Король пластмасс станет ещё лучше
Пластмассовые игрушки часто делаются из полипропилена

Пластмассовые игрушки часто делаются из полипропилена

Учёные научились управлять свойствами пенопропилена

В Институте синтетических полимерных материалов (ИСПМ) РАН и МФТИ изучили строение полипропилена и научились ещё на стадии синтеза задавать ему разные свойства: делать его мягким, эластичным или прочным.

Полипропилен называют «королём пластмасс», потому что он используется необычайно широко и повсеместно. По объёмам производства из полимеров его обгоняет только полиэтилен. Из полипропилена можно получать материалы с самым широким спектром свойств: от эластичных резинок до высокопрочного пластика, лишь немного меняя структуру молекул. Однако взаимосвязь между его химическим строением и механическими свойствами до конца установлена не была.

Полимерные цепочки. Красными кругами выделены кристаллиты

Полимерные материалы благодаря своему особому строению отличаются повышенной способностью к метаморфозам. Ведь полимеры — это длинные молекулярные цепочки, причём цепочки могут быть разной длины. Если материал представляет собой аморфную кашу из молекул, он получится очень мягким. Но части цепочек могут сцепляться и образовывать так называемые кристаллиты. Кристаллиты — это участки, где атомы строго упорядочены, как в кристаллах. Кристаллиты служат узлами, скрепляющими цепочки, и чем их больше, тем прочнее сетка из цепочек и тем жёстче становится материал. Чтобы цепочки связывались, у структуры молекул должна быть определённая особенность.

Химическая формула полипропилена — цепочка, звеньями которой служит пропилен (пропен). А пространственная структура молекулы определяется тем, как звенья расположены по отношению друг к другу. Если их «хвостики» CH3 смотрят в одну сторону, это называется изотактичностью, если по очереди смотрят то в одну, то в другую — синдиотактичностью, а если никакой закономерности нет, это так называемая атактичность. Изотактические участки хорошо скрепляются друг с другом, поэтому чем их больше, то есть чем выше изотактичность полипропилена, тем прочнее должен выйти материал. Химики-синтетики могут получать полипропилен с определённой степенью изотактичности. Связь изотактичности с механическими свойствами материала и стала главным предметом совместного исследования ИСПМ РАН и МФТИ.

Пентада полимера

Степень изотактичности полимера измеряется процентным содержанием пентад. Пентада — изотактический участок молекулы, состоящий из пяти звеньев. Учёные изучали полипропилен со степенями изотактичности 25, 29, 50, 72, 78, 82 и >95%. Из него получали образцы в виде тонких плёнок толщиной 0,5–0,7 мм двумя способами: в одном случае расплавленный материал закаляли холодной водой, в другом — медленно остужали со скоростью 3 градуса в минуту. После чего полипропиленовые плёнки растягивали со скоростью 10 мм/мин с помощью специальной машины.

На основе механических тестов для каждого образца построили кривую деформации. Поведение образцов при деформации зависело от их изотактичности и предыстории. Эту закономерность учёные отобразили с помощью зависимости модуля упругости от степени кристалличности. Чем выше модуль упругости, тем неподатливее материал. Степень кристалличности — это содержание кристаллитов в материале по отношению к аморфной части. Кроме этого, учёные показали, что у закалённых и медленно охлаждённых образцов кристаллиты находятся в разных формах.

График зависимости модуля упругости Е от степени кристалличности. Буквами Q и S обозначены, соответственно, закалённые и медленно охлаждённые образцы, M и ZN — разные виды катализаторов, числа — степени изотактичности образцов

«Многие пытаются улучшать свойства полипропилена, потому что отдача очень велика: его выпускают миллионами тонн. Можно чуть-чуть изменить структуру цепи или начальные условия и получить материал с необходимыми свойствами. Во время синтеза можно задать структуру молекулы, но оказывается, что задавая структуру молекулы, вы задаёте свойства сетки, а задавая свойства сетки, вы задаёте свойства материала. Это самый главный вывод, который мы сделали. Сейчас мы проделываем подобную работу над не менее популярным полимером — полиэтиленом», — рассказал один из главных участников исследования Максим Щербина, преподаватель МФТИ и ведущий научный сотрудник лаборатории Функциональных полимерных структур ИСПМ РАН.

Работа выполнялась в рамках гранта РНФ 14-13-01402. Её результаты опубликованы в журнале Polymer.

Спасём носорогов! Далее в рубрике Спасём носорогов!Африканских носорогов выручат в Санкт-Петербурге Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Дискуссии без купюр.
Читайте «Русскую планету» в социальных сетях и участвуйте в обсуждениях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»