Механически индуцированные химические изменения в полимерных материалах

Chem. Rev. 2009, 109, 5755–5798

Механически индуцированные химические изменения в полимерных материалах

Mary M. Caruso, Douglas A. Davis, Qilong Shen, Susan A. Odom, Nancy R. Sottos, Scott R. White, and

Jeffrey S. Moore*

,†,‡

Departments of Chemistry, Materials Science and Engineering, and Aerospace Engineering and Beckman Institute, University of Illinois at

Urbana Champaign, Urbana, Illinois 61801

1.Введение

Техническое применение синтетических полимеров широко распространено благодаря их доступности, эксплуатационным характеристикам, низкой плотности и разнообразию механических свойств (Рис 1a). Не смотря на их повсеместную природу, новые полимеры включены в мультифункциональные системы с крайне сложным поведением. Эти возникающие свойства обычно описываютс как умные характеристики, где умность заключается в спецефическом ответе, вызываемым определенным стимулированием. Материалы, которые содержат эту стимулирование-ответ свойства, и таким образом достигают желаемого ответа (О, Ответ) будучи подвергнуты специфичному входу (I стимуляция). При условии, что механическая нагрузка неизменна, вместе с разнообразными механическими свойствами синтетических полимеров, не удивительно, что механочувствительные полимеры являются особенно привлекательным классом умных материалов.

Для того чтобы создать материал с нагрузка-ответ свойствами полезно рассматривать I-O отношения как процесс преобразования энергии. Достижение желаемого I-O взаимосвязи, таким образом, становиться проблемой нахождения как трансформировать энергию из воздействия в энергию, которая реализуют желаемый ответ. Лежащий в основе механизм, который формирует I-O связь, не должен быть прямым, одноступенчатым действием передачи, наоборот, полный процесс может проходить через последовательность шагов передачи энергии.  В этом смысле, сетка путей передачи энергии является полезным планом действий для создания стимуляция-ответ материалов (Рис 1b). Целью этого обзора является глубоко исследовать процесс передачи механической энергии в химическую в полимерных материалах. Явление механохимического переноса делает возможным многообразие функциональных ответов благодаря 2 пути, показанному на Рис. 1b.

1.1  Механическое поведение полимера

Полимерные материалы содержат экстраординарный диапазон механических ответов (Рис 1a), которые зависят от химической и физической структуры полимерных цепей. Полумеры грубо раскласифицированны как термопластики, термоотверждающиеся и эластомеры. Термопластичные полимеры состоят из линейных или разветвленных полимеров и могут быть аморфными или полукристаллическими. Механический ответ термопластичных полимеров во многом зависит от молекулярной массы, запутанности цепи, ориентации цепи и степени кристалличности. Термоотверждающиеся полимеры состоят из часто поперечно сшитых трехмерных цепей. Механические свойства этих аморфных полимеров зависят от молекулярной массы и частоты поперечных сшивок. Эластомеры, (например резина) являются легко деформируемыми эластичными цепями, которые слегка поперечно сшиты химическим или физическим связыванием.

Деформационный ответ большинства полимеров является вязкоупругим, отображая свойства как упругих твердых тел (обратимый механический ответ) и вязких жидкостей (необратимый механический ответ). Отсюда, реакция на воздействие зависит не только от структуры полимера, но так же и времени и температуры. Основным свойством для понимания вязкоупругого поведения является температура стеклования (Tg) полимера. При температуре выше (Tg), полимерные цепи показывают повышенную подвижность, делая возможным массе материала течь. При температуре ниже (Tg) подвижность ограничена, и полимер ведет себя как стекло, упругое твердое тело. Tg полимера определяется химической структурой, молекулярным весом и степенью химической или физической поперечной сшивки. Пониженные температуры и быстрые уровни нагрузки способствуют более стекловидному, упругому ответу благодаря недостаточному времени или подвижности для того, чтобы имел место вязкий или диссипативный механизм. Аналогично, высокие температуры и медленные уровни нагрузки приводят к более вязкому или резиноподобному эластичному ответу.

Макроскопический ответ полимера на механическую силу характеризуется с помощью разнообразных измерений, включающих в себя измерение предела прочности на разрыв, деформация разрушения, вязкость разрушения (сопротивления росту трещины), и модуль Юнга (исходный угол наклона кривой нагрузка-напряжение). Эти и другие выражения, связанные с механическим тестированием полимеров были рассмотренны детально в предыдущей публикации. Тем не менее, перенос макроскопического ответа на микро и молекулярную деформацию является сложной задачей и сильно зависит от близости Tg и полимерной структуры.