Cơ chế của chất dẻo trong polyme là gì

Các polyme, ở trạng thái bản địa của chúng, thường có một đặc tính cứng nhắc và đôi khi giòn có thể hạn chế tiện ích của chúng trong các ứng dụng khác nhau. Để khắc phục những hạn chế này và truyền đạt sự linh hoạt, khả năng xử lý và độ bền mong muốn, chất hóa dẻo được kết hợp vào các công thức của họ. Các chất phụ gia này, điển hình là các hợp chất hữu cơ biến động thấp, về cơ bản thay đổi các tính chất vật lý của một polymer bằng cách sửa đổi cấu trúc bên trong và lực liên phân tử của nó. Hiểu được cơ chế phức tạp mà các chất dẻo đạt được những thay đổi này là rất quan trọng đối với thiết kế hợp lý và ứng dụng của vật liệu polymer.

Hiểu độ cứng polymer

Trước khi đi sâu vào vai trò của chất hóa dẻo, điều quan trọng là phải nắm bắt các nguồn độ cứng trong các polyme không thể dùng. Các polyme bao gồm các chuỗi phân tử dài và tính chất của chúng phần lớn được xác định bởi sự tương tác giữa các chuỗi này. Trong các polyme cứng nhắc, mạnh mẽ Lực lượng liên phân tử chẳng hạn như các lực Van der Waals, liên kết hydro hoặc tương tác lưỡng cực tạo ra một mạng lưới gắn kết cao. Điều này hạn chế Chuyển động phân đoạn của các chuỗi polymer, có nghĩa là các phần riêng lẻ của chuỗi không thể di chuyển tự do qua nhau. Tính di động hạn chế này chuyển thành một mức cao Nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh (TG) , một nhiệt độ quan trọng bên dưới mà polymer hoạt động như một chất rắn cứng, cứng.

Vai trò của chất dẻo: một chất bôi trơn phân tử

Các chất dẻo hoạt động chủ yếu là "chất bôi trơn bên trong" hoặc "miếng đệm" trong ma trận polymer. Khi một chất dẻo được trộn với một polymer, các phân tử của nó xen kẽ giữa các chuỗi polymer. Chèn này có một số hậu quả chính:

1. Giảm các lực lượng liên phân tử

Hiệu ứng đáng kể nhất của chất hóa dẻo là sự suy giảm của các lực lượng hấp dẫn giữa các chuỗi polymer. Các phân tử hóa dẻo, nhỏ hơn và thường phân cực hơn các phân đoạn polymer, sàng lọc hiệu quả hoặc pha loãng các tương tác polymer-polymer mạnh. Bằng cách giới thiệu các tương tác chất dẻo-polymer mới, yếu hơn (hoặc đơn giản là tách các chuỗi polymer), mật độ năng lượng kết dính tổng thể của hệ thống bị giảm.

2. Tăng khối lượng miễn phí

Sự xen kẽ của các phân tử hóa dẻo cũng dẫn đến một Tăng khối lượng miễn phí Trong ma trận polymer. Khối lượng miễn phí đề cập đến không gian trống giữa các chuỗi polymer không bị chiếm bởi các phân tử polymer. Khi các phân tử hóa dẻo tự chèn, chúng đẩy các chuỗi polymer ra xa nhau. Không gian trống tăng này cho phép di động phân đoạn lớn hơn của các chuỗi polymer.

3. Tăng cường chuyển động phân đoạn

Với các lực liên phân tử giảm và tăng thể tích tự do, Tính di động của các phân đoạn polymer tăng đáng kể . Các chuỗi polymer giờ đây có thể dễ dàng trượt và xoay qua nhau. Chuyển động chuỗi tăng cường này biểu hiện là tăng tính linh hoạt, độ đàn hồi và giảm mô đun polymer (độ cứng).

4. Hạ nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh (TG)

Hậu quả trực tiếp của chuyển động phân đoạn tăng là Trầm cảm của nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh (TG) . Khi chất dẻo cho phép các chuỗi polymer di chuyển tự do hơn ở nhiệt độ thấp hơn, sự chuyển đổi từ trạng thái thủy tinh cứng sang trạng thái cao su linh hoạt hơn xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Đây là một hiệu ứng quan trọng để xử lý, vì nó cho phép các polyme được định hình và hình thành ở nhiệt độ dễ quản lý hơn.

Cơ chế của hành động hóa dẻo: lý thuyết và quan điểm

Một số lý thuyết cố gắng giải thích cơ chế phức tạp của hành động hóa dẻo:

• Lý thuyết bôi trơn: Lý thuyết cổ điển này cho rằng các phân tử hóa dẻo hoạt động như chất bôi trơn bên trong, làm giảm ma sát giữa các chuỗi polymer khi chúng trượt qua nhau. Điều này tương tự như các bộ phận cơ học bôi trơn dầu.

• Lý thuyết gel: Lý thuyết này cho thấy rằng các chất dẻo phá vỡ các vùng được đặt hàng, tinh thể hoặc giả tinh thể (gel) trong polymer, do đó cho phép di động chuỗi lớn hơn.

• Lý thuyết khối lượng miễn phí: Đây có lẽ là lý thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất. Nó đặt ra rằng các chất dẻo làm tăng thể tích tự do trong polymer, cung cấp nhiều không gian hơn cho chuyển động phân đoạn và do đó hạ thấp TG.

• Lý thuyết sàng lọc (hoặc lý thuyết hòa tan): Lý thuyết này nhấn mạnh khả năng của các phân tử hóa dẻo để "màn hình" hoặc gói gọn các nhóm cực trên chuỗi polymer, do đó làm giảm các tương tác lưỡng cực polymer-polymer mạnh và cho phép các chuỗi tách ra.

Điều quan trọng cần lưu ý là các lý thuyết này không loại trừ lẫn nhau và thường bổ sung cho nhau, cung cấp sự hiểu biết toàn diện về hành động hóa dẻo.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hóa dẻo

Hiệu quả của chất hóa dẻo bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:

• Khả năng tương thích: Chất dẻo phải tương thích với polymer, có nghĩa là nó có thể tạo thành một hỗn hợp ổn định, đồng nhất mà không cần tách pha. Điều này thường phụ thuộc vào sự giống nhau của các tham số độ hòa tan của chúng.

• Kích thước và hình dạng phân tử: Các phân tử hóa dẻo nhỏ hơn, di động hơn thường cung cấp hiệu quả dẻo hóa lớn hơn.

• Tính phân cực: Sự phân cực của chất dẻo phải phù hợp để tương tác hiệu quả với polymer trong khi không quá mạnh đến mức gây ra sự rò rỉ hoặc thoát ra.

• Sự tập trung: Có một nồng độ hóa dẻo tối ưu. Quá ít sẽ có tác dụng tối thiểu, trong khi quá nhiều có thể dẫn đến tiết ra, giảm cường độ cơ học và các tính chất không mong muốn khác.

Phần kết luận

Về bản chất, các chất dẻo biến đổi cơ bản các tính chất vĩ mô của các polyme bằng cách thay đổi một cách tinh tế kiến ​​trúc kính hiển vi của chúng. Bằng cách đóng vai trò là miếng đệm và chất bôi trơn phân tử, chúng phá vỡ các lực liên phân tử mạnh mẽ, tăng thể tích tự do và tăng cường khả năng di chuyển phân đoạn, cuối cùng làm giảm nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh và truyền đạt tính linh hoạt và khả năng xử lý. Sự lựa chọn hợp lý và kết hợp các chất hóa dẻo là không thể thiếu để điều chỉnh các vật liệu polymer để đáp ứng các nhu cầu đa dạng của các ứng dụng kỹ thuật và người tiêu dùng hiện đại.