Молекулярный прорыв повышает долговечность пластмасс

Размещено Персоналом | 30 августа 2023 г.

Пластик обычно расширяется и сжимается при неоднократном воздействии высоких и низких температур, что влияет на его долговечность в ряде областей применения. Добавки могут смягчить эту проблему, но в большинстве продуктов используются разные материалы, и использование наполнителей для компенсации несоответствия теплового расширения становится сложным. У исследователей из Национальных лабораторий Сандии может быть решение: все начинается на молекулярном уровне.

Команда модифицировала молекулу так, чтобы ее можно было легко включить в полимер и изменить его свойства. Когда молекула нагревается, она сжимается, а не расширяется, претерпевая изменение своей формы, объяснила руководитель исследовательской группы Эрика Редлайн, ученый-материаловед.

«Когда [молекула] добавляется к полимеру, это заставляет этот полимер меньше сжиматься, достигая значений расширения и сжатия, аналогичных металлам. Иметь молекулу, которая ведет себя как металл, — это просто замечательно», — сказал Редлайн.

Одним из основных факторов ухудшения качества материала является многократное воздействие высоких и низких температур и обратно. Большинство материалов расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, но у каждого материала своя скорость изменения. Полимеры, например, расширяются и сжимаются больше всего, а металлы и керамика сжимаются меньше всего.

Сложности возникают, когда в изделии используется несколько материалов, как это часто бывает.

«Возьмем, к примеру, ваш телефон с пластиковым корпусом, соединенным со стеклянным экраном, а внутри него металлы и керамика, составляющие схему», — сказал Редлайн. «Все эти материалы скручены, склеены или каким-то образом связаны друг с другом и начнут расширяться и сжиматься с разной скоростью, оказывая друг на друга нагрузку, которая со временем может привести к их растрескиванию или деформации».

«Я подумал, а что, если я создам идеальный материал. Как бы это выглядело», — сказал Редлайн.

Редлайн считает, что она сделала это с помощью своей команды: Чада Стайгера, Джейсона Даггера, Эрика Нагеля, Кошика Гоша, Джеффа Фостера, Кеннета Лайонса, Аланы Юн и сотрудников академического альянса профессора Захарии Пейджа и аспиранта Меган Кикер.

«Эта молекула не только решает текущие проблемы, но и значительно открывает пространство для разработки новых инноваций в будущем», — сказал Даггер, инженер-химик из Сандии, который рассматривает потенциальные применения, особенно в оборонных системах.

Изобретение также может быть включено в различные части полимера в разном процентном соотношении для 3D-печати.

«Вы можете напечатать структуру с определенным тепловым поведением в одной области и другим тепловым поведением в другой, чтобы соответствовать материалам в разных частях предмета», — сказал Даггер.

Молекула также имеет потенциал для облегчения конструкции и изготовления клеев.

В настоящее время молекула производится лишь в небольших количествах — на изготовление от 7 до 10 грамм уходит около 10 дней.

Команда работает над сокращением этапов производства, используя финансирование в размере 100 000 долларов США в рамках программы развития технологий Sandia, которая помогает готовить продукты для рынка.

«Моя роль — посмотреть, есть ли более простой способ сделать это на коммерческом уровне», — сказал постдок Эрик Нагель. «Ничего подобного там нет. Я очень воодушевлен возможностями этой технологии и приложениями, которые могут быть с ней связаны».

Дополнительная информация о текстовых форматах

Оставайтесь на переднем крае инноваций в области пластмасс с помощью журнала PlasticsToday, освещающего последние достижения в области материалов.