Новости химической науки > Дело о спутанных полимерных нитях

Исследователи смогли найти решение одной из наиболее давних проблем переработки полимеров – они разработали математическую модель, позволяющую предсказать характер течения расплавленных полимеров, содержащих сложную смесь разветвленных молекул с различной молекулярной массой и различной формой.

Результаты работы в перспективе позволят специалистам по химии полимеров найти способы направленного синтеза полимеров, получая такие структуры, которые бы обладали необходимыми свойствами для процесса обработки.

Группа исследователей под руководством Дэниэла Рида (Daniel Read) из Университета Лидса изучали полиэтилен низкой плотности [low density polyethylene (LDPE), ПНП], обработка которого различными способами (прядение, литье и т.д.) позволяет получать из него большое количество различных изделий. Обычно образец ПНП представляет собой сложную смесь разветвленных молекул, существенно отличающихся друг от друга по степени разветвленности и топологии, в результате чего обычно молекулы такого рода в образце полимера значительно переплетаются друг с другом. Благодаря этим обстоятельствам предсказание особенностей течения расплавленного полимера представляет собой непростую задачу.

Возможность предсказания особенностей взаимодействия полимерных цепей друг с другом позволит производить пластики с настраиваемыми свойствами.

Для теоретического моделирования течения полимерного расплава необходимо знать две вещи – во-первых, это распределение молекул различного размера, формы и степени разветвления в системе (ранее уже был разработан алгоритм, позволяющий предсказать характер такого распределения, опираясь на данные об условиях синтеза ПНП; во-вторых, для моделирования необходимо особенности отклика на внешнее воздействие, как отдельных молекул, так и их клубков.

Поведение отдельных молекул полимера можно сравнить с поведением небольших пружинок – при изменении их состояния и возбуждении они могут релаксировать и вернуться в исходное состояние за счет броуновского движения. Это приводит к тому, что вязкоупругие свойства смеси являются определяющим фактором реологических свойств расплава.

Сотрудничество со специалистами из производящих полимеры компаний Dow Benelux и LyondellBassell позволило химикам из Лидса продемонстрировать, что вязкоупругие свойства полимерного расплава могут быть предсказаны с беспрецедентной точностью для каждого определенного типа ПНП.

В результате работы исследователи совершили два прорыва – во-первых, они разработали метод, позволяющий проводить точное определение времени распутывания сегментов сложносплетенных молекул полимера, а во-вторых – результаты моделирования позволяют определить, как энергия растяжения одних полимерных нитей передается на другие полимерные нити.

Специалист по динамике полимеров из Университета Флориды Сачин Шанбаг (Sachin Shanbhag) отмечает, что ранее большая часть работ, пытавшихся решить сходную проблему, была посвящена относительно «чистым» полимерам (с низкой полидисперностью и низкой степенью разветвленности), поведение которых относительно предсказуемо, в то время, как более ценная практическая задача заключалась бы в разработке поведения более «грязных» полимеров, эту задачу и решили исследователи из Лидса.

Источник: Science, 2011, 333, 1871 (DOI: 10.1126/science.1207060)

метки статьи: #квантовая химия, #химическая технология, #химия полимеров