Два

Oct 19, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 5701 (2022) Цитировать эту статью

1326 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Термопластичные полимеры и композиты широко распространены в промышленности благодаря их способности изменять форму и сплавляться при повышенных температурах. Качество термоплавких термопластичных интерфейсов имеет большое значение для адгезии, нанесения покрытий и сварки, особенно между разнородными материалами. Кинетическая эволюция микроструктур определяет механические характеристики термопластичных интерфейсов, которые изучаются здесь на примере полиэтилена и полипропилена. Ключевые факторы, такие как вязкость и совместимость полимеров, а также время и температура плавления, обсуждаются путем объединения моделирования на молекулярном уровне и экспериментов по горячему сжатию на структурном уровне. Взаимная диффузия и перепутывание полимерных цепей идентифицируются как две элементарные кинетические стадии синтеза, которые доминируют в контроле жесткости и прочности границ раздела фаз соответственно. Экспериментальные данные показывают, что качество сплавленных интерфейсов можно улучшить за счет снижения вязкости и параметра взаимодействия. Следуя тому же набору соотношений масштабирования времени, которые были определены в моделировании, двухэтапные характеристики и их влияние на жесткость и прочность экспериментально проверяются. Как моделирование, так и результаты эксперимента показывают, что модуль Юнга плавленых границ восстанавливается быстрее, чем прочность, которая в значительной степени контролируется перепутыванием полимера, а не диффузией. Эти результаты добавляют понимание конструкции процессов синтеза, закладывая основу для применения термопластичных полимеров и композитов.

Пластмассы и их композиты являются одними из наиболее широко применяемых синтетических материалов в мире: ежегодно производится более трети миллиарда тонн1,2,3,4. Впервые появившиеся в начале 20-го века и не применявшиеся в коммерческих целях до 50-х годов, пластиковые изделия стремительно растут, особенно на рынке упаковки2, электротехнической и электронной продукции5, зданий и сооружений, текстиля, транспорта и медицинского оборудования6. Высокие требования к многоразовым, безопасным, экономичным и функциональным пластиковым изделиям ускоряют развитие технологий переработки пластмасс. В отличие от термореактивных полимеров, термопласты удобны благодаря своим возможностям изменения формы и переработки, что делает их идеальными кандидатами для новых применений в клеях7, покрытиях8 и материалах для аддитивного производства9,10, а также в качестве структурных компонентов11,12. Тепловая сварка или термическая сварка термопластов является распространенным способом соединения полимерных деталей, когда две поверхности находятся в тесном контакте при температуре выше температуры стеклования, \(T_{\mathrm{g}}\), что обеспечивает взаимную диффузию в течение определенного периода. времени, t13. Сплавление термопластов привлекло особое внимание из-за необходимости создания высокоэффективных регенерированных интерфейсов в полимерах или композитах9,14,15.

Было предпринято множество усилий для понимания эволюции микроструктуры на границе раздела термопластов и ее корреляции с их механическими характеристиками. В теоретических исследованиях обычно предполагается, что диффузионное движение полимерных цепей ограничено внутри исходных трубок16. Затем модель рептации была использована для расчета роста границ раздела плавления между идентичными или совместимыми полимерами, что позволило получить масштабное соотношение между толщиной (h) и временем плавления (t) до установления равновесия17, то есть \(h(t )\sim t^{1/2}\). Эта модель также предсказывает прочность интерфейсов как функцию t и молекулярной массы (M) как \({\sigma }_{\mathrm{s}}\sim t^{1/4}M^{\alpha }\ ), где \(\alpha = -1/4\) в течение времени обновления трубки \(T_{\mathrm{r}}\), и \(-3/4\) для \(T > T_{\mathrm {r}}\)17. В этой модели рассматривается микроскопическая динамика диффузии и рандомизации. Для границ раздела между двумя несмешивающимися полимерами Хелфранд и Тагами18,19 оценили верхний предел толщины межфазной границы, следуя уравнению смешивания Флори-Хаггинса, которое пропорционально \({\chi }^{-1/2}\. Здесь \(\chi\) — параметр взаимодействия двух полимеров. Вышеупомянутые теории плавления ограничены аморфными полимерами в состоянии расплава или при температуре выше температуры стеклования \(T_{\mathrm{g}}\). Как показали Бойко и др.20, теория, разработанная для аморфных полимеров, не применима к полуаморфным полимерам вблизи \(T_{\mathrm{g}}\), как при литье под давлением9 и аддитивном производстве полимеров. полимеры10. Мультифизическая основа, включающая процессы теплопередачи, массопереноса и кристаллизации, разработана для моделирования основной сложности термоядерного синтеза21. Однако картина на молекулярном уровне, лежащая в основе масштабного соотношения, ключевые кинетические этапы, такие как диффузия и запутывание, а также физическое значение \(T_{\mathrm{r}}\) не решены. Влияние условий плавления на механические характеристики границ раздела полимеров также недостаточно выяснено.