Каков механизм пластификатора в полимерах

Полимеры в их родном состоянии часто обладают жестким, а иногда и хрупким характером, который может ограничить их полезность в различных приложениях. Преодолеть эти ограничения и придать желаемой гибкости, обработчивости и долговечности, пластификаторы включены в их составы. Эти добавки, обычно органические соединения с низкой солатильностью, в корне изменяют физические свойства полимера, модифицируя его внутреннюю структуру и межмолекулярные силы. Понимание сложного механизма, с помощью которого пластификаторы достигают этих изменений, имеет решающее значение для рационального проектирования и применения полимерных материалов.

Понимание жесткости полимера

Прежде чем углубляться в роль пластификаторов, важно понять источники жесткости в непластифицированных полимерах. Полимеры состоят из длинных молекулярных цепей, и их свойства в значительной степени определяются взаимодействиями между этими цепями. В жестких полимерах, сильные межмолекулярные силы Такие, как силы Ван-дер-Ваальса, водородная связь или диполь-дипольные взаимодействия создают высокообеспетную сеть. Это ограничивает сегментарное движение Из полимерных цепей означает, что отдельные части цепочек не могут свободно проходить друг на друга. Эта ограниченная мобильность переводится на высокую Температура стекла (TG) , критическая температура, ниже которой полимер ведет себя как жесткое, стеклянное твердое вещество.

Роль пластификаторов: молекулярная смазка

Пластилизаторы функционируют в основном как «внутренние смазочные материалы» или «проставки» в полимерной матрице. Когда пластификатор смешивается с полимером, его молекулы интеркалируются между полимерными цепями. Эта вставка имеет несколько ключевых последствий:

1. Снижение межмолекулярных сил

Наиболее значительным эффектом пластификаторов является затухание сил притяжения между полимерными цепями. Молекулы пластификатора, будучи меньше и часто более полярными, чем полимерные сегменты, эффективно скринируют или разбавляют сильные полимер-полимерные взаимодействия. Внедряя новые, более слабые взаимодействия с полимером пластификатора (или просто отделение полимерных цепей), общая плотность энергии сплоченной энергии уменьшается.

2. Увеличение бесплатного объема

Интеркалирование молекул пластификатора также приводит к Увеличение бесплатного объема внутри полимерной матрицы. Бесплатный объем относится к пустому пространству между полимерными цепями, которое не занимается самими молекулами полимера. Когда молекулы пластификатора вставляют себя, они толкают полимерные цепи дальше друг от друга. Это повышенное пустое пространство позволяет обеспечить большую сегментарную подвижность полимерных цепей.

3. Усиление сегментарного движения

С уменьшенными межмолекулярными силами и увеличением свободного объема, подвижность полимерных сегментов значительно увеличивается Полем Полимерные цепи теперь могут легче скользить и вращаться мимо друг друга. Это усиление движения цепи проявляется как повышенная гибкость, эластичность и снижение модуля полимера (жесткость).

4. Понижение температуры перехода стекла (TG)

Прямой следствие увеличения сегментарного движения - это депрессия температуры стеклянного перехода (TG) Полем Поскольку пластификаторы позволяют полимерным цепям более свободно перемещаться при более низких температурах, переход от жесткого стеклянного состояния в более гибкое резиновое состояние происходит при более низкой температуре. Это является критическим эффектом для обработки, так как это позволяет сформировать и сформировать полимеры при более управляемых температурах.

Механизмы действия пластификатора: теории и перспективы

Несколько теорий пытаются объяснить сложный механизм действия пластификатора:

• Теория смазки: Эта классическая теория постулирует, что молекулы пластификатора действуют как внутренние смазочные материалы, уменьшая трение между полимерными цепями, когда они проскользнувают мимо друг друга. Это аналогично смазывающим масляным механическим деталям.

• Теория геля: Эта теория предполагает, что пластификаторы нарушают упорядоченные, кристаллические или псевдокристаллические области (гели) в полимере, что позволяет повысить подвижность цепи.

• Теория бесплатного тома: Это, пожалуй, самая широко принятая теория. Это утверждает, что пластификаторы увеличивают свободный объем внутри полимера, обеспечивая больше места для сегментарного движения и, таким образом, снижая TG.

• Теория скрининга (или теория сольвации): Эта теория подчеркивает способность молекул пластификатора «скринировать» или инкапсулировать полярные группы на полимерных цепях, тем самым уменьшая сильные полимер-полимерные дипольные взаимодействия и позволяя цепи разделяться.

Важно отметить, что эти теории не являются взаимоисключающими и часто дополняют друг друга, обеспечивая полное понимание действия пластификатора.

Факторы, влияющие на эффективность пластификатора

На эффективность пластификатора влияет несколько факторов, в том числе:

• Совместимость: Пластификатор должен быть совместим с полимером, что означает, что он может образовывать стабильную, однородную смесь без разделения фазы. Это часто зависит от сходства их параметров растворимости.

• Молекулярный размер и форма: Меньшие, более мобильные молекулы пластификатора, как правило, обеспечивают большую эффективность пластификации.

• Полярность: Полярность пластификатора должна быть подходящей для эффективного взаимодействия с полимером, при этом не настолько сильная, чтобы вызвать выщелачивание или экссудацию.

• Концентрация: Существует оптимальная концентрация пластификатора. Слишком мало будет иметь минимальный эффект, в то время как слишком много может привести к экссудации, снижению механической прочности и другим нежелательным свойствам.

Заключение

По сути, пластификаторы принципиально трансформируют макроскопические свойства полимеров, тонко изменяя их микроскопическую архитектуру. Выступая в качестве молекулярных проставок и смазков, они разрушают сильные межмолекулярные силы, увеличивают свободный объем и повышают сегментарную подвижность, в конечном итоге снижая температуру стекла и передача гибкости и обработки. Разумный отбор и включение пластификаторов необходимы для адаптации полимерных материалов для удовлетворения разнообразных требований современного инженерного и потребительского применения.