Campuran dan Komposit Polimer

Pencampuran polimer atau penguatan dengan serat dan pengisi menggabungkan kekuatan berbagai material, menciptakan sistem multifase yang antarmuka dan morfologinya menentukan keseimbangan akhir kekakuan, ketangguhan, dan sifat-sifat lainnya.

Definition

Campuran polimer adalah campuran fisik dari dua atau lebih polimer, dan komposit polimer adalah material di mana matriks polimer diperkuat dengan serat atau partikel; keduanya adalah sistem multifase yang sifat-sifatnya bergantung pada komposisi, morfologi fase, dan adhesi antarmuka.

Scope

Topik ini mencakup kombinasi fisik polimer dan penguat: campuran yang dapat bercampur (miscible) versus tidak dapat bercampur (immiscible) dan kelangkaan kemampuan bercampur, morfologi fase dan kompatibilisasi, penguatan polimer getas oleh karet terdispersi, serta komposit yang diperkuat serat dan partikel termasuk peran antarmuka dan perkiraan kekakuan berdasarkan aturan campuran (rule-of-mixtures).

Core questions

• Mengapa sebagian besar pasangan polimer tidak dapat bercampur, dan morfologi apa yang dihasilkan?
• Bagaimana kompatibilisasi meningkatkan sifat-sifat campuran?
• Bagaimana karet terdispersi memperkuat plastik yang getas?
• Bagaimana geometri penguat dan antarmuka mengendalikan kekakuan dan kekuatan komposit?

Key theories

Perilaku fase dan kompatibilisasi campuran

Karena pencampuran rantai panjang hanya menghasilkan sedikit entropi, sebagian besar campuran mengalami pemisahan fase; ukuran dan adhesi fase terdispersi mengendalikan sifat-sifat, dan kompatibilisator blok atau cangkok mengurangi tegangan antarmuka dan menstabilkan morfologi yang halus dan terikat dengan baik.

Penguatan dan transfer beban dalam komposit

Serat atau partikel kaku menanggung beban yang ditransfer melintasi antarmuka matriks-penguat, sehingga kekakuan komposit meningkat dengan kandungan dan orientasi penguat, sementara ketangguhan dan kekuatan sangat bergantung pada adhesi antarmuka dan panjang serat.

Mechanisms

Ketika dua polimer dicampur dalam keadaan leleh, entropi pencampuran yang kecil umumnya menyebabkan keduanya tidak dapat bercampur, sehingga salah satunya terdispersi sebagai domain di dalam yang lain; ukuran domain dan adhesi antarmuka, yang dapat diatur dengan kompatibilisator, menentukan apakah campuran tersebut getas atau tangguh. Partikel karet terdispersi memperkuat matriks kaca dengan memulai dan mengendalikan banyak retakan kecil (crazes) atau pita geser (shear bands) yang menyerap energi. Dalam komposit, beban yang diterapkan ditransfer dari matriks yang lentur ke serat atau partikel yang kaku melintasi antarmuka mereka, sehingga modulus penguat, fraksi volume, rasio aspek, dan orientasi, bersama dengan ikatan antarmuka, menentukan kekakuan dan kekuatan keseluruhan.

Clinical relevance

Campuran dan komposit mendominasi aplikasi rekayasa karena mencapai kombinasi sifat yang tidak ditawarkan oleh satu polimer pun: plastik yang diperkuat karet seperti polistirena berdampak tinggi dan ABS memberikan ketahanan benturan, paduan polimer menyesuaikan biaya dan kinerja, dan komposit yang diperkuat serat menghasilkan material ringan, kaku, dan kuat untuk kedirgantaraan, otomotif, barang olahraga, dan konstruksi.

History

Plastik yang diperkuat karet muncul pada pertengahan abad ke-20 dengan polistirena berdampak tinggi dan ABS, campuran polimer dan jaringan interpenetrasi disistematisasi mulai tahun 1970-an, dan komposit yang diperkuat serat berkinerja tinggi berdasarkan serat kaca, karbon, dan aramid tumbuh pesat pada periode yang sama untuk memenuhi permintaan material struktural ringan.

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

Mengapa sebagian besar campuran polimer tidak dapat bercampur?

Pencampuran rantai panjang menghasilkan sangat sedikit entropi, sehingga bahkan interaksi yang sedikit tidak menguntungkan dapat menyebabkan pemisahan fase. Oleh karena itu, sebagian besar campuran terdiri dari satu polimer yang terdispersi sebagai domain di dalam polimer lain daripada membentuk larutan yang seragam.

Bagaimana penambahan karet membuat plastik lebih tangguh?

Partikel karet terdispersi bertindak sebagai konsentrator tegangan yang memicu banyak retakan kecil (crazes) atau pita geser (shear bands) penyerap energi, alih-alih satu retakan katastrofik. Ini menyebarkan deformasi dan secara dramatis meningkatkan ketahanan benturan.