Jaký je mechanismus změkčovače v polymerech

Polymery ve svém rodném stavu mají často tuhý a někdy křehký charakter, který může omezit jejich užitečnost v různých aplikacích. K překonání těchto omezení a předávání požadované flexibility, zpracovatelnosti a trvanlivosti, plasticery jsou začleněny do jejich formulací. Tyto přísady, obvykle organické sloučeniny s nízkou volatilitou, zásadně mění fyzikální vlastnosti polymeru úpravou jeho vnitřní struktury a intermolekulárních sil. Porozumění složitému mechanismu, kterým plastifikátory dosahují těchto změn, je zásadní pro racionální návrh a aplikaci polymerních materiálů.

Pochopení tuhosti polymeru

Předtím, než se ponoříte do role změkčovadla, je důležité pochopit zdroje rigidity v neplastizovaných polymerech. Polymery se skládají z dlouhých molekulárních řetězců a jejich vlastnosti jsou z velké části určovány interakcemi mezi těmito řetězci. V přísných polymerech, silný Intermolekulární síly jako jsou Van der Waalsovy síly, vodíkové vazby nebo interakce dipólového dipólu vytvářejí vysoce soudržnou síť. To omezuje segmentový pohyb polymerních řetězců, což znamená, že jednotlivé části řetězců se nemohou pohybovat volně kolem sebe. Tato omezená mobilita se promítá na vysokou Teplota skleněného přechodu (TG) , kritická teplota, pod kterou se polymer chová jako tuhá, sklovitá pevná látka.

Role změkčovadel: molekulární mazivo

Faliciíry fungují především jako „vnitřní maziva“ nebo „rozpěrky“ v polymerní matrici. Když je změknut změknuté plastikátor s polymerem, jeho molekuly se interkalují mezi polymerními řetězci. Toto vložení má několik klíčových důsledků:

1. Snížení mezimolekulárních sil

Nejvýznamnější účinek plastifikátorů je útlum atraktivních sil mezi polymerními řetězci. Molekuly změkčovače, které jsou menší a často polární než polymerní segmenty, efektivně screening nebo zředí silné interakce polymer-polymeru. Zavedením nových, slabších interakcí s plastinárním polymerem (nebo jednoduše oddělováním polymerních řetězců) se sníží celková soudržná hustota energie systému.

2. Zvyšování volného objemu

Interkalace molekul změkčovače také vede k Zvýšení volného objemu uvnitř polymerní matrice. Volný objem se týká prázdného prostoru mezi polymerními řetězci, které samotné molekuly polymeru nejsou obsazeny. Když se molekuly plastifikátoru vkládají, tlačí polymerní řetězce dále od sebe. Tento zvýšený mezeru v prázdnotě umožňuje větší segmentovou mobilitu polymerních řetězců.

3. Zvyšování segmentového pohybu

Se sníženými intermolekulárními silami a zvýšeným volným objemem, Mobilita polymerních segmentů se výrazně zvyšuje . Polymerní řetězce se nyní mohou snadněji sklouznout a otáčet kolem sebe. Tento zvýšený pohyb řetězce se projevuje jako zvýšená flexibilita, elasticita a snížení modulu polymeru (tuhost).

4. Snížení teploty přechodu skla (TG)

Přímým důsledkem zvýšeného segmentového pohybu je a Deprese teploty přechodu skleněného skelení (TG) . Protože změkčovače umožňují polymerním řetězcům, aby se volně pohybovaly při nižších teplotách, dochází k přechodu z tuhého sklovitého stavu do flexibilnějšího gumového stavu při nižší teplotě. To je kritický účinek pro zpracování, protože umožňuje tvarování a vytváření polymerů při zvládnutelnějších teplotách.

Mechanismy působení změkčovače: Teorie a perspektivy

Několik teorií se pokouší vysvětlit složitý mechanismus působení změkčovače:

• Teorie mazivosti: Tato klasická teorie předpokládá, že molekuly změkčovače působí jako vnitřní maziva, což snižuje tření mezi polymerními řetězci, když se klouzají kolem druhého. To je analogické mechanické části mazání oleje.

• Gelová teorie: Tato teorie naznačuje, že změkčovače narušují uspořádané, krystalické nebo pseudokrystalické oblasti (gely) v polymeru, což umožňuje větší mobilitu řetězce.

• Teorie svazku zdarma: Toto je možná nejvíce přijímaná teorie. Předpokládá, že změkčovače zvyšují volný objem v polymeru a poskytují více prostoru pro segmentový pohyb a tak snižují TG.

• Teorie screeningu (nebo teorie solvatace): Tato teorie zdůrazňuje schopnost molekul změkčovadla „promítání“ nebo zapouzdření polárních skupin na polymerních řetězcích, čímž se snižuje silné interakce dipólu polymer-polymeru a umožňuje oddělit řetězce.

Je důležité si uvědomit, že tyto teorie se vzájemně nevylučují a často se navzájem doplňují a poskytují komplexní porozumění působení změkčovače.

Faktory ovlivňující účinnost změkčovače

Účinnost změkčovače je ovlivněna několika faktory, včetně:

• Kompatibilita: Plastovi musí být kompatibilní s polymerem, což znamená, že může tvořit stabilní homogenní směs bez separace fáze. To často závisí na podobnosti jejich parametrů rozpustnosti.

• Molekulární velikost a tvar: Menší, mobilní molekuly mobilního změkčovače obecně poskytují větší účinnost plastifikace.

• Polarita: Polarita změkčovače by měla být vhodná pro účinnou interakci s polymerem, aniž by nebylo tak silné, aby způsobilo vyluhování nebo exsudaci.

• Koncentrace: Existuje optimální koncentrace změkčovače. Příliš málo bude mít minimální účinek, zatímco příliš mnoho může vést k exsudaci, snížení mechanické pevnosti a dalším nežádoucím vlastnostem.

Závěr

V podstatě změkčovače v zásadě transformují makroskopické vlastnosti polymerů jemným změnou jejich mikroskopické architektury. Tím, že působí jako molekulární spacery a maziva, narušují silné intermolekulární síly, zvyšují volný objem a zvyšují segmentovou mobilitu, nakonec snižují teplotu přechodu skla a propůjčují flexibilitu a zpracovatelnost. Výhodný výběr a začlenění změkčovadel je nezbytný pro přizpůsobení polymerních materiálů, aby vyhovovaly různým požadavkům moderních inženýrských a spotřebitelských aplikací.