पॉलीमर ब्लेंड और कंपोजिट

पॉलीमर को मिलाना या उन्हें रेशों और फिलर्स से मजबूत करना विभिन्न सामग्रियों की ताकत को जोड़ता है, जिससे बहु-चरण प्रणालियाँ बनती हैं जिनके इंटरफेस और आकृति विज्ञान कठोरता, मजबूती और अन्य गुणों का अंतिम संतुलन निर्धारित करते हैं।

Definition

पॉलीमर ब्लेंड दो या दो से अधिक पॉलिमर के भौतिक मिश्रण होते हैं, और पॉलीमर कंपोजिट ऐसी सामग्रियां होती हैं जिनमें एक पॉलीमर मैट्रिक्स को रेशों या कणों से मजबूत किया जाता है; दोनों बहु-चरण प्रणालियाँ हैं जिनके गुण संरचना, चरण आकृति विज्ञान और अंतरापृष्ठीय आसंजन पर निर्भर करते हैं।

Scope

यह विषय पॉलिमर और सुदृढीकरण के भौतिक संयोजनों को शामिल करता है: मिश्रणीय बनाम अमिश्रणीय मिश्रण और मिश्रणीयता की दुर्लभता, चरण आकृति विज्ञान और संगतता, बिखरे हुए रबर द्वारा भंगुर पॉलिमर का सख्त होना, और फाइबर- और कण-प्रबलित कंपोजिट जिसमें इंटरफेस की भूमिका और कठोरता के नियम-ऑफ-मिक्सचर अनुमान शामिल हैं।

Core questions

• अधिकांश पॉलीमर जोड़े अमिश्रणीय क्यों होते हैं, और इसका क्या आकृति विज्ञान परिणाम होता है?
• संगतता (compatibilization) मिश्रण के गुणों में कैसे सुधार करती है?
• बिखरा हुआ रबर एक भंगुर प्लास्टिक को कैसे मजबूत करता है?
• सुदृढीकरण ज्यामिति और इंटरफेस कंपोजिट की कठोरता और शक्ति को कैसे नियंत्रित करते हैं?

Key theories

मिश्रणों का चरण व्यवहार और संगतता

क्योंकि लंबी श्रृंखलाओं को मिलाने से बहुत कम एन्ट्रापी प्राप्त होती है, अधिकांश मिश्रण चरण-पृथक होते हैं; बिखरे हुए चरण का आकार और आसंजन गुणों को नियंत्रित करता है, और ब्लॉक या ग्राफ्ट संगतकर्ता अंतरापृष्ठीय तनाव को कम करते हैं और एक महीन, अच्छी तरह से बंधे हुए आकृति विज्ञान को स्थिर करते हैं।

कंपोजिट में सुदृढीकरण और भार स्थानांतरण

कठोर फाइबर या कण मैट्रिक्स-सुदृढीकरण इंटरफेस के पार स्थानांतरित भार को वहन करते हैं, इसलिए कंपोजिट की कठोरता सुदृढीकरण सामग्री और अभिविन्यास के साथ बढ़ती है जबकि मजबूती और शक्ति अंतरापृष्ठीय आसंजन और फाइबर की लंबाई पर गंभीर रूप से निर्भर करती है।

Mechanisms

जब दो पॉलिमर को पिघलाकर मिलाया जाता है, तो मिश्रण की छोटी एन्ट्रापी आमतौर पर उन्हें अमिश्रणीय छोड़ देती है, इसलिए एक दूसरे में डोमेन के रूप में फैल जाता है; डोमेन का आकार और अंतरापृष्ठीय आसंजन, जिसे संगतकर्ताओं (compatibilizers) के साथ ट्यून किया जा सकता है, यह नियंत्रित करता है कि मिश्रण भंगुर है या मजबूत। बिखरे हुए रबर के कण कई छोटे क्रेज़ (crazes) या शीयर बैंड (shear bands) को शुरू करके और नियंत्रित करके एक काँच जैसे मैट्रिक्स को मजबूत करते हैं जो ऊर्जा को अवशोषित करते हैं। कंपोजिट में, लगाया गया भार लचीले मैट्रिक्स से कठोर रेशों या कणों तक उनके इंटरफेस के पार स्थानांतरित होता है, इसलिए सुदृढीकरण का मापांक (modulus), आयतन अंश (volume fraction), पहलू अनुपात (aspect ratio), और अभिविन्यास (orientation), अंतरापृष्ठीय बंधन के साथ मिलकर, समग्र कठोरता और शक्ति को निर्धारित करते हैं।

Clinical relevance

ब्लेंड और कंपोजिट इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों पर हावी हैं क्योंकि वे ऐसे गुणों के संयोजन तक पहुँचते हैं जो कोई भी एकल पॉलीमर प्रदान नहीं करता है: रबर-कठोर प्लास्टिक जैसे उच्च-प्रभाव पॉलीस्टाइनिन और एबीएस प्रभाव प्रतिरोध प्रदान करते हैं, पॉलीमर मिश्र धातु लागत और प्रदर्शन को अनुकूलित करते हैं, और फाइबर-प्रबलित कंपोजिट एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव, खेल के सामान और निर्माण के लिए हल्के, कठोर, मजबूत सामग्री प्रदान करते हैं।

History

रबर-कठोर प्लास्टिक मध्य-बीसवीं शताब्दी में प्रभाव पॉलीस्टाइनिन और एबीएस के साथ उभरे, पॉलीमर ब्लेंड और इंटरपेनेट्रेटिंग नेटवर्क को 1970 के दशक से व्यवस्थित किया गया, और ग्लास, कार्बन और अरैमिड फाइबर पर आधारित उच्च-प्रदर्शन फाइबर-प्रबलित कंपोजिट हल्के संरचनात्मक सामग्रियों की मांगों को पूरा करने के लिए उसी अवधि में तेजी से बढ़े।

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

अधिकांश पॉलीमर ब्लेंड अमिश्रणीय क्यों होते हैं?

लंबी श्रृंखलाओं को मिलाने से बहुत कम एन्ट्रापी प्राप्त होती है, इसलिए छोटे प्रतिकूल इंटरैक्शन भी चरण पृथक्करण का कारण बनते हैं। इसलिए अधिकांश मिश्रण एक समान समाधान बनाने के बजाय एक पॉलीमर के दूसरे में डोमेन के रूप में बिखरे होने से बनते हैं।

रबर मिलाने से प्लास्टिक अधिक मजबूत कैसे बनता है?

बिखरे हुए रबर के कण तनाव सांद्रक (stress concentrators) के रूप में कार्य करते हैं जो एक एकल विनाशकारी दरार के बजाय कई छोटे, ऊर्जा-अवशोषित क्रेज़ (crazes) या शीयर बैंड (shear bands) को ट्रिगर करते हैं। यह विरूपण को फैलाता है और प्रभाव प्रतिरोध को नाटकीय रूप से बढ़ाता है।