Polymerflüssigkeiten: Die erstaunliche Wissenschaft hinter Alltagsprodukten entdecken

Zusammenfassung:

Als besonderer Aggregatzustand ist Polymerflüssigkeit in unserer Produktion und unserem Leben allgegenwärtig. Sie weisen sowohl die Eigenschaften des viskosen Fließens als auch die Fähigkeit zur elastischen Deformation auf, sodass Polymerflüssigkeiten ein komplexes und vielfältiges rheologisches Verhalten aufweisen. Dieser Artikel wird die wunderbare Welt der Polymerflüssigkeiten vollständig enthüllen, beginnend mit den grundlegenden Konzepten und Klassifizierungen, über eine eingehende Untersuchung der molekularen Mechanismen einer Reihe rheologischer Phänomene bis hin zu einem Ausblick auf ihre Aussichten im Anwendungsbereich, sodass die Leser die neuesten Fortschritte und wichtigen Errungenschaften auf diesem Gebiet würdigen können.

Geschrieben von Lu Yuyuan (Forscher am Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinesische Akademie der Wissenschaften) und An Lijia (Forscher am Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)

Polymerflüssigkeit klingt etwas abstrakt. Doch egal, ob es sich um die Kunststoffe, Gummis und Fasern handelt, die wir in unserem täglichen Leben verwenden, oder um die verschiedenen Polymere und ihre Verbundwerkstoffe in der industriellen Produktion: Ihre Herstellung, Verarbeitung und Formgebung erfordern alle das Verständnis und die Anwendung der Fließ- und Verformungseigenschaften von Polymerflüssigkeiten, also der rheologischen Eigenschaften. Polymerflüssigkeiten können unter verschiedenen experimentellen oder Verarbeitungsbedingungen ein überraschend komplexes und vielfältiges rheologisches Verhalten aufweisen. Welche wissenschaftlichen Prinzipien verbergen sich also hinter diesen Phänomenen? Dieser Artikel wird Ihnen anhand einer Reihe interessanter Beispiele ein tieferes Verständnis der Geheimnisse von Polymerflüssigkeiten vermitteln und die magische Wissenschaft dahinter enthüllen.

Arten von Polymerflüssigkeiten

Makromoleküle sind langkettige Verbindungen, die aus vielen sich wiederholenden Einheiten (Monomeren) bestehen und allgemein auch als Polymere bezeichnet werden. Beispielsweise können wir Ethylenmoleküle miteinander verknüpfen, um ein sehr langes Molekül zu bilden, das Polyethylen ist. Polymerflüssigkeit ist ein bestimmter Zustand eines Polymers, wenn die Temperatur viel höher ist als seine Glasübergangstemperatur oder wenn es erstarrt ist, einschließlich Polymerschmelze und -lösung. Da Polymerflüssigkeiten sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften besitzen und ein komplexes und vielfältiges rheologisches Verhalten aufweisen, sind sie zu einem klassischen Modellsystem für die Polymerphysik und sogar für die Grundlagenforschung in der Polymerwissenschaft geworden. Die Rheologie von Polymerflüssigkeiten ist auch zur disziplinären Grundlage für die Verarbeitung und Formgebung von Polymermaterialien geworden.

Entsprechend der unterschiedlichen topologischen Struktur der Polymerketten (siehe Abbildung 1) können Polymere in lineare Polymere, zirkuläre Polymere, verzweigte Polymere, hyperverzweigte Polymere usw. unterteilt werden [1-3]. Jeder Polymertyp verfügt über einzigartige rheologische und physikalische Eigenschaften, die ihm seine eigenen Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Bereichen verleihen.

Abbildung 1 Schematische Darstellung von Polymeren mit unterschiedlicher topologischer Struktur: (a) lineare, (b) zirkuläre, (c) verzweigte und (d) hyperverzweigte Polymere.

(1) Lineare Polymere sind Verbindungen, die aus linear verbundenen Wiederholungseinheiten bestehen. Sie sind der am häufigsten vorkommende Polymertyp und lassen sich gut verarbeiten. Beispiel: Lineares Polyethylen weist eine sehr hohe Flexibilität und Plastizität auf und wird daher häufig in industriellen und alltäglichen Bedarfsartikeln wie technischen Rohren, Plastiktüten und Plastikfolien verwendet.

(2) Zyklische Polymere sind Polymere, die eine kreisförmige, geschlossene Struktur aus sich wiederholenden Einheiten bilden und keine Enden haben. Auf mikroskopischer Ebene reagiert das Fließverhalten ringförmiger Polymere sehr empfindlich auf Veränderungen der äußeren Umgebung, d. h. es weist die Eigenschaft „kleiner Reiz, große Reaktion“ auf. Gleichzeitig verfügt es über einzigartige Lösungseigenschaften (wie etwa eine charakteristische Viskosität), wodurch ringförmige Polymere einen wichtigen Anwendungswert in der Strömungsdynamikforschung im Mikro- und Nanomaßstab haben.

(3) Verzweigte Polymere sind eine spezielle Art von Polymeren mit vielen Seitenketten. Im Vergleich zu allgemeinen linearen Polymeren haben verzweigte Polymere eine Reihe einzigartiger Vorteile. Wir können seine Leistung flexibel anpassen, indem wir die Anzahl und Position der Seitenketten anpassen und so eine Vielzahl von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden. Wenn die Seitenketten kürzer sind, weisen verzweigte Polymere eine höhere Schmelzfließfähigkeit auf, wodurch sie bei der Verarbeitung leichter plastisch verformt werden können, um komplexe Formen und Strukturen zu erzeugen. Daher werden verzweigte Polymere häufig bei der Herstellung von Kunststoffprodukten wie Kinderspielzeug verwendet. Wenn andererseits die Seitenkette länger ist, wird die Molekularstruktur des verzweigten Polymers komplexer, wodurch es Korrosion und Auflösung durch Säuren, Basen und andere Chemikalien besser widersteht und eine gute chemische Korrosionsbeständigkeit aufweist, was langkettige verzweigte Polymere zu einem idealen Verpackungsmaterial macht.

(4) Hyperverzweigte Polymere sind ein Polymertyp mit einem höheren Verzweigungsgrad, einer komplexeren räumlichen Struktur und mehr Verzweigungspunkten in der Molekülkette [4-6]. Dendrimere sind eine spezielle Art hyperverzweigter Polymere mit perfekter Struktur. Diese komplexe Kettentopologie verleiht hyperverzweigten Polymeren hervorragendere Eigenschaften, wie etwa höhere Festigkeit, Elastizität, Reibungswiderstand, hervorragende Transporteigenschaften usw., weshalb hyperverzweigte Polymere häufig in Schmiermitteln, Klebstoffen, Beschichtungen, Arzneimittelträgern und sogar Reifenlaufflächengummis verwendet werden.

Die Struktur bestimmt die Eigenschaften, die Eigenschaften bestimmen die Nutzung

„Die Struktur bestimmt die Eigenschaften und die Eigenschaften bestimmen die Verwendung“ ist das Prinzip, dem Materialwissenschaftler normalerweise folgen. Um die Leistungsfähigkeit von Polymermaterialien weiter zu verbessern und zu erweitern, setzen Wissenschaftler vor allem Copolymerisations- und Mischverfahren ein (siehe Abbildung 2) [2, 7] .

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Copolymerisation und Mischung von Polymeren. [7]

Unter Copolymerisation versteht man die Polymerisationsreaktion zweier oder mehrerer Wiederholungseinheiten unter bestimmten Bedingungen im flüssigen Zustand zur Bildung eines Copolymers mit komplexen Eigenschaften. Beispiel: Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS-Kunststoff) ist ein häufig verwendeter technischer Hochleistungskunststoff. Unter diesen verleiht Acrylnitril (A) dem Material eine hervorragende Hitzebeständigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit, die Zugabe von Butadien (B) verleiht dem Material eine gute Schlagzähigkeit und Styrol (S) erhöht die Härte und Steifigkeit des Materials, wodurch das Material in der Automobilindustrie, der Elektronik, bei Haushaltsgeräten, im Bauwesen und in anderen Bereichen weit verbreitet ist.

Beim Mischen handelt es sich um den Vorgang, zwei oder mehr verschiedene Polymere im flüssigen Zustand miteinander zu vermischen, um ein Material mit hervorragenden Gesamteigenschaften zu erhalten. Diese Art von Mischmaterial lässt sich leicht herstellen und kann die Leistungsmerkmale verschiedener Polymere kombinieren, sodass sie ein breiteres Anwendungsspektrum haben und den Vorteil haben, relativ günstig zu sein.

Aus der obigen Einführung ist ersichtlich, dass unterschiedliche Arten und Strukturen von Polymerflüssigkeiten Polymermaterialien ihre eigenen einzigartigen rheologischen und physikalischen Eigenschaften verleihen. Durch rationales Design und Modifikation erforschen und entwickeln Wissenschaftler weiterhin neue Polymermaterialien und bieten so mehr Möglichkeiten für unsere Produktion, unser Leben und unseren technologischen Fortschritt.

Typische rheologische Phänomene

In der Grundlagenforschung werden die Forscher verschiedene Experimente zur Charakterisierung der rheologischen Phänomene von Polymerflüssigkeiten entwerfen, um ein tieferes Verständnis der nichtlinearen rheologischen Verhaltensweisen und Mechanismen von Polymerflüssigkeiten zu erlangen. Am Beispiel von Kunststoff, dem im Alltag am häufigsten vorkommenden Polymermaterial, wollen wir die typischen rheologischen Phänomene von Polymerflüssigkeiten verstehen.

Kunststoff ist ein plastisches Material aus hochmolekularen Stoffen, das beim Erhitzen weich und gut formbar wird und beim Abkühlen zäh wird [1, 2]. Diese Plastizität ist auf das unterschiedliche rheologische Verhalten von Polymerflüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen zurückzuführen. Wenn der weiche Kunststoff nach dem Erhitzen einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, bewegen sich die darin enthaltenen Polymerketten schnell, was zu einer plastischen Verformung des gesamten Materials führt. und wenn die äußere Kraft entfernt wird, kommt es zu einer teilweisen (oder sogar vollständigen) Rückfederung und die Polymerketten kehren in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Wenn der Kunststoff schnell abgekühlt wird, bevor die äußere Kraft entfernt wird, behält er seine aktuelle Form und wird zäh; Bei erneuter schneller Erwärmung federt der Kunststoff zurück und erzeugt einen starken „Memory-Effekt“.

Ein weiteres im täglichen Leben häufig verwendetes Polymermaterial ist Gummi. Es verfügt über besondere Eigenschaften wie hervorragende Elastizität und Haltbarkeit und wird als „Elastomer“ bezeichnet [2] . Einerseits kann es aufgrund seiner niedrigen Glasübergangstemperatur bei Raumtemperatur als spezielle Polymerflüssigkeit angesehen werden; Andererseits kann es aufgrund seiner einzigartigen Polymerstruktur und Vernetzungseigenschaften als besonderer Polymerfeststoff angesehen werden. Die Vernetzungseigenschaft bezieht sich auf die dreidimensionale Netzwerkstruktur, die durch die Kautschukmolekülketten gebildet wird, die durch chemische Bindungen oder physikalische Vernetzungspunkte miteinander verbunden sind. Diese vernetzte Struktur verleiht dem Gummimaterial die Fähigkeit, schnell in seine ursprüngliche Form zurückzukehren und verleiht ihm eine hohe Zug-, Druck- und Verschleißfestigkeit. Gerade aufgrund der vorhandenen Vernetzungseigenschaften können sich Gummimaterialien an verschiedene komplexe Belastungsumgebungen anpassen und spielen beispielsweise eine wichtige Rolle bei Reifen, Sportschuhsohlen, Gummischläuchen und Dichtungen.

Das am häufigsten verwendete Gummiband ist eine stark vernetzte Polymerflüssigkeit. Obwohl es im Allgemeinen als Feststoff betrachtet wird, können die Molekülketten in seinem Inneren bei Raumtemperatur noch immer eine relativ freie thermische Bewegung ausführen, wie flüssige Wassermoleküle, was auch ein wesentlicher Unterschied zwischen Gummimaterialien und Materialien mit kleinen Molekülen ist. Wenn wir ein Gummiband schnell dehnen, tritt ein interessantes Phänomen auf: Mit bloßem Auge können wir erkennen, dass sich auf dem Gummiband viele Härchen befinden. Dieses Phänomen lässt sich durch das lamellare Gleiten von Polymerketten erklären: Wenn eine äußere Kraft das Gummiband dehnt, werden die Polymerketten gedehnt; Gleichzeitig werden auch die Vernetzungspunkte zwischen den Polymerketten durch die Zugkraft beeinflusst. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit der Vernetzungspunkte lassen sich einige Vernetzungspunkte jedoch leichter verschieben als andere, und dann gleiten einige Kettensegmente in die Richtung senkrecht zur Spannung, wodurch eine unscharfe Struktur entsteht. Dieses Lamellengleitphänomen wird durch die Umverteilung der Energie während des Dehnungsprozesses verursacht. Solange das Gummiband jedoch nicht zu weit gedehnt wird, d. h. die Polymerkette nicht reißt, kehrt die Polymerkette nach Wegfall der äußeren Kraft in ihren ursprünglichen Zustand zurück und das Gummiband nimmt seinen ursprünglichen Zustand wieder an. Ob es sich nun um die Elastizität der Gummisohlen von Sportschuhen oder die Haftung von Autoreifen handelt, sie sind untrennbar mit der besonderen Bewegung und Verformung der Polymerketten im Gummi verbunden.

Polymerflüssigkeiten haben großes Anwendungspotenzial

Die Forschung an Polymerflüssigkeiten ist nicht nur für die Entwicklung der Grundlagenforschung von großer Bedeutung, sondern weist auch großes Potenzial in vielen Anwendungsbereichen auf. Im Bereich der Materialwissenschaften ist die Untersuchung des rheologischen Verhaltens von Polymerflüssigkeiten von großer Bedeutung für die Verbesserung der Materialaufbereitungsmethoden und die Leistungsregulierung. Durch ein tieferes Verständnis des Verhaltens von Polymerflüssigkeiten können Menschen den Prozess der Materialsynthese optimieren und die Festigkeit, Zähigkeit, Wetterbeständigkeit sowie die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Materialien verbessern. Beispielsweise haben Forscher der Jilin-Universität und der Soochow-Universität dynamische reversible Bindungen verwendet, um Materialien und Geräten hervorragende Eigenschaften wie hervorragende mechanische Eigenschaften, Reparaturfähigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit zu verleihen [8-10].

Auch im Bereich der Biomedizin haben Polymerflüssigkeiten eine wichtige Anwendungsbedeutung. Beispiel: Forscher der Stanford University haben eine Reihe biomimetischer Materialien für den Einsatz in Bereichen wie Tissue Engineering und medizinische Geräte entwickelt. Unter anderem entwickelten sie eine künstliche Haut, die natürliche Haut stärker simulieren kann [11, 12]. Diese künstliche Haut kann sich bei Einwirkung äußerer Kräfte schnell erholen oder heilen und kann Veränderungen in der Umgebung besser wahrnehmen. Im medizinischen Bereich kann es zur Behandlung von Verbrennungen, Traumata und Hauttransplantationen usw. eingesetzt werden, um den Heilungsprozess des Patienten zu beschleunigen und seine Schmerzen zu lindern.

Polymerflüssigkeiten haben auch in vielen anderen Anwendungsbereichen ein erstaunliches Potenzial gezeigt, beispielsweise im 3D-Druck, in der Nanotechnologie, in der flexiblen Elektronik usw. Die Forschungsergebnisse zu Polymerflüssigkeiten werden den industriellen Fortschritt und die Entwicklung neuer Technologien fördern und so für mehr Komfort und Wohlbefinden in der Produktion und im Leben der Menschen sorgen.

Herausforderungen in der Polymerfluidforschung

Aufgrund der komplexen Kettenstruktur und Kettenbewegung sowie der nichtlinearen Reaktion unter Strömungsbedingungen steht auch die Grundlagenforschung zu Polymerflüssigkeiten vor großen Herausforderungen. Beispiel: Das Phänomen der „Spannungslokalisierung“ bei Polymerflüssigkeiten ist ein Thema, das in der internationalen akademischen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit und Debatten hervorgerufen hat. Bei der sogenannten Dehnungslokalisierung handelt es sich um das Phänomen, dass in einer makroskopisch gleichmäßigen Struktur eine ungleichmäßige Dehnung oder gar ein Bruch auftritt; Unter bestimmten Bedingungen führt die Spannungslokalisierung zu einem „lawinenartigen“ Abfall der mechanischen Eigenschaften von Polymermaterialien. Daher sind die Bestätigung seiner Existenz und die Aufklärung seines Mechanismus auf molekularer Ebene für die wissenschaftliche Forschung und Materialentwicklung von großer Bedeutung.

In den letzten Jahren hat sich die groß angelegte Computersimulation zu einem wichtigen Mittel entwickelt, um das komplexe rheologische Verhalten und die molekularen Mechanismen von Polymerflüssigkeiten aufzudecken. Dem Changchun Institute of Applied Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist es in Zusammenarbeit mit dem California Institute of Technology gelungen, die Existenz typischer Spannungslokalisierungsphänomene in Polymerflüssigkeiten – „makroskopische Strömung (Schmelzbruch)“ und „Scherband“ (siehe Abbildung 3) – zu bestätigen und den entsprechenden molekularen Mechanismus aufzudecken [13, 14] . Die Jilin-Universität hat die GPU-beschleunigte Molekulardynamik-Simulationssoftware GALAMOST entwickelt, die die Bewegung von Molekülketten in Polymerflüssigkeiten schnell simulieren kann und Forschern damit ein leistungsfähiges und effektives Werkzeug zur Verfügung stellt [15] . Neben Computersimulationen gibt es auch Forschungen, die sich der Entwicklung von Simulationsplattformen widmen, die unabhängig von kommerzieller Software sind, um Herausforderungen in bestimmten Bereichen zu bewältigen. Beispielsweise haben die Jilin-Universität und das Changchun-Institut für Angewandte Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammengearbeitet, um eine unabhängige digitale Designplattform für die umfassende Leistungssimulation von Flugzeugreifen mit zugrunde liegender Technologie zu entwickeln [16-18]. Diese Plattform kann die konstitutive Beziehung von Reifen unter komplexen Arbeitsbedingungen schnell und genau lösen. Diese digitale Designsoftware kann wichtige technische Unterstützung für die Konstruktion von Flugzeugreifen bieten.

Abbildung 3 Typische Dehnungslokalisierungsphänomene in Polymerflüssigkeiten – „makroskopische Strömung“ und „Scherband“.

Zusammenfassung

Als besonderer Aggregatzustand weisen Polymerflüssigkeiten erstaunliche rheologische Eigenschaften auf. Von Plastiktüten und Gummibändern bis hin zu synthetischen Fasern bieten uns Polymermaterialien eine Vielzahl praktischer Lösungen und bringen viele Annehmlichkeiten in unser Leben. Tatsächlich sind die Anwendungsaussichten von Polymerflüssigkeiten sehr vielfältig, beispielsweise liefern sie neue Ideen zur Lösung von Energie- und Umweltproblemen, eröffnen neue Möglichkeiten für bionische Materialien und die Arzneimittelverabreichung und so weiter. All dies ist untrennbar mit der Beherrschung der rheologischen Eigenschaften von Polymerflüssigkeiten verbunden. Im Hinblick auf den Forschungsmechanismus werden Computersimulationen und Simulationssoftware zu leistungsstarken Werkzeugen, um das komplexe rheologische Verhalten von Polymerflüssigkeiten zu lösen. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung und Anwendung dieser Technologien werden die Menschen ein tieferes Verständnis für Polymerflüssigkeiten entwickeln und diese werden in den Bereichen Wissenschaft und Technik sicherlich eine größere Bedeutung erlangen.

Verweise

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[15] Zhu, Y.-L.; Liu, H.; Li, Z.-W.; Qian, H.-J.; Milano, G.; Lu, Z.-Y. GALAMOST: GPU-beschleunigtes Toolkit für groß angelegte Molekülsimulationen. Journal Of Computational Chemistry 2013, 34 (25), 2197-2211.

[16] Zhang Ran; Zuo Wenjie; Lu Yuyuan; Bai Jiantao; Tang Tao; An Lijia. Eine dynamische Berechnungsmethode zur Lösung des stationären Reifenrollens. 2023, China, Staatliches Amt für geistiges Eigentum, 2023112123571.

[17] Lu Yuyuan; Bai Jiantao; Zhang Ran; Zuo Wenjie; An Lijia; Tang Tao. Datenbanksoftware für Finite-Elemente-Modelle von Flugreifen, V1.0. 2023, China, Nationale Urheberrechtsverwaltung, 2023SR0874638.

[18] Zuo Wenjie; Zhao Cunwei; Zhang Ran; Lu Yuyuan; An Lijia; Tang Tao. Software zur Modellierung der Finite-Elemente-Prozessautomatisierung für die Struktur von Flugzeugreifen, V1.0. 2023, China, Nationale Urheberrechtsverwaltung, 2023SR0874126.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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