مخاليط ومواد البوليمرات المركبة

يؤدي خلط البوليمرات أو تقويتها بالألياف والمواد المالئة إلى الجمع بين نقاط القوة للمواد المختلفة، مما ينتج عنه أنظمة متعددة الأطوار تحدد واجهاتها وخصائصها المورفولوجية التوازن النهائي بين الصلابة والمتانة والخصائص الأخرى.

Definition

مخاليط البوليمرات هي خلائط فيزيائية من بوليمرين أو أكثر، والمواد المركبة البوليمرية هي مواد تُقوى فيها مصفوفة بوليمرية بالألياف أو الجسيمات؛ وكلاهما أنظمة متعددة الأطوار تعتمد خصائصها على التركيب، ومورفولوجيا الطور، والالتصاق البيني.

Scope

يغطي هذا الموضوع التركيبات الفيزيائية للبوليمرات والمقويات: المخاليط القابلة للامتزاج مقابل غير القابلة للامتزاج وندرة الامتزاج، مورفولوجيا الطور والتوافق، تقوية البوليمرات الهشة بالمطاط المشتت، والمواد المركبة المقواة بالألياف والجسيمات بما في ذلك دور الواجهة وتقدير قاعدة الخلط للصلابة.

Core questions

• لماذا تكون معظم أزواج البوليمرات غير قابلة للامتزاج، وما هي المورفولوجيا الناتجة؟
• كيف يحسن التوافق خصائص الخليط؟
• كيف يقوي المطاط المشتت البلاستيك الهش؟
• كيف تتحكم هندسة التقوية والواجهة في صلابة وقوة المواد المركبة؟

Key theories

سلوك الطور وتوافق المخاليط

نظرًا لأن خلط السلاسل الطويلة يكتسب القليل من الانتروبيا، فإن معظم المخاليط تنفصل طوريًا؛ ويتحكم حجم والتصاق الطور المشتت في الخصائص، وتقلل عوامل التوافق من نوع الكتلة أو التطعيم (block or graft compatibilizers) التوتر البيني وتثبت مورفولوجيا دقيقة وجيدة الترابط.

التقوية ونقل الحمل في المواد المركبة

تحمل الألياف أو الجسيمات الصلبة الحمل المنقول عبر الواجهة بين المصفوفة والمقوي، وبالتالي تزداد صلابة المادة المركبة مع محتوى التقوية وتوجيهها بينما تعتمد المتانة والقوة بشكل حاسم على الالتصاق البيني وطول الألياف.

Mechanisms

عندما يتم خلط بوليمرين بالصهر، فإن الانتروبيا الصغيرة للخلط عادة ما تجعلهما غير قابلين للامتزاج، لذلك يتشتت أحدهما كـنطاقات (domains) في الآخر؛ ويتحكم حجم النطاق والالتصاق البيني، اللذان يمكن تعديلهما باستخدام عوامل التوافق (compatibilizers)، فيما إذا كان الخليط هشًا أم متينًا. تعمل جسيمات المطاط المشتتة على تقوية مصفوفة زجاجية عن طريق بدء والتحكم في العديد من الشقوق الدقيقة (crazes) أو نطاقات القص (shear bands) التي تمتص الطاقة. في المواد المركبة، ينتقل الحمل المطبق من المصفوفة المرنة إلى الألياف أو الجسيمات الصلبة عبر واجهتها، وبالتالي فإن معامل تقوية المادة، والكسر الحجمي، ونسبة الأبعاد، والتوجه، جنبًا إلى جنب مع الترابط البيني، تحدد الصلابة والقوة الكلية.

Clinical relevance

تهيمن المخاليط والمواد المركبة على التطبيقات الهندسية لأنها تحقق تركيبات خصائص لا يوفرها بوليمر واحد: فالبلاستيك المقوى بالمطاط مثل البوليسترين عالي التأثير (high-impact polystyrene) و ABS يوفر مقاومة الصدمات، وسبائك البوليمرات تصمم التكلفة والأداء، والمواد المركبة المقواة بالألياف توفر مواد خفيفة الوزن وصلبة وقوية لتطبيقات الفضاء والسيارات والسلع الرياضية والبناء.

History

ظهرت البلاستيكات المقواة بالمطاط في منتصف القرن العشرين مع البوليسترين عالي التأثير و ABS، وتم تنظيم مخاليط البوليمرات والشبكات المتداخلة (interpenetrating networks) منذ السبعينيات، ونمت المواد المركبة عالية الأداء المقواة بالألياف القائمة على الألياف الزجاجية والكربون والأراميد بسرعة خلال نفس الفترة لتلبية متطلبات المواد الهيكلية خفيفة الوزن.

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

لماذا تكون معظم مخاليط البوليمرات غير قابلة للامتزاج؟

يكتسب خلط السلاسل الطويلة القليل جدًا من الانتروبيا، لذا فإن التفاعلات غير المواتية حتى لو كانت صغيرة تسبب انفصال الطور. لذلك تتكون معظم المخاليط من بوليمر واحد مشتت كنطاقات داخل بوليمر آخر بدلاً من تكوين محلول متجانس.

كيف يجعل إضافة المطاط البلاستيك أكثر متانة؟

تعمل جسيمات المطاط المشتتة كمركزات إجهاد تؤدي إلى العديد من الشقوق الدقيقة (crazes) أو نطاقات القص (shear bands) الصغيرة الممتصة للطاقة بدلاً من صدع كارثي واحد. وهذا ينشر التشوه ويزيد بشكل كبير من مقاومة الصدمات.