Apa mekanisme plasticizer dalam polimer

Polimer, dalam keadaan asli mereka, sering memiliki karakter yang kaku dan terkadang rapuh yang dapat membatasi kegunaan mereka dalam berbagai aplikasi. Untuk mengatasi keterbatasan ini dan memberikan fleksibilitas, kemampuan proses, dan daya tahan yang diinginkan plasticizer dimasukkan ke dalam formulasi mereka. Aditif ini, biasanya senyawa organik volatilitas rendah, secara fundamental mengubah sifat fisik polimer dengan memodifikasi struktur internal dan gaya antarmolekul. Memahami mekanisme rumit yang dengannya plastisizer mencapai perubahan ini sangat penting untuk desain rasional dan penerapan bahan polimer.

Memahami kekakuan polimer

Sebelum menggali peran plasticizer, penting untuk memahami sumber kekakuan dalam polimer yang tidak plastik. Polimer terdiri dari rantai molekul panjang, dan sifatnya sebagian besar ditentukan oleh interaksi antara rantai ini. Dalam polimer yang kaku, kuat kekuatan antarmolekul Seperti gaya van der Waals, ikatan hidrogen, atau interaksi dipol-dipol menciptakan jaringan yang sangat kohesif. Ini membatasi gerakan segmental dari rantai polimer, yang berarti bahwa bagian -bagian masing -masing rantai tidak dapat bergerak dengan bebas melewati satu sama lain. Mobilitas terbatas ini diterjemahkan menjadi tinggi Suhu Transisi Kaca (TG) , suhu kritis di bawah polimer berperilaku seperti padatan yang kaku dan kaca.

Peran plasticizer: Pelumas molekul

Plasticizers berfungsi terutama sebagai "pelumas internal" atau "spacer" dalam matriks polimer. Ketika plasticizer dicampur dengan polimer, molekulnya menginterkalasi diri di antara rantai polimer. Penyisipan ini memiliki beberapa konsekuensi utama:

1. Mengurangi kekuatan antarmolekul

Efek paling signifikan dari plasticizer adalah atenuasi kekuatan yang menarik antara rantai polimer. Molekul plasticizer, menjadi lebih kecil dan seringkali lebih polar daripada segmen polimer, secara efektif menyaring atau melemahkan interaksi polimer-polimer yang kuat. Dengan memperkenalkan interaksi plasticizer-polimer baru yang lebih lemah (atau hanya memisahkan rantai polimer), kepadatan energi kohesif keseluruhan sistem berkurang.

2. Meningkatkan volume bebas

Interkalasi molekul plasticizer juga mengarah ke Peningkatan volume bebas dalam matriks polimer. Volume bebas mengacu pada ruang kosong antara rantai polimer yang tidak ditempati oleh molekul polimer itu sendiri. Ketika molekul plasticizer memasukkan diri, mereka mendorong rantai polimer lebih jauh. Ruang batal yang meningkat ini memungkinkan mobilitas segmental yang lebih besar dari rantai polimer.

3. Meningkatkan gerakan segmental

Dengan berkurangnya gaya antarmolekul dan peningkatan volume bebas, Mobilitas segmen polimer meningkat secara signifikan . Rantai polimer sekarang dapat lebih mudah meluncur dan berputar satu sama lain. Gerakan rantai yang ditingkatkan ini bermanifestasi sebagai peningkatan fleksibilitas, elastisitas, dan pengurangan modulus polimer (kekakuan).

4. Menurunkan Suhu Transisi Kaca (TG)

Konsekuensi langsung dari peningkatan gerakan segmental adalah a Depresi Suhu Transisi Kaca (TG) . Karena plasticizer memungkinkan rantai polimer bergerak lebih bebas pada suhu yang lebih rendah, transisi dari keadaan kaca yang kaku ke keadaan karet yang lebih fleksibel terjadi pada suhu yang lebih rendah. Ini adalah efek penting untuk pemrosesan, karena memungkinkan polimer dibentuk dan dibentuk pada suhu yang lebih mudah dikelola.

Mekanisme aksi plasticizer: Teori dan Perspektif

Beberapa teori berusaha menjelaskan mekanisme rumit aksi plasticizer:

• Teori Pelumasan: Teori klasik ini mendalilkan bahwa molekul plasticizer bertindak sebagai pelumas internal, mengurangi gesekan antara rantai polimer saat mereka meluncur melewati satu sama lain. Ini analog dengan bagian -bagian mekanis pelumas minyak.

• Teori gel: Teori ini menunjukkan bahwa plasticizer mengganggu daerah yang dipesan, kristal atau pseudo-kristal (gel) dalam polimer, sehingga memungkinkan mobilitas rantai yang lebih besar.

• Teori Volume Gratis: Ini mungkin teori yang paling banyak diterima. Ini berpendapat bahwa plasticizer meningkatkan volume bebas dalam polimer, memberikan lebih banyak ruang untuk gerakan segmental dan dengan demikian menurunkan TG.

• Teori penyaringan (atau teori solvasi): Teori ini menekankan kemampuan molekul plasticizer untuk "menyaring" atau merangkum gugus kutub pada rantai polimer, sehingga mengurangi interaksi dipol polimer-polimer yang kuat dan memungkinkan rantai untuk terpisah.

Penting untuk dicatat bahwa teori -teori ini tidak saling eksklusif dan sering saling melengkapi, memberikan pemahaman komprehensif tentang tindakan plasticizer.

Faktor -faktor yang mempengaruhi efektivitas plasticizer

Efektivitas plasticizer dipengaruhi oleh beberapa faktor, termasuk:

• Kesesuaian: Plasticizer harus kompatibel dengan polimer, yang berarti dapat membentuk campuran yang stabil dan homogen tanpa pemisahan fase. Ini sering tergantung pada kesamaan parameter kelarutannya.

• Ukuran dan bentuk molekul: Molekul plasticizer yang lebih kecil, lebih banyak mobile umumnya memberikan efisiensi plastisisasi yang lebih besar.

• Polaritas: Polaritas plasticizer harus sesuai untuk berinteraksi secara efektif dengan polimer sementara tidak begitu kuat sehingga menyebabkan pencucian atau eksudasi.

• Konsentrasi: Ada konsentrasi plasticizer yang optimal. Terlalu sedikit akan memiliki efek minimal, sementara terlalu banyak dapat menyebabkan eksudasi, berkurangnya kekuatan mekanik, dan sifat lain yang tidak diinginkan.

Kesimpulan

Intinya, plasticizer secara fundamental mengubah sifat makroskopis polimer dengan secara halus mengubah arsitektur mikroskopis mereka. Dengan bertindak sebagai spacer molekuler dan pelumas, mereka mengganggu gaya antarmolekul yang kuat, meningkatkan volume bebas, dan meningkatkan mobilitas segmental, pada akhirnya menurunkan suhu transisi kaca dan memberikan fleksibilitas dan proses kemampuan. Seleksi yang bijaksana dan penggabungan plasticizer sangat diperlukan untuk menyesuaikan bahan polimer untuk memenuhi beragam tuntutan rekayasa modern dan aplikasi konsumen.