Король пластмасс станет ещё лучше

12.01.2018

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 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
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
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.

http://rusplt.ru/umnaya-rossiya/korol-plastmass-stanet-32366.html