Schwächere Bindungen brechen leichter als alle starken Polymere

Schwächere Bindungen stärken die Polymere.

Chemiker des MIT und der Duke University haben einen neuartigen Ansatz zur Verstärkung von Polymeren entwickelt, indem sie schwächere Verbindungen in das Material einbauen.

Die Forscher fanden heraus, dass die Verwendung einer schwächeren Form von Vernetzern zur Bindung von Teilen der Polymerbausteine ​​die Reißfestigkeit der Materialien um das Zehnfache erhöhen könnte.

Diese gummiartigen Polymere werden häufig in Autoteilen und als „Tinte“ für 3D-gedruckte Produkte verwendet. Die Forscher untersuchen die Möglichkeit, diesen Ansatz auf andere Materialien, beispielsweise Gummireifen, auszudehnen.

Jeremiah Johnson, Professor für Chemie am MIT und einer der leitenden Autoren der Studie, die heute in Science erscheint, sagte: „Wenn man einen Gummireifen zehnmal reißfester machen könnte, könnte das dramatische Auswirkungen auf die Reifen haben.“ Lebensdauer des Reifens und von der Menge an Mikroplastikmüll, der abbricht.“

„Polymeringenieure wissen, wie man Materialien härter macht, aber dabei geht es immer darum, einige Materialeigenschaften zu ändern, die man nicht ändern möchte. Hier erfolgt die Verbesserung der Zähigkeit ohne weitere wesentliche Änderung der physikalischen Eigenschaften – zumindest was wir messen können, und sie wird durch den Ersatz nur eines kleinen Bruchteils des Gesamtmaterials erreicht.“ sagt Stephen Craig, Professor für Chemie an der Duke University und leitender Autor des Artikels.

Die Forscher fanden heraus, dass die Verwendung schwächerer Endverknüpfer zum Zusammenbinden der Polymerstränge den Verbund schwächt. Die schwächeren Linker, die zyklische Moleküle enthalten, die als Cyclobutan bekannt sind, können mit weitaus weniger Kraft aufgebrochen werden als diejenigen, die normalerweise zum Verbinden dieser Bausteine ​​eingesetzt werden.

Eine neue Studie untersuchte ein anderes Polymernetzwerk, bei dem Polymerstränge an zufälligen Punkten mit anderen Strängen vernetzten, anstatt an den Enden vereint zu sein. Als die Forscher dieses Mal schwächere Linker zur Verbindung der Acrylatbausteine ​​einsetzten, wurde das Material deutlich reißfester.

Mit dieser Methode konnte gezeigt werden, dass Polyacrylate mit einigen schwächeren Linkern neun- bis zehnmal schwieriger zu zerreißen waren als Polyacrylate, die mit stärker vernetzenden Molekülen hergestellt wurden. Obwohl die schwachen Vernetzer nur etwa 2 Prozent der Gesamtzusammensetzung des Materials ausmachten, wurde dieses Ergebnis dennoch erzielt. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass die anderen Eigenschaften des Materials, wie z. B. seine Beständigkeit gegen Zersetzung unter Hitze, durch die Änderung der Zusammensetzung nicht beeinträchtigt wurden.

Zwei Materialien weisen selten die gleiche Struktur und Eigenschaften auf Netzwerkebene auf, weisen jedoch je nach Ausmaß unterschiedliche Risse auf. Die Forscher untersuchen, ob sich mit dieser Methode auch die Härte anderer Materialien wie Gummi erhöhen lässt.

Die Forschung der Gruppe zur Polymerfestigkeit ist Bestandteil des Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks, das von der National Science Foundation finanziert und von Craig geleitet wird. Ziel des Zentrums ist es zu lernen, wie sich die molekularen Eigenschaften von Polymernetzwerken auf deren physikalisches Verhalten auswirken.

Die Forscher zeigten auch, dass die anderen Eigenschaften des Materials, wie etwa seine Beständigkeit gegen Zersetzung unter Hitze, durch diese veränderte Zusammensetzung nicht beeinträchtigt wurden.

Johnson sagte: „Es ist ziemlich selten, dass zwei Materialien die gleiche Struktur und die gleichen Eigenschaften auf Netzwerkebene haben, sich aber beim Reißen um fast eine Größenordnung unterscheiden.“

Derzeit untersuchen die Forscher die Möglichkeit, mit dieser Strategie die Härte anderer Materialien wie Gummi zu erhöhen.

Craig sagte: „Hier gibt es viel zu erforschen, welches Verbesserungsniveau bei anderen Arten von Materialien erreicht werden kann und wie man es am besten nutzt.“

Im Center for the Chemistry of Molecularly Optimized Networks, das von der National Science Foundation finanziert wird, sind die Arbeiten der Gruppe zur Polymerfestigkeit untergebracht. Unter der Leitung von Craig möchte dieses Zentrum untersuchen, wie sich die molekularen Eigenschaften von Polymernetzwerken auf deren physikalisches Verhalten auswirken.

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