При обсуждении полимерных материалов мы часто слышим комментарии вроде «этот материал обладает превосходной жесткостью» или «тот обладает выдающейся прочностью». Материалы с высокой жесткостью обычно обладают большей твердостью и устойчивостью к сжатию и деформации. С другой стороны, жесткие материалы больше похожи на гибкие ленты, способные выдерживать растяжение и изгиб с замечательной упругостью.

Но задумывались ли вы когда-нибудь: какие показатели производительности на самом деле определяют жесткость или гибкость материала? И какие фундаментальные факторы определяют, ведет ли себя полимер как жесткий или мягкий? В этой статье мы рассмотрим эти вопросы и раскроем науку, лежащую в основе механических характеристик полимерных материалов.

Понимание жесткости и гибкости через показатели эффективности

Среди множества механических свойств полимерных материалов различные показатели отвечают за отражение либо жесткости, либо гибкости.

Показатели жесткости:
Модуль упругости при изгибе и твердость часто рассматриваются как ключевые представители жесткости. Модуль изгиба измеряет сопротивление материала изгибной деформации — чем выше значение, тем «жестче» материал, что делает его менее склонным к изгибу. Твердость, с другой стороны, напрямую отражает способность материала противостоять локальному поверхностному давлению. Материалы с высокой твердостью могут лучше сохранять свою форму и противостоять деформации сжатия от внешних сил.

Предел прочности и прочность на сжатие также помогают в некоторой степени указать на жесткость материала. Прочность на разрыв — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал до того, как он сломается под действием напряжения. Высокая прочность на разрыв означает, что материал может выдерживать большие тяговые усилия без разрушения, демонстрируя высокую жесткость. Аналогично, прочность на сжатие отражает способность материала противостоять сжатию — более высокие значения указывают на большую жесткость.

Показатели гибкости:
Удлинение при разрыве и ударная вязкость являются ключевыми показателями для оценки гибкости материала.

Удлинение при разрыве относится к отношению удлиненной длины материала к его первоначальной длине, когда он разрывается под действием напряжения. Чем выше значение, тем больше материал может растянуться перед разрывом, что указывает на лучшую пластичность и гибкость.

Ударная вязкость измеряет способность материала поглощать энергию при внезапном ударе. Материалы с высокой ударной вязкостью менее склонны к разрушению при воздействии внешних сил, демонстрируя превосходную прочность и гибкость.

Пример: ПП + 40% длинного стекловолокна

Понимание жесткости и гибкости посредством Внутренние факторы

2. Локальные степени свободы
Локальная структура и функциональные группы вдоль полимерных цепей также влияют на жесткость и гибкость материала. Размер, полярность и количество боковых групп играют важную роль. Более крупные боковые группы затрудняют движение полимерных цепей, снижая гибкость и увеличивая жесткость. Например, биополимеры с длинными алкильными боковыми цепями демонстрируют повышенную жесткость по мере удлинения боковой цепи. Полярные боковые группы генерируют сильные межмолекулярные взаимодействия, которые еще больше ограничивают подвижность цепи и повышают жесткость. Биопроизводные целлюлозы, содержащие полярные группы, такие как гидроксильные и карбоксильные, могут иметь жесткость и гибкость, настраиваемые путем регулирования количества и распределения этих групп.

3. Межмолекулярные силы
Сила межмолекулярных сил напрямую влияет на жесткость полимера. Более сильные взаимодействия, такие как водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, усиливают связь между полимерными цепями, затрудняя скольжение или перемещение цепей относительно друг друга, тем самым повышая жесткость материала. Например, хитозан демонстрирует обильное водородное связывание между молекулами, что приводит к высокой жесткости и прочности, поэтому он широко используется в биомедицинских приложениях, таких как повязки для ран. И наоборот, более слабые межмолекулярные силы способствуют подвижности цепей, что приводит к более гибким материалам.

4. Длина молекулярной цепи
Длина молекулярной цепи действует как палка о двух концах для жесткости и гибкости. Как правило, Более длинные цепи увеличивают запутанность молекул, ограничивая движение цепей и увеличивая жесткость. Однако, Более длинные цепи также обеспечивают большую конформационную свободу, предлагая дополнительные способы движения, которые могут придавать некоторую гибкость. Для полигидроксиалканоатов (ПГА) биологического происхождения увеличение степени полимеризации (длины цепи) повышает прочность на разрыв и твердость, сохраняя при этом степень гибкости, подходящую для различных областей применения.

5. Сшивание
Сшивание относится к химическим связям, соединяющим полимерные цепи в трехмерную сеть. В слабосшитых материалах цепи все еще сохраняют некоторую подвижность между точками сшивки, сохраняя гибкость при увеличении жесткости и прочности благодаря структуре сети. Например, слабосшитые гидрогели альгината натрия обладают хорошей гибкостью для прилегания к коже и достаточной прочностью для ухода за ранами. Высокосшитые материалы серьезно ограничивают движение цепи, делая материал твердым, хрупким и значительно более жестким с существенно сниженной гибкостью.

6. Внешние факторы
Температура существенно влияет на жесткость и гибкость полимера. По мере повышения температуры повышенное тепловое движение молекул увеличивает подвижность цепи, увеличивая гибкость и уменьшая жесткость. Более низкие температуры оказывают противоположный эффект. Влажность также влияет на некоторые гидрофильные биополимеры; например, материалы на основе целлюлозы поглощают влагу в средах с высокой влажностью, что ослабляет межмолекулярные силы, смягчает материал и уменьшает жесткость.