Ключевые влияния на гибкость пластика

Определяющее влияние молекулярной структуры на модуль изгиба

Модуль изгиба пластиковых материалов существенно зависит от множества факторов. Молекулярная структура полимера является одним из ключевых факторов: высококристаллические полимеры, такие как полиэтилен высокой плотности (HDPE), обычно имеют более высокий модуль изгиба, чем аморфные полимеры.

Упорядоченное расположение молекулярных цепей в кристаллической области усиливает способность материала сопротивляться изгибной деформации. С микроскопической точки зрения, в кристаллической области молекулярные цепи располагаются в регулярной сложенной или выпрямленной конформации, образуя плотно упакованную решетчатую структуру.

Эта упорядоченная структура делает вторичные силы, такие как силы Ван дер Ваальса и водородные связи между молекулярными цепями, равномерно распределенными и более сильными. Когда материал подвергается изгибной нагрузке, молекулярные цепи не склонны к относительному скольжению, тем самым демонстрируя более сильное сопротивление деформации.

В отличие от этого, аморфные полимерные молекулы находятся в беспорядочном запутанном состоянии, с слабыми межмолекулярными силами и неравномерным распределением. При той же нагрузке смещение сегмента цепи более вероятно, что приводит к большей степени изгибной деформации материала. ​

Корреляция между морфологией молекулярной цепи и модулем изгиба

Кроме того, морфология молекулярных цепей полимера также имеет важное влияние на модуль изгиба. Полимеры с длинными прямыми молекулярными цепями обычно имеют большую жесткость из-за сильных межмолекулярных сил и высокой запутанности цепей.

Длинные молекулы цепей запутаны друг с другом, образуя сложную физическую сеть сшивания. Эта запутанная структура похожа на "узел" на молекулярном уровне, что эффективно ограничивает свободу движения сегментов цепи.

Когда внешние силы пытаются согнуть материал, необходимо преодолеть большее межмолекулярное трение и сопротивление запутыванию, тем самым улучшая общую жесткость материала.

Например, полиэтилен с ультравысокой молекулярной массой (UHMWPE) имеет чрезвычайно высокую плотность цепного запутывания из-за своей ультрадлинной молекулярной цепи. Его модуль изгиба значительно превышает таковой у обычных полиэтиленовых материалов и часто используется для производства износостойких механических частей и высокопроизводительных волокон. ​

Влияние неорганических наполнителей на улучшение модуля изгиба

Помимо молекулярной структуры, добавление наполнителей и армирующих агентов имеет решающее значение для регулирования модуля изгиба.

Неорганические наполнители, такие как карбонат кальция и тальковая пудра, изменяют механические свойства пластиков за счет физического заполнения. Эти наполнители обычно обладают высокой твердостью и жесткостью. После равномерного распределения в полимерной матрице они могут нести часть изгибной нагрузки и снижать концентрацию напряжений в матричном полимере.

В то же время наличие наполнителей также может ограничивать движение сегментов полимера, подобно встраиванию жесткого "скелета" в мягкую матрицу, тем самым улучшая общую жесткость материала.

На примере полипропилена (PP), наполненного карбонатом кальция, когда количество добавленного карбоната кальция умеренное, изгибной модуль композитного материала может быть увеличен на 30% - 50%, и он широко используется в таких областях, как автомобильные внутренние детали, которые имеют определенные требования к жесткости. ​

Усиление стекловолокном и значительное улучшение изгибного модуля​

Стекловолокно широко используется в пластиковых композитах, армированных волокном (FRP), как высокоэффективный материал усиления. Стекловолокно имеет чрезвычайно высокое отношение сторон (обычно до 100 - 1000) и отличные механические свойства. Его прочность на разрыв может достигать более 3000MPa, а его модуль упругости превышает 70GPa.

Когда стекловолокно равномерно распределено и хорошо соединено с полимерной матрицей, когда материал подвергается изгибу, волокно может передавать напряжение через интерфейс, передавать нагрузку от более слабой матрицы к себе и эффективно сопротивляться деформации, используя свои характеристики высокой прочности и высокого модуля.

Исследования показали, что добавление 30% объемной доли стекловолокна в композитные материалы на основе эпоксидной смолы может увеличить модуль изгиба с 3 ГПа чистой смолы до более чем 15 ГПа. Этот отличный эффект усиления делает FRP материалы используемыми в аэрокосмической области для производства ключевых структурных частей, таких как обшивки крыльев и каркасы фюзеляжа, в судостроительной промышленности для производства корпусов, палуб и других компонентов, а также в области спортивного оборудования для производства высокопроизводительных продуктов, таких как клюшки для гольфа и теннисные ракетки. ​

Расширение применения высокопроизводительных композитных материалов​

Помимо стекловолокна, высокопроизводительные волокна, такие как углеродное волокно и арамидное волокно, также широко используются в усилении и модификации высококачественных инженерных пластиков. 

Углеродное волокно имеет более высокую прочность и модуль, чем стекловолокно (модуль упругости может достигать 200-700 ГПа) и меньшую плотность. Это идеальный материал для производства легких и высокопрочных компонентов в аэрокосмической, гоночной и других областях.

Арамидное волокно известно своей отличной термостойкостью и стойкостью к химической коррозии и часто используется для производства защитного оборудования и структурных частей в условиях высокой температуры.

Композитная технология этих высокопроизводительных волокон и полимерных матриц постоянно развивается. Оптимизируя процесс обработки поверхности волокна, производительность связывания интерфейса и расположение волокон, можно дополнительно улучшить модуль изгиба и комплексные характеристики композитных материалов, чтобы удовлетворить растущий спрос современного производства на высокопроизводительные инженерные пластики.

Наша платформа соединяет сотни проверенных китайских химических поставщиков с покупателями по всему миру, способствуя прозрачным сделкам, лучшим бизнес-возможностям и высокоценным партнерствам. Независимо от того, ищете ли вы оптовые товары, специализированные химикаты или услуги по индивидуальным закупкам, TDD-Global заслуживает доверия, чтобы быть вашим первым выбором.