​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия. С помощью этих знаний можно на стадии синтеза задавать материалу нужные свойства: от эластичности до твёрдости. Работа опубликована в журнале Polymer и поддержана грантом РНФ.


Помягче или пожёстче?

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

Полимерные материалы способны к метаморфозам благодаря их строению. Полимеры — это длинные молекулярные цепочки, причём цепочки могут быть разной длины. Если материал представляет собой аморфную кашу из молекул, то он будет 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 материал. Чтобы цепочки связывались, у структуры молекул должна быть определённая особенность.

Как тактично
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" CH3смотрят в одну сторону, это называется изотактичностью, если по очереди смотрят то в одну, то в другую - синдиотактичностью, а если никакой закономерности нет, говорят об атактичности. Изотактические участки хорошо скрепляются друг с другом, поэтому чем их больше, то есть чем выше изотактичность полипропилена, тем прочнее должен быть материал. Химики-синтетики могут получать полипропилен с определенной степенью изотактичности. Как именно связаны между собой изотактичность и механические свойства материала - вопрос, который поставили перед собой авторы исследования.

Установленный закон
Степень изотактичности полимеров измеряется процентным содержанием пентад. Пентада - это изотактический участок молекулы, состоящий из пяти звеньев. Ученые изучали полипропилен с разной степенью изотактичности: 25, 29, 50, 72, 78, 82 и >95%. Из этого полипропилена получали образцы в виде тонких пленок толщиной 0,5-0,7 мм двумя способами: в одном случае расплавленный материал закаляли холодной водой, а в другом - медленно остужали со скоростью 3 градуса в минуту. Полипропиленовые пленки растягивали со скоростью 10 мм/мин с помощью специальной тестовой машины. На основе механических тестов для каждого образца построили кривую деформации. Поведение образцов при деформации зависело от их изотактичности и предыстории. Эту закономерность ученые 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, ученые показали, что у закаленных и медленно охлажденных образцов кристаллиты находятся в разной форме.

"Многие пытаются улучшать свойства полипропилена, потому что отдача очень большая: 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 задаете свойства сетки, а задавая свойства сетки, вы задаете свойства материала. Это самый главный вывод, который мы делаем в статье. Сейчас мы проделываем подобную работу над не менее популярным полимером - полиэтиленом", - комментирует автор статьи, преподаватель МФТИ и ведущий научный сотрудник лаборатории функциональных полимерных структур ИСПМ РАН Максим Щербина.

Источники

Характер "короля пластмасс" связали с тактичностью и происхождением
Российский научный фонд (рнф.рф), 12/01/2018
Характер "короля пластмасс" связали с тактичностью и происхождением
ИА МАНГАЗЕЯ (mngz.ru), 12/01/2018
Характер "короля пластмасс" связали с тактичностью и происхождением
БезФормата.Ru Подмосковье (podmoskovye.bezformata.ru), 12/01/2018
Характер "короля пластмасс" связали с тактичностью и происхождением
Московский физико-технический институт (mipt.ru), 12/01/2018
Король пластмасс станет еще лучше
Русская планета (rusplt.ru), 12/01/2018
Ученые исследовали характер полипропиленa
Научная Россия (scientificrussia.ru), 15/01/2018

Похожие новости

  • 23/11/2017

    Сибирские ученые модернизировали метод расчета движения жидкостей

    ​Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета и Сибирского отделения РАН предложили использовать для гидродинамических расчетов систему из нескольких графических процессоров вместо центрального.
    174
  • 05/09/2017

    Терагерцовый лазер помог изучить нагревание кристаллов

    ​Ученые исследовали тепловые и световые искажения в кристалле при его взаимодействии с высокочастотным терагерцовым излучением. В результате было установлено, как в кристалле изменяется температура. Работа опубликована в журнале Laser Physics Letters.
    316
  • 14/03/2017

    Российские ученые разработали основу для создания мощных аккумуляторов

    ​Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова, Сколковского института науки и технологий и Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского создали основу для новых, более мощных литий-ионных аккумуляторов, исследовав структурные и электрохимические характеристики быстрой диффузии лития в электродном материале литий-ионного аккумулятора.
    686
  • 14/10/2017

    Российские ученые разработали компактный детектор фотонов

    ​Сотрудники Московского педагогического государственного университета создали компактную микросхему, которая детектирует одиночные фотоны - кванты света - и определяет состав света. Такие детекторы могут применяться в медицине и в системах безопасности.
    209
  • 13/12/2017

    Российский физик нашел новый способ запустить термоядерную реакцию

    Физик из МГУ и Института прикладной математики РАН доказал, что термоядерную реакцию можно запустить, используя уже существующие ускорители плазмы и магнитные ловушки, что может ускорить создание чистых источников энергии, говорится в статье, опубликованной в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
    217
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    622
  • 15/12/2017

    Российские ученые исследовали взаимодействия одиночных импульсов

    ​Российские ученые изучили поведение одиночных импульсов волн - однократных возмущений, распространяющихся в пространстве или в среде, - при их столкновении в нелинейных средах. Результаты работы ученых из России и Швеции опубликованы в журнале Nonlinear Dynamics.
    210
  • 31/05/2016

    До конца 2018 года ТПУ завершит создание Научного парка

    ​Первая очередь Научного парка, открытая к 120-летнему юбилею Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ) стала, вероятно, самым весомым и ценным подарком вуза университетской элите, студентам, аспирантам и всем тем, кто не мыслит себя сегодня вне науки.
    1028
  • 19/07/2017

    Ученые ТПУ представляют свои разработки на крупнейшем авиасалоне МАКС-2017

    ​​18 июля XIII Международный авиационно-космический салон "МАКС-2017" - один из крупнейших мировых авиасалонов - начал свою работу на аэродроме в подмосковном Жуковском. Томский политехнический университет представляет здесь свои уникальные разработки, среди которых тепловой дефектоскоп для контроля композиционных материалов авиационной техники, технологии 3D-печати в условиях невесомости, покрытия для станций "Глонасс" и для защиты солнечных батарей, антиметеоритные защитные пленки для иллюминаторов космических кораблей.
    249
  • 29/12/2017

    Ученые разработали алгоритм для ДНК-оригами

    Международный коллектив российских и американских ученых предложил алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трехмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств.
    204