Учёные нашли решение проблемы прочности полимерных стёкол с помощью наночастиц. Включение в состав полимерных стёкол одноцепочечных наночастиц — крошечных, свёрнутых полимерных цепочек — позволяет сделать стекло прочнее, устойчивее к ударным нагрузкам и технологичнее за счёт их использования в качестве армирующих элементов.
В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, китайские учёные преодолели эти проблемы, используя наночастицы из скрученных одноцепочечных полимеров (SCNPs). По словам исследователей, их подход открывает новый путь для создания усовершенствованных полимерных стёкол, сочетающих прочность, ударную вязкость и технологичность таким образом, который ранее считался несовместимым.
Полимерное стекло и его применение
Полимерное стекло, также известное как плексиглас, широко используется для изготовления очков, корпусов аквариумов и музейных витрин. Десятилетиями исследователи искали способы улучшения механических свойств плексигласа, уделяя особое внимание повышению его прочности и ударной вязкости.
Прочность — это уровень напряжения, при котором материал начинает деформироваться. Ударная вязкость измеряет количество энергии, которое он может поглотить до разрушения.
Прочный материал может выдерживать высокие нагрузки, но может внезапно разрушиться без предупреждения, в то время как материал с высокой ударной вязкостью сопротивляется разрушению, деформируясь, перераспределяя напряжение и замедляя рост трещин.
Практическое применение плексигласа требует сочетания обоих свойств, поэтому учёные давно пытаются объединить прочность и ударную вязкость в одном материале. Однако они часто сталкиваются с компромиссом между прочностью и ударной вязкостью. Это условие диктует, что улучшение одного свойства обычно приводит к ухудшению другого: более прочные материалы склонны становиться хрупкими, а более устойчивые к ударам материалы часто теряют в прочности.
Предыдущие попытки улучшения свойств
Предыдущие попытки улучшить прочность и ударную вязкость включали добавление жёстких нанокристаллов, что увеличивало вязкость и затрудняло обработку. Это создавало сложную задачу, когда улучшение любых двух свойств достигалось за счёт третьего.
Подход исследователей
Для этого исследования учёные ввели одноцепочечные наночастицы (SCNPs) в матрицу поли(этилметакрилата) двумя способами: простым смешиванием и химическим сшиванием.
Они проверили материалы на прочность, ударную вязкость и вязкость расплава, а также использовали электронную микроскопию для визуализации распределения SCNPs в матрице плексигласа. Чтобы понять механизмы, они также провели моделирование молекулярной динамики.
Результаты подтвердили, что SCNPs были равномерно распределены и показали более высокую температуру стеклования, чем окружающая матрица.
При растяжении SCNPs перемещались, образуя стабилизирующие связи между микроскопическими фибриллами в плексигласе. Такое поведение помогает задержать разрушение и образование микротрещин — формирование крошечных узоров, напоминающих трещины, которые обычно распространяются и приводят к разрушению, — делая материал гораздо более устойчивым к разрушению.
Подвижная природа SCNPs оказалась решающей, поскольку их деформируемые поверхности позволили полимерным цепочкам проникать и скользить по ним, действуя как внутренние смазочные материалы, снижающие вязкость расплава. Вместе эти явления позволили SCNPs преодолеть традиционный компромисс, сделав полимерное стекло более прочным, устойчивым к ударным нагрузкам и технологичным.
© 2025 Science X Network