhet att skala, bortom den mättade gränsen för vanliga elastomerer, för att främja en hög elastokalorisk effekt med en adiabatisk temperaturförändring.
Processen med töjningsinducerad kristallisation är vanlig i elastomerer och geler där amorfa polymerkedjor kan omvandlas till mycket orienterade och inriktade domäner på grund av en applicerad mekanisk påkänning. Eftersom de orienterade och inriktade kristallina domänerna kan motstå sprickförlängning och avtrubbning för att underlätta sprickavböjning, bevarade processen med töjningsinducerad kristallisering nätverkets integritet, samtidigt som den uppnådde nästan 100 % återhämtning på några sekunder.
Metoden spelar en nyckelroll i en mängd olika tillämpningar, inklusive elastokalorisk kylning och töjningsbaserad aktivering.
Den typiska processen för töjningsinducerad kristallinitet i vanliga elastomerer är under 20 %, medan naturgummi endast uppnår cirka 15 % kristallinitet när den sträcks till sex gånger sin ursprungliga längd vid rumstemperatur. I detta nya arbete beskrev Hartquist och ett team av forskare en klass av avsvällda, ändlänkade stjärnelastomerer för att uppnå upp till 50 % töjningsinducerad kristallinitet. Forskarna tillskriver den ultrahöga töjningsinducerade kristallisationen en enhetlig nätverksstruktur och en hög töjbarhet för att erhålla de förväntade resultaten.
För att studera elastomerens ytterligare egenskaper använde teamet röntgenanalys för att visa hur strukturen och töjningsinducerad avsvälld och ändkopplad stjärnelastomer främjade kristallinitet jämfört med vanliga elastomerer. Forskargruppen analyserade vidare den bildade kristallstrukturen med hjälp av detaljerad röntgenanalys, där de avsvällda och ändkopplade stjärnelastomererna visade en diffraktionsfläck för att markera bildandet av poly(etylendioxid)kristaller i en spiralformad struktur. Denna elastomer främjade högre töjningsinducerad kristallinitet, jämfört med vanliga elastomerer.
Forskargruppen genomförde mekanisk karakterisering vid 60°C för att undersöka ultrahög töjningsinducerad kristallisation i avsvällda ändlänkade elastomerer, vilket effektivt främjade hög seghet, med hysteres med låg spänningssträckning. Hartquist och teamet förstärkte de mjukaste materialen genom att introducera reversibla bindningar för att inducera stor stress-stretch-hysteres.
Forskarna studerade vidare elastomerernas töjbarhet för att visa hur materialen sträckte sig bortom gränserna för intrasslade nätverk för bredare tillämpningar. De studerade sedan potentialen att använda ett kalorimaterial för kylning i fast tillstånd genom att undersöka den elastokaloriska effekten i avsvällda ändkopplade stjärnelastomerer och jämförde resultaten med konventionella elastomerer.
Forskarna undersökte potentialen att använda ett kalorimaterial för kylning i fast tillstånd genom att studera elastokaloriska effekter i avsvällda ändkopplade stjärnelastomerer jämfört med naturgummi. En idealisk elastokalorisk kylcykel kan utnyttja minskningen av entropins konformation för att öka termisk entropi och värma upp bulkmaterialet.
I elastomerer med töjningsinducerad kristallisation bidrog ytterligare latent värme till kristallitbildning för att öka effekten. Materialets ökade sträckbarhet och enhetliga kedjelängdsfördelning ökade den teoretiska elastokaloriska effekten, jämfört med konventionella elastomerer. Sådana elastomerer utgjorde starka kandidater med lämplighet för avancerad kylteknik i fast tillstånd.
Outlook
På detta sätt jämförde materialforskarna Chase M. Hartquist och kollegor den avsvällda och ändkopplade stjärnelastomeren med naturgummi för att visa deras ökade stabilitet, olika polymerkemi och välformade struktur som kombinatoriskt ökade töjningsinducerad kristallisation och elastokalorisk effekt i elastomera material. Jämförelsen mellan materialen avslöjade deras töjbarhet och kemi, såväl som betydelsen av den relativt homogena strukturen.
Sedan den tidiga upptäckten av gummibandet av J.R. Katz 1924 på grund av töjningsinducerad kristallisering, har detta biomaterial spelat en betydande roll i samhället från hushållsartiklar till bildäck. I den här rapporten beskrev teamet nästa generations elastomerer som utvecklats med djupgående töjningsinducerad kristallisation som översteg dimensionerna för naturgummi och andra vanliga material.
De utvecklade materialen visade förmågan att överträffa konventionella motsvarigheter, vilket tyder på förmågan att konstruera mjuka material genom att reglera deras nätverksarkitektur. Dessa material spelar en avgörande roll för att konstruera futuristiska rymdstrukturer, medicinsk utrustning och för tillämpningar av elastokalorisk kylning.
Mer information: Chase M. Hartquist et al, En elastomer med ultrahög töjningsinducerad kristallisation, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0411
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
