Koji je mehanizam plastifikatora u polimerima

Polimeri, u rodnom stanju, često posjeduju krut i ponekad krhki karakter koji može ograničiti njihovu korisnost u različitim primjenama. Prevladati ta ograničenja i prenijeti željenu fleksibilnost, obradu i trajnost, plastifikatori su ugrađene u njihove formulacije. Ovi aditivi, obično niska volatilnost organskih spojeva, u osnovi mijenjaju fizička svojstva polimera modificirajući njegovu unutarnju strukturu i intermolekularne sile. Razumijevanje zamršenog mehanizma pomoću kojeg plastifikatori postižu ove promjene ključno je za racionalni dizajn i primjenu polimernih materijala.

Razumijevanje polimerne krutosti

Prije nego što uđete u ulogu plastifikatora, važno je shvatiti izvore krutosti u neplastificiranim polimerima. Polimeri se sastoje od dugih molekularnih lanaca, a njihova su svojstva u velikoj mjeri određena interakcijama između ovih lanaca. U krutim polimerima jak intermolekularne sile Kao što su Van der Waalsove sile, vezanje vodika ili interakcije dipola-dipola stvaraju visoko kohezivnu mrežu. To ograničava segmentalno kretanje od polimernih lanaca, što znači da se pojedinačni dijelovi lanaca ne mogu slobodno kretati jedan pokraj drugog. Ova ograničena mobilnost prijevoda na visoku Temperatura stakla (TG) , kritična temperatura ispod koje se polimer ponaša poput krute, staklene krute tvari.

Uloga plastifikatora: molekularno mazivo

Plastifikatori funkcioniraju prvenstveno kao "unutarnja maziva" ili "razmaknici" unutar polimerne matrice. Kad se plastifikator pomiješa s polimerom, njegove se molekule interkaliziraju između polimernih lanaca. Ovo umetanje ima nekoliko ključnih posljedica:

1. Smanjenje intermolekularnih sila

Najznačajniji učinak plastifikatora je prigušivanje atraktivnih sila između polimernih lanaca. Molekule plastifikatora, koje su manje i često polarnije od polimernih segmenata, učinkovito prikazuju ili razrjeđuju snažne interakcije polimer-polimera. Uvođenjem novih, slabijih interakcija plastifikatora-polimera (ili jednostavno razdvajanja polimernih lanaca), smanjuje se ukupna gustoća kohezivne energije u sustavu.

2. Povećavanje slobodnog volumena

Interkaliranje molekula plastifikatora također dovodi do Povećanje slobodnog volumena Unutar polimerne matrice. Slobodni volumen odnosi se na prazan prostor između polimernih lanaca koji ne zauzimaju same polimerne molekule. Kako se molekule plastifikatora ubacuju, oni guraju polimerne lance dalje. Ovaj povećani praznini omogućava veću segmentalnu pokretljivost polimernih lanaca.

3. Poboljšanje segmentalnog gibanja

Sa smanjenim intermolekularnim silama i povećanim slobodnim volumenom, pokretljivost polimernih segmenata značajno se povećava . Polimerni lanci sada se mogu lakše kliznuti i okretati jedan pokraj drugog. Ovaj poboljšani pokret lanca očituje se kao povećana fleksibilnost, elastičnost i smanjenje modula polimera (krutost).

4. Spuštanje temperature stakla (TG)

Izravna posljedica povećanog segmentalnog gibanja je a Depresija temperature stakla (TG) . Budući da plastifikatori omogućuju da se polimerni lanci slobodnije kreću na nižim temperaturama, prijelaz iz krutog staklenog stanja u fleksibilnije gumeno stanje javlja se na nižoj temperaturi. To je kritični učinak za obradu, jer omogućava oblikovanje i formiranje polimera na upravljivijim temperaturama.

Mehanizmi djelovanja plastifikatora: Teorije i perspektive

Nekoliko teorija pokušava objasniti zamršeni mehanizam djelovanja plastifikatora:

• Teorija podmazivanja: Ova klasična teorija postulira da molekule plastifikatora djeluju kao unutarnja maziva, smanjujući trenje između polimernih lanaca dok se kliznu jedan pored drugog. To je analogno mehaničkim dijelovima podmazivanja ulja.

• Teorija gela: Ova teorija sugerira da plastifikatori narušavaju uređene, kristalne ili pseudokristalne regije (gelovi) unutar polimera, omogućujući tako veću pokretljivost lanca.

• Teorija besplatne glasnoće: Ovo je možda najprihvaćenija teorija. To postavlja da plastifikatori povećavaju slobodni volumen unutar polimera, pružajući više prostora za segmentalno gibanje i na taj način snižavajući TG.

• Teorija pregleda (ili teorija solvacije): Ova teorija naglašava sposobnost molekula plastifikatora da "prikaže" ili kapsuliraju polarne skupine na polimernim lancima, smanjujući na taj način snažne interakcije polimer-polimernog dipola i omogućavajući da se lanci odvoje.

Važno je napomenuti da se te teorije međusobno ne isključuju i često se međusobno nadopunjuju, pružajući sveobuhvatno razumijevanje akcije plastifikatora.

Čimbenici koji utječu na učinkovitost plastifikatora

Na učinkovitost plastifikatora utječe nekoliko čimbenika, uključujući:

• Kompatibilnost: Plastifikator mora biti kompatibilan s polimerom, što znači da može formirati stabilnu, homogenu mješavinu bez odvajanja faze. To često ovisi o sličnosti njihovih parametara topljivosti.

• Molekularna veličina i oblik: Manje, više molekule mobilnih plastifikatora općenito pružaju veću učinkovitost plastike.

• Polaritet: Polaritet plastifikatora trebao bi biti prikladan za učinkovito djelovanje s polimerom, a da pritom nije toliko jak da uzrokuje ispiranje ili eksudaciju.

• Koncentracija: Postoji optimalna koncentracija plastifikatora. Premalo će imati minimalan učinak, dok previše može dovesti do eksudacije, smanjene mehaničke čvrstoće i drugih nepoželjnih svojstava.

Zaključak

U osnovi, plastifikatori u osnovi transformiraju makroskopska svojstva polimera suptilno mijenjajući njihovu mikroskopsku arhitekturu. Djelujući kao molekularni razmaknici i maziva, oni narušavaju snažne intermolekularne sile, povećavaju slobodni volumen i povećavaju segmentalnu pokretljivost, na kraju snižavajući temperaturu stakla i prenoseći fleksibilnost i obradu. Razumna selekcija i ugradnja plastifikatora neophodni su za krojenje polimernih materijala kako bi se ispunili različiti zahtjevi modernog inženjerstva i potrošačkih aplikacija.