Polymérne materiály odolné voči korózii s tvarovou pamäťou, časť 2

Polyméry fungujú prostredníctvom potenciálnych interakcií termosetov a termoplastov, kde sú termosety definované ich chemickými zosieťovaniami, ktoré tvoria trojrozmernú sieť, ktorá sa môže rozprestierať do nekonečnej dĺžky a termoplastom chýbajú vzájomne prepojené chemické zosieťovania a majú len konečnú dĺžku.

Chemické zosieťovanie sa vzťahuje na pridávanie reaktívnych chemikálií do materiálov tak, aby chemicky reagovali za špecifických podmienok za vzniku gélu alebo vytvrdeného materiálu. Táto metóda je široko používaná v procese prípravy rôznych materiálov, ako sú vláknité materiály, plasty, guma, nátery atď., a má široké uplatnenie.

Vzťah s pamäťou je taký, že materiály pripravené technológiou chemického zosieťovania majú pamäťové funkcie. Tento materiál dokáže pod vonkajšou stimuláciou autonómne meniť tvar a obnovovať svoj pôvodný tvar, pričom si zachováva „pamäť“ svojho pôvodného tvaru. Táto vlastnosť obnovy tvaru dáva tomuto materiálu širokú škálu aplikačných vyhliadok, ako sú aplikácie inteligentných materiálov v zdravotníctve, stavebníctve, automobilovom priemysle a iných oblastiach.

Okrem toho možno technológiu chemického zosieťovania použiť aj na reguláciu a zlepšenie vlastností materiálov, čím sa získajú lepšie fyzikálne a chemické vlastnosti a tepelná stabilita. Táto technológia má vysoký rozvojový potenciál a možno ju aplikovať na prípravu a modifikáciu organických a anorganických materiálov, pričom zohráva aktívnu úlohu pri napredovaní rozvoja v oblasti materiálového inžinierstva.

Preto je technológia chemického sieťovania veľmi sľubnou technológiou s mnohými výhodami a aplikačnou hodnotou. Jeho uplatnenie má široké perspektívy v mnohých oblastiach a prispelo k rozvoju strojárskej technológie a spoločenskému pokroku. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola má antioxidačné, protizápalové účinky a účinky proti starnutiu, čo môže pomôcť znížiť oxidačné a zápalové reakcie v mozgu, a tým chrániť zdravie nervového systému. Okrem toho môže Cistanche deserticola tiež podporovať rast a opravu nervových buniek, čím zvyšuje konektivitu a funkciu neurónových sietí. Tieto účinky môžu pomôcť zlepšiť pamäť, schopnosť učenia a rýchlosť myslenia a môžu tiež zabrániť rozvoju kognitívnej dysfunkcie a neurodegeneratívnych ochorení.

Kliknite na Know, aby ste zlepšili krátkodobú pamäť

Spracovanie termoplastov zahŕňa rýchle chladenie a tuhnutie taveniny viskóznych polymérov. Spracovanie termosetom vyžaduje reakciu prekurzorov s nízkou viskozitou a rýchlosť spracovania je obmedzená rýchlosťou reakčnej kinetiky.

Medzi týmito dvoma termosetmi majú tendenciu mať vyššiu rozmerovú stálosť a odolnosť proti tečeniu, čo z nich robí preferované štrukturálne kompozitné aplikácie pred termoplastmi [28]. Zmiešaním týchto polymérov je možné do určitej miery prispôsobiť vlastnosti polyméru s tvarovou pamäťou so základom. polymér vytvárajúci efekt tvarovej pamäte a iné polyméry pre celkovú súdržnosť a deformovateľnosť (napríklad po predĺžení kryštalinita poskytovaná inými polymérmi bráni elastoméru uvoľniť sa späť do pôvodného stavu) [29].

Ďalšími výhodami polymérov pri ich použití ako materiálov sú ich nízka hustota, ich ľahká spracovateľnosť, schopnosť odolávať rýchlosti deformácie až 800 %, odolnosť voči korózii alebo elektrine, nízka hmotnosť a široká škála vlastností stavebných blokov. sú zložené z [2, 30].

Kompozity a povlaky s tvarovou pamäťou na báze polymérov sa musia tiež zaoberať teplotou skleného prechodu alebo Tg, pretože polymér bude pred týmto bodom v sklovitom stave, a tým ovplyvní charakteristiky tvarovej pamäte uvedeného kompozitu; proti tomu by sa vyžadovalo, aby výplňový materiál bol schopný inhibovať termomechanické účinky, ktoré polymér vykazuje; tieto termomechanické účinky sa typicky prejavujú trecími interakciami, ktoré odolávajú vonkajšiemu zaťaženiu [21]. V prípade polymérov s tvarovou pamäťou je to zvyčajne viac závislé od teploty skleného prechodu, známej tiež ako Tg, kde fázové zmeny nastávajú nad Tg, kde sa stáva gumovitým a poloha sa nastaví, keď sa polymér dostane pod Tg, pretože sa zmení na sklovitý stav [ 2].

Vzhľadom na to, že kompozity s tvarovou pamäťou vyžadujú použitie vonkajšej energie, aby sa vrátili do svojej primárnej formy, tepelná absorpcia a vodivosť kompozitu sú nevyhnutnými faktormi, ktoré treba zvážiť, pretože vo všeobecnosti platí, že čím väčšia schopnosť kompozitu absorbovať alebo vodivosť má za následok lepšie časy obnovy tvaru a menej energie spotrebovanej na dosiahnutie uvedených časov odozvy [21].

Použitie polymérov s tvarovou pamäťou má však nedostatky, pretože funkčnosť sa môže časom stratiť; teda prostriedok proti takejto stratovej účinnosti je dôležitý pri predlžovaní životnosti polyméru s tvarovou pamäťou a jeho schopnosti odolávať podmienkam prostredia.

4. Kompozity s tvarovou pamäťou: polyméry a polymérne zmesi

Tradičné polyméry sú pomerne inertné voči životnému prostrediu, čo znamená postupnú stratu funkčnosti v priebehu času [30], najmä vo forme mikrotrhlín, čo je najvážnejšia výzva, ktorej polyméry čelia pri dlhodobých aplikáciách, pretože znižujú životnosť materiálu a je oveľa ťažšie odhaliť alebo opraviť [31].

Polyméry teda vyžadujú určité prostriedky na udržanie a opravu ich funkčnosti, buď pomocou nejakej externej aplikácie, alebo, optimálnejšie, pomocou vlastnosti, ktorá je vlastná polyméru alebo zmesi polymérov, inými slovami, polymér musí mať prirodzenú schopnosť hojiť sa.

Keďže polymér je materiál s tvarovou pamäťou, napätie vyplývajúce z rôznych spúšťacích mechanizmov, ako sú chemické, mechanické alebo tepelné, môže viesť k mechanickej deformácii v materiáli a navyše môže aktivovať liečebnú reakciu na fyzické poškodenie, ktoré sa vytvorilo[32]. .

Bežne k hojeniu trhlín dochádza v dôsledku tepelných účinkov a začína sa pri teplote Tg alebo vyššej. Vývoj ako taký sa typicky zameriaval na úpravu efektívnej Tg na požadovanú teplotu, ktorá je zvyčajne nižšia ako normálna Tg polyméru [31].

Dosiahnutie samoliečenia polymérov zahŕňa dva rôzne prístupy, ktoré sa pri dosiahnutí cieľa spoliehajú na rôzne chemické interakcie: jeden je prostredníctvom supramolekulárnych síl a druhý je prostredníctvom dynamických kovalentných väzieb vytvorených v polymérnej zmesi. Prvým je však primárny spôsob, ktorým polymér adheruje. na povrch.

Medzifázová adhézia medzi polymérnou matricou a 2D plnivom je dôležitou súčasťou vylepšenia vlastností a schopnosti reprodukovať požadované výsledky. Silná medzifázová väzba medzi polymérnou matricou a 2D plnivom dáva polymérnemu povlaku vysoký modul a pevnosť v ťahu, zlepšuje tvrdosť a zvyšuje odolnosť povlaku voči roztrhnutiu, únave a korózii [17].

Vytvorenie kompozitu s tvarovou pamäťou medzi polymérom a zliatinou si teda vyžaduje použitie spojovacích činidiel, ako je trimetoxysilylpropylmetakrylát, na vytvorenie spojenia medzi organickou a anorganickou fázou povlaku, pretože nedostatok takéhoto spojenia ohrozuje celkové mechanické vlastnosti, pretože organické materiály nepriľnú dobre k anorganickým materiálom [33].

Jednou z najefektívnejších možností inhibície korózie a odporúčaných možností pre spojovacie činidlá zahŕňajú polysiloxány. Polysiloxány sú hydrofóbne polyméry schopné zlepšiť odolnosť polymérnej zmesi proti korózii obmedzením schopnosti vody pristupovať k rozhraniu povlaku kov/hybridný polymér[17].

Charakterizovaná skupinou Si-O-Si, ktorá má uhol väzby medzi 104 a 180 stupňov pripojený k polymérnemu reťazcu, rozsah uhla väzby ovplyvňuje flexibilný reťazec a zlepšuje energiu väzby, čo tvorí základ pre pozoruhodnú trvanlivosť a odolnosť voči teplu. že polysiloxány majú [34].

4.1. Polydimetylsiloxán. Jedným z najbežnejšie používaných polysiloxánov je polydimetylsiloxán, skrátene PDMS. PDMS elastoméry sú typicky tvorené zosieťovanými lineárnymi polymérmi, ktoré boli zapletené a sú tuhšie ako prahová hodnota pre husté zapletenia, ktoré účinne pôsobia ako priečne väzby [35]; štruktúru možno nájsť na obrázku 5.

Jednou z metód, pri ktorých by bolo možné PDMS zlepšiť na použitie, je zníženie tuhosti elastomérov PDMS, čo by znížilo energiu potrebnú na deformáciu. To je kritické pre lepšiu priľnavosť k predmetu, na ktorý by sa inak ťažko nanášal povlak, a dosiahnutie tohto by znamenalo celkové zníženie hustoty zosieťovaní. Aplikácia rozpúšťadla môže dosiahnuť zníženie hustoty, ale rozpúšťadlo sa môže vylúhovať a potenciálne poškodiť okolité prostredie. PDMS nemôže mať modul šmyku nižší ako 200 kPa.

Vytvorením matrice sieťovacej fľaše na rozdiel od lineárneho polyméru je možné inhibovať tvorbu zapletenia a vytvoriť riadený modul pružnosti, ktorý môže byť v rozsahu od 1 do 100 kPa, pričom modul lineárne zodpovedá hustote sieťovacích reťazcov.

Okrem toho môže existovať nezávislá kontrola nad stratovým modulom; znižuje priľnavosť, môže byť relatívne jednoduchý na výrobu a môže byť ďalej vyladený prostredníctvom pomeru kostra/bočný reťazec/zosieťovací reťazec, aby sa ešte viac prispôsobili mechanické vlastnosti [35].4.2.

Polymetylhydrosiloxán. Z dostupných polysiloxánov je polymetylhydrosiloxán alebo skrátene PMHS preferovaným siloxánom, pretože je netoxický, stabilný na vzduchu, odolný voči vysokým teplotám a môže byť použitý ako redukčné činidlo na konverziu karbonylov na alkoholy [17, 33 ]; štruktúru možno nájsť na obrázku 6. PMHS má nízku povrchovú energiu a dobrú prirodzenú hydrofóbnosť a vďaka svojim anorganickým a organickým molekulovým častiam pôsobí ako dobré väzbové činidlo medzi polymérmi a kovovými povrchmi.

PMHS je užitočný, pretože na prípravu povlaku nie je potrebné žiadne organické rozpúšťadlo, čo je dôležité vzhľadom na obmedzenia týkajúce sa prchavých organických zlúčenín, ktoré možno považovať za nebezpečné pre životné prostredie. Napriek tomu je aplikácia PMHS ako antikorózneho opatrenia pomerne vzácna. Účinnosť pridania PMHS môže byť demonštrovaná experimentom, ktorý uskutočnil Sun et al. kde bol PMHS pridaný do apolyanilín-epoxidového náteru.

Tým sa úspešne znížila celková povrchová energia povlaku, zlepšila sa zmáčavosť a na povrchu sa vytvorili malé výstupky, ktoré umožnili vytvorenie vrstvy vzduchu a inhibíciu kontaktu s korozívnym roztokom a adsorpciu korozívnych látok roztoku, čo malo za následok zvýšenie účinnosť náteru do 70 dní, pričom náter bez PMHS vydržal len 34 dní [20].4.3. Supramolekulárne polyméry.

Samoliečivý materiál na báze supramolekulárnych väzieb má polymérne väzby, ktoré sú spojené správaním podobným nálepke v tom, že sa môžu spájať a znova spájať, a práve táto lepivosť dodáva materiálu pevnosť; Je dôležité poznamenať, že nepochádza z kovalentných väzieb alebo reťazových prepletení.

Tieto väzby ovplyvňujú pevnosť, viskozitu, tok a usporiadanie polymérnych reťazcov polymérnej zmesi, a preto majú vzťah s dynamickým správaním polyméru. Akonáhle dôjde k poškodeniu štruktúry, rozhranie poškodených povrchov bude mať neviazané supramolekulové väzby, ktoré zostanú "lepkavé" a môžu byť rekombinované a reformované, aby sa poškodenie uzavrelo a vrátili sa do predchádzajúceho nepoškodeného stavu bytia. Pri používaní supramolekulárnych väzieb sú hlavnými problémami čas potrebný na obnovenie, pevnosť materiálu a schopnosť materiálu obnoviť vlastnosti po poškodení [32].

Niektoré príklady polymérov na použitie v zmesi, ktorá sa spolieha na supramolekulárne sily na dosiahnutie samoliečenia, sú nasledujúce.4.3.1. Epoxidový ester. Je známe, že epoxidové esterové živice majú dobré antikorózne vlastnosti a priľnavosť k povrchom, ale ich použitie je obmedzené kvôli ich zlej chemickej odolnosti a slabým mechanickým vlastnostiam; ako také sa odporúča zlepšiť ich použitím miešania alebo kopolymerizácie s inými polymérmi, ktoré sú schopné odolávať vysokým teplotám, ako je polymočovina alebo polysiloxán [17, 33]; znázornenie štruktúry je možné nájsť na obrázku 7.

Polymočovina sa zvyčajne používa na lamináty v budovách a automobilovom priemysle, kde môže zlepšiť odolnosť epoxidového esteru proti nárazu a výbuchu [17]. Epoxidové estery sú tiež obmedzené svojimi vysoko reaktívnymi kruhmi, ktoré inhibujú spracovateľnosť polymérnych zmesí, a preto ich výrobu robia drahšie.

Vo všeobecnosti, pri reakcii epoxidových esterov za vzniku určitých polymérov, sa epoxidové funkčné skupiny otvárajú esterifikáciou nenasýtených mastných kyselín za vzniku alkydom modifikovaných epoxidových esterov s vlastnosťami riadenými prostriedkami, ako je úroveň nenasýtenosti alebo dĺžka reťazca.

Vyrobená emulzia epoxidového esteru sa potom dehydratuje odparením vody, aby sa spojila a vytvorila film, ktorý sa vytvrdzuje autooxidáciou alebo reakciou kyslíka, čím sa spôsobí mechanizmus reťazca voľných radikálov.

Výsledok vlastností závisí od dĺžky olejového reťazca. Napríklad dlhé olejové reťaze v epoxidových esteroch znamenajú nižšiu chemickú odolnosť, dlhšie časy schnutia a zvýšenú schopnosť preniknúť a utesniť zle čistené povrchy, zatiaľ čo krátke olejové reťaze sú tvrdé a krehké a majú dobré chemické vlastnosti odolnosť proti vlhkosti [36].

4.3.2. Polyimid.

Vo všeobecnosti sú polyimidy preferované v inžinierskych aplikáciách, pretože majú vynikajúce mechanické vlastnosti, veľkú tepelnú stabilitu, vysokú teplotu skleného prechodu a nízku dielektrickú konštantu [36]; znázornenie štruktúry možno nájsť na obrázku 8.

Väčšina štúdií, ktoré sa zameriavajú na samoliečiace sa polyméry, sú tie, ktoré fungujú pri nízkej alebo strednej Tg, zatiaľ čo polyméry s vysokým Tg, ktoré by boli vhodné pre samonasaditeľné aplikácie v kozmickom alebo prúdovom pohone, nie sú tak dobre študované. Variant polyimidu s tvarovou pamäťou by bol jedným z takýchto polymérov, pretože je schopný vysokej Tg, s teplotami okolo 218 stupňov a samo-hojenia (ku ktorému dochádza pri 243 stupňoch) za cenu znížených mechanických vlastností a nižšej Tg (235 stupňov). nesamohojivý variant ako nesamohojivý variant, ale to môže byť spôsobené polystyrénom a vhodnejší môže byť iný materiál [37].

Polyimidy sú definované tuhou heterocyklickou imidovou funkčnou skupinou a sú známe interakciou ich atómu dusíka bohatého na elektróny a ich karbonylovej skupiny s deficitom elektrónov umiestnenej v hlavnom reťazci polyimidu [38].

Polyimidy však majú tendenciu byť obmedzené na ich použitie kvôli zlej absorpcii vlhkosti a priľnavosti, čo môže viesť k zlyhaniu rozhrania a obmedzuje ich na menšiu životnosť povlaku v porovnaní s inými povlakmi, ako aj ich vysokú povrchovú energiu a dielektrickú konštantu [36, 38 ]. Prekonanie týchto obmedzení zvyčajne znamená vloženie hydrofóbnych polymérnych blokov do hlavného reťazca polyimidu alebo začlenenie nanočastíc do matrice ako prostriedok na zníženie difúzivity a relatívnej permitivity polyimidového povlaku [38].

Zahrnutie nanočastíc má nevýhodu vo zvyšovaní povrchovej energie pre polyimid, čo zase znižuje jeho adhéziu, zatiaľ čo zahrnutie polymérnych blokov do hlavného reťazca môže znížiť teplotu rozkladu a tým aj prevádzkovú teplotu a mechanické vlastnosti [38]. Trvanlivosť sa týka zachovania bariérových vlastností polymérneho povlaku a v prípade polymérov je riadená kryštalinitou v povlaku.

Pokles povrchovej energie povlaku súvisí so zvýšením odolnosti povlaku [25]. Polysiloxány môžu byť použité na zlepšenie rozptylu energie, pružnosti a priľnavosti k povrchu, ale ako kompromis znižujú konečnú pevnosť a Youngov modul; preto zmiernenie týchto znížení primárne vyžaduje manipuláciu s percentami molekulovej hmotnosti polysiloxánu.

Aby Youngov modul zostal blízko modulu obyčajného polyimidu, hmotnostné percento polysiloxánu musí byť medzi 10 a 20 %; stojí za zmienku, že ťažnosť sa výrazne zlepšuje pre kopolymér, ak je polysiloxán v rozmedzí 10 až 40 % hmotn. Celkovo, pripojenie apolysiloxánu k hlavnému reťazcu polyimidového reťazca zlepšuje celkovú spracovateľnosť polyméru, inhibuje absorpciu vody, robí polymér schopnejším priľnavosti k širokému spektru povrchov, zlepšuje tepelnú stabilitu a znižuje teplotu rozkladu o zvýšenie % hmotn. polysiloxánu v polyméri (zdá sa, že to súvisí skôr s redukciou polyimidu). Nevýhody polyimid-polysiloxanechových reťazcov by sa dali prekonať pridaním iných kopolymérov, ako je polyfenylsilsesquioxán, čo je navrhovaný polymér, ktorý by tiež mohol ďalej zlepšiť teplotu rozkladu polymérnej zmesi.

Zavedenie esterovej skupiny do imidového hlavného reťazca vytvára efekt zvýšenej pružnosti polyméru, ale znižuje teplotu skleného prechodu, kde kombinovaná molekula poly(ester-imidu) má teplotu skleného prechodu 185 stupňov a ďalšia analýza ukázala, že stráca 10 hmotn. % jeho hmotnosti vo vzduchu pri 300 stupňoch [33]. Pretože Tg polymérnej zmesi nie je skutočným priemerom Tg polymérov, ktoré tvoria zmes, zdá sa, že pôsobí skôr ako rozsah, ktorý sa mení v závislosti od zloženia hmoty, architektúry zmesi, molekulovej hmotnosti zmesi. polyméry a ďalšie faktory.

ANa dolnom konci tohto rozsahu dochádza k tepelnej aktivácii, ale bránia jej stérické obmedzenia, ktorých závažnosť môže byť určená relatívnou rýchlosťou dynamiky komponentov [36].4.3.3. Polymočovina.

Polymočovina je semikryštalický polymér cenený pre svoje piezoelektrické schopnosti, často používaný ako izolant a môže vykazovať stabilitu pri vysokej teplote s piezoelektrickou konštantou 15 mC/m2, ktorá zostane taká, až kým nedosiahne teploty 200 stupňov [38]; znázornenie štruktúry je možné nájsť na obrázku 9. Ak sa zmiešajú s polyimidom, donory a akceptory vodíkovej väzby v zmesi umožňujú okrem ultra nízkej dielektrickej konštanty, hodnoty medzi 1,56 a 1,94, samozostavenie, pričom akýkoľvek pokles zodpovedá zvýšeniu koncentrácie polymočovina, ktorá by bola nesmierne prospešná pri inhibícii korózie [25,38]; znázornenie zmesi polyimid-polymočovina je možné vidieť na obrázku 10.

Okrem toho, pre vytvorenú poly(močovinu-imidovú) zmes sa exponenciálne vyskytujú dve oblasti gumového plató ako výsledok dvoch oblastí Tg spôsobených obsahom molárnej frakcie polymočoviny v polyimidovom blockchaine, čo zase zvyšuje skladovací modul polyméru.

Tg kopolymérov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou zložky s vysokým Tg, pričom výraznejší účinok nastáva po pridaní mierne vyššieho množstva polymočoviny k polyimidu (stojí za zmienku, že stupeň imidizácie má na toto správanie malý vplyv, pretože znižuje sa so zvyšujúcou sa molárnou frakciou polymočoviny) v dôsledku samonosnej komplementárnej vodíkovej väzby [38].

Výsledkom je, že polyimid-b-polymočovina vytvára povlak s očakávanou životnosťou 8 rokov, vyššou ako má polyimid, a poskytuje vynikajúcu odolnosť proti korózii [25], čo je možné vidieť na obrázkoch 11(a) a 11(b).

For more information:1950477648nn@gmail.com