זיכרון צורה חומרים פולימריים עמידים בפני קורוזיה חלק 2

פולימרים פועלים באמצעות האינטראקציות הפוטנציאליות של תרמוסטים ותרמופלסטיים, כאשר תרמוסטים מוגדרים על ידי החיבורים הכימיים שלהם היוצרים רשת תלת מימדית שיכולה להתרחב לאורך אינסופי ולתרמופלסטיים אין חיבורים כימיים המחוברים ביניהם ויש להם רק אורך סופי.

קישור צולב כימי מתייחס להוספת כימיקלים תגובתיים לחומרים כך שהם מגיבים כימית בתנאים ספציפיים ליצירת ג'ל או חומר מוקשה. שיטה זו נמצאת בשימוש נרחב בתהליך הכנה של חומרים שונים, כגון חומרי סיבים, פלסטיק, גומי, ציפויים וכו', ויש לה סיכויי יישום רחבים.

הקשר עם זיכרון הוא שלחומרים שהוכנו באמצעות טכנולוגיית קישור צולב כימי יש פונקציות זיכרון. חומר זה יכול לשנות צורה באופן אוטונומי בגירוי חיצוני ולשחזר את צורתו המקורית תוך שמירה על ה"זיכרון" של צורתו המקורית. תכונת שחזור צורה זו מעניקה לחומר זה מגוון רחב של אפשרויות יישום, כגון יישומי חומרים חכמים בתחומים רפואיים, בנייה, רכב ועוד.

בנוסף, ניתן להשתמש בטכנולוגיית הצלבה כימית גם כדי לווסת ולשפר את תכונות החומרים, מה שמקנה להם תכונות פיזיקליות וכימיות טובות יותר ויציבות תרמית. לטכנולוגיה זו פוטנציאל פיתוח גבוה וניתן ליישם אותה בהכנה ושינוי של חומרים אורגניים ואי-אורגניים, תוך שהיא ממלאת תפקיד פעיל בקידום הפיתוח של תחום הנדסת החומרים.

לכן, טכנולוגיית קישור צולב כימי היא טכנולוגיה מבטיחה מאוד עם יתרונות רבים וערך יישום. ליישום שלו יש סיכויים רחבים בתחומים רבים ותרם לפיתוח טכנולוגיה הנדסית וקידמה חברתית. ניתן לראות שאנו צריכים לשפר את הזיכרון, ו-Cistanche deserticola יכולה לשפר משמעותית את הזיכרון, מכיוון של-Cistanche deserticola יש השפעות נוגדות חמצון, אנטי דלקתיות ואנטי-אייג'ינג, שיכולות לסייע בהפחתת חמצון ותגובות דלקתיות במוח, ובכך להגן על בריאות מערכת העצבים. בנוסף, Cistanche deserticola יכול גם לקדם צמיחה ותיקון של תאי עצב, ובכך לשפר את הקישוריות והתפקוד של רשתות עצביות. השפעות אלו יכולות לסייע בשיפור הזיכרון, יכולת הלמידה ומהירות החשיבה, ועשויות גם למנוע התפתחות של הפרעות בתפקוד קוגניטיבי ומחלות ניווניות.

לחץ על Know כדי לשפר את הזיכרון לטווח קצר

עיבוד תרמופלסטיים כולל קירור מהיר והתמצקות של נמסי פולימרים צמיגים. עיבוד Thermoset דורש תגובה של מבשרים בעלי צמיגות נמוכה, וקצב העיבוד מוגבל על ידי קצב קינטיקה של התגובה.

בין השניים, תרמוסטים נוטים להיות בעלי יציבות ממדית גבוהה יותר ועמידות לזחילה, מה שהופך אותם לעדיפים ליישומים מרוכבים מבניים על פני תרמופלסטיים [28]. על ידי מיזוג פולימרים אלה, ניתן להתאים אישית, במידה מסוימת, את המאפיינים של פולימר זיכרון הצורה, עם הבסיס פולימר המייצר את אפקט זיכרון הצורה ופולימרים אחרים עבור לכידות כללית ועיוות (לדוגמה, לאחר התארכות, הגבישיות שמספקת הפולימרים האחרים מונעת מהאלסטומר להירגע בחזרה למצבו ההתחלתי) [29].

יתרונות נוספים לפולימרים בשימושם כחומרים הם הצפיפות הנמוכה שלהם, קלות העיבוד שלהם, היכולת לעמוד בשיעורי מתח של עד 800%, עמידות בפני קורוזיה או חשמל, מידת הקלות שלהם ומגוון רחב של תכונות שאבני הבניין חוסמות. הם מורכבים מ[2, 30].

חומרים מרוכבים וציפויים של זיכרון צורות מבוססי פולימרים חייבים להיות מודאגים גם עם טמפרטורת מעבר הזכוכית, או Tg, בהתחשב בכך שהפולימר יהיה במצב זכוכיתי לפני נקודה זו ובכך ישפיע על מאפייני זיכרון הצורה של החומר המרוכב האמור; התנגדות לכך תדרוש שחומר המילוי יהיה מסוגל לעכב את ההשפעות התרמו-מכאניות שמפגין הפולימר; ההשפעות התרמו-מכניות הללו מודגמות בדרך כלל על ידי אינטראקציות חיכוך המתנגדות לעומס חיצוני [21]. עבור פולימרים עם זיכרון צורה, זה בדרך כלל תלוי יותר בטמפרטורת המעבר של הזכוכית, הידועה גם בשם Tg, שבה מתרחשים שינויי פאזה מעל ה-Tg, שם הוא הופך לגומי, והמיקום נקבע ברגע שהפולימר נע מתחת ל-Tg כשהוא הופך למצב זכוכיתי [ 2].

בהתחשב בכך שחומרי זיכרון מרוכבים דורשים יישום של אנרגיה חיצונית כדי לחזור לצורתם הראשונית, הספיגה והמוליכות התרמית של הרכיבים הם גורמים הכרחיים שיש לקחת בחשבון, שכן, בדרך כלל, ככל שהיכולת של חומר מרוכב לספוג גדלה או אנרגיה מוליכה מביאה לזמני התאוששות טובים יותר. צורכת פחות אנרגיה כדי להציג את זמני התגובה האמורים [21].

עם זאת, ישנם חסרונות בשימוש בפולימרים של זיכרון צורות, שכן הפונקציונליות עלולה ללכת לאיבוד עם הזמן; לפיכך, אמצעי למניעת יעילות הפסד כזו חשוב בהארכת תוחלת החיים של פולימר זיכרון צורה ויכולתו לעמוד בתנאי סביבה.

4. רכיבי זיכרון צורניים: פולימרים ותערובות פולימרים

פולימרים מסורתיים הם די אינרטיים לסביבה, מה שאומר אובדן הדרגתי של פונקציונליות לאורך זמן [30], במיוחד בצורה של סדקים מיקרו, האתגר החמור ביותר שעומד בפני פולימרים ביישומים ארוכי טווח, שכן הם מקצרים את חיי החומר קשה הרבה יותר לגלות או לתקן [31].

לפיכך, פולימרים דורשים אמצעים מסוימים לשמירה ותיקון הפונקציונליות שלהם, או באמצעות יישום חיצוני כלשהו או, באופן אופטימלי יותר, על ידי תכונה הטבועה בפולימר או בתערובת הפולימר; במילים אחרות, לפולימר חייבת להיות היכולת הטבועה לרפא את עצמו.

מכיוון שהפולימר הוא חומר זיכרון צורה, מתח הנובע ממגוון של טריגרים, כגון כימי, מכני או תרמי, עלול לגרום לעיוות מכני בחומר ובנוסף עלול להפעיל תגובת ריפוי כלפי נזק פיזי שנוצר[32] .

בדרך כלל, ריפוי סדק מתרחש בגלל השפעות תרמיות ומתחיל ב-Tg או מעל. לפיכך, הפיתוח התמקד בדרך כלל בהתאמת ה-Tg האפקטיבי לטמפרטורה הרצויה, שהיא בדרך כלל נמוכה מה-Tg הרגיל של פולימר [31].

השגת ריפוי עצמי של פולימרים כולל שתי גישות שונות הנשענות על אינטראקציות כימיות שונות כדי להשיג את המטרה: האחת היא באמצעות כוחות על-מולקולריים, והשנייה היא קשרים קוולנטיים דינמיים הנוצרים בתוך תערובת הפולימר. ראשית, עם זאת, הוא האמצעי העיקרי שבאמצעותו הפולימר נצמד אל פני השטח.

ההידבקות הממשקית בין מטריצת הפולימר למילוי הדו-ממדית היא חלק חשוב בשיפור המאפיינים והיכולת לשחזר את התוצאות הרצויות. התקשרות משטחית חזקה בין מטריצת הפולימר למילוי הדו-ממדית מעניקה לציפוי הפולימר מודול גבוה וחוזק מתיחה, משפר את הקשיות, ו מגביר את עמידות הציפוי בפני קרעים, עייפות וקורוזיה [17].

לפיכך, היווצרות רכיב זיכרון צורה בין פולימר וסגסוגת מחייבת שימוש בחומרי צימוד, כמו טרימתוקסילילפרופיל מתאקרילט, כדי ליצור את החיבור בין השלב האורגני והאנא-אורגני של הציפוי, שכן היעדר חיבור כזה פוגע בתכונות המכניות הכוללות בגלל חומרים אורגניים. אינם נצמדים היטב לחומרים אנאורגניים [33].

אחת האפשרויות היעילות ביותר לעיכוב קורוזיה והאפשרויות המומלצות עבור חומרי צימוד כוללות polysiloxanes. פוליסילוקסנים הם פולימרים הידרופוביים המסוגלים לשפר את עמידות הקורוזיה של תערובת פולימר על ידי הגבלת יכולת המים לגשת לממשק ציפוי מתכת/פולימר היברידי[17].

מאופיין בקבוצת Si-O-Si, בעלת זווית קשר בין 104 ל-180 מעלות המחוברת לשרשרת הפולימר, טווח המדרגות של זווית הקשר משפיע על שרשרת הגמישות ומשפר את אנרגיית הקשר, ומהווה את הבסיס לעמידות הבולטים ולהתנגדות לחום שיש לפוליסילוקסנים [34].

4.1. פולידימתיל סילוקסן. אחד הפוליסילוקסנים הנפוצים ביותר הוא polydimethylsiloxane, המקוצר ל-PDMS. PDMS אלסטומרים נוצרים בדרך כלל מהצלבות פולימרים ליניאריים שהסתבכו והם נוקשים יותר מערך הסף עבור ההסתבכויות הצפופות הפועלות ביעילות כחיבורים צולבים [35]; ניתן למצוא את המבנה באיור 5.

שיטה אחת שבה ניתן לשפר את PDMS לשימוש היא הפחתת הקשיחות של אלסטומרי PDMS, דבר שיפחית את האנרגיה הדרושה לעיוות. זה קריטי לשיפור ההיצמדות לאובייקט שאחרת יהיה קשה ליישם עליו ציפוי, והשגת זאת משמעה הפחתה כוללת בצפיפות החיבורים הצולבים. מריחת ממס יכולה להשיג את הפחתת הצפיפות, אך הממס יכול לדלוף החוצה ולפגוע בסביבה הסובבת. ל-PDMS לא יכול להיות מודול השמיעה נמוך מ-200 kPa.

על ידי יצירת מטריצת מברשת בקבוקים צולבת בניגוד לפולימר ליניארי, ניתן לעכב היווצרות הסתבכות וליצור מודול אלסטי הניתן לשליטה שיכול לנוע בין 1 ל-100kPa, כאשר המודול מתאים באופן ליניארי לצפיפות השרשראות המצולבות.

בנוסף, יכולה להיות שליטה עצמאית על מודול ההפסד; הוא מפחית את הדבקות, יכול להיות פשוט יחסית לייצור, וניתן לכוון אותו עוד יותר באמצעות יחס עמוד השדרה/שרשרת צד/שרשרת צולבת כדי להתאים עוד יותר את המאפיינים המכניים [35].4.2.

פולימתיל הידרוסילוקסן. מבין הפוליסילוקסנים הזמינים, פולימתילהידרוסילוקסן, או בקיצור PMHS, הוא סילוקסן מיוחד, שכן הוא לא רעיל, יציב באוויר, עמיד לטמפרטורות גבוהות, ויכול לשמש כחומר מפחית להמרת קרבונילים לאלכוהול [17, 33 ]; ניתן למצוא את המבנה באיור 6. ל-PMHS יש אנרגיית פני השטח נמוכה והידרופוביות מולדת טובה, ובזכות החלקים המולקולריים האנאורגניים והאורגניים שלו, פועל כסוכן צימוד טוב בין פולימרים ומשטחי מתכת.

PMHS שימושי מכיוון שדרוש ממס לא-אורגני להכנת הציפוי, וזה חשוב בהתחשב בהגבלות על תרכובות אורגניות נדיפות שעלולות להיחשב כמסוכנות לסביבה. למרות זאת, היישום של PMHS כאמצעי נגד קורוזיה הוא נדיר יחסית. ניתן להדגים את יעילות התוספת של PMHS על ידי ניסוי שבוצע על ידי Sun et al. שבו PMHS נוסף לציפוי אפוליאנילין-אפוקסי.

זה הפחית בהצלחה את אנרגיית פני השטח הכוללת של הציפוי, שיפור יכולת ההרטבה ויצר בליטות קטנות על פני השטח, שאיפשרו להיווצרות שכבת אוויר ולבלום מגע של תמיסה קורוזיבית וספיחת קורוזיביות של התמיסה, וכתוצאה מכך גדל יעילות הציפוי עד 70 ימים, בעוד שהציפוי ללא PMHS נמשך רק 34 ימים [20].4.3. פולימרים סופרמולקולריים.

לחומר ריפוי עצמי המבוסס על קשרים על-מולקולריים יש קשרים פולימריים המחוברים בהתנהגות דמוית מדבקה, בכך שהם יכולים להתחבר ולהתחבר מחדש, והדביקות הזו היא שנותנת לחומר חוזק; חשוב לציין שזה לא נובע מקשרים קוולנטיים או מהסתבכות שרשרת.

קשרים אלה משפיעים על החוזק, הצמיגות, הזרימה והסדר של שרשראות הפולימר של תערובת הפולימרים, ולכן יש להם קשר עם ההתנהגות הדינמית שהפולימר מפגין. לאחר שהנזק התרחש למבנה, לממשק המשטחים הפגועים יהיו קשרים על-מולקולריים בלתי קשורים, שנותרו "דביקים" ויכולים להיות משולבים מחדש ולעצב אותם כדי לסגור את הנזק ולחזור למצב הקיים הקודם שלא ניזוק. בשימוש בקשרים על-מולקולריים, החששות המרכזיים הם הזמן שלוקח להחלמה, חוזק החומר ויכולתו של החומר לשחזר תכונות לאחר נזק [32].

כמה דוגמאות של פולימרים לשימוש בתערובת המסתמכת על כוחות על-מולקולריים כדי להשיג ריפוי עצמי הן כדלקמן.4.3.1. אפוקסי אסתר. שרפי אסטר אפוקסי ידועים כבעלי תכונות טובות המעכבות קורוזיה והידבקות למשטחים אך מוגבלים בשימוש בגלל העמידות הכימית הירודה שלהם ותכונות מכניות חלשות; ככאלה, מומלץ לשפר אותם באמצעות מיזוג או קופולימריזציה עם פולימרים אחרים המסוגלים לעמוד בפני טמפרטורות גבוהות כמו פוליאוריאה או פוליסילוקסן [17, 33]; ניתן למצוא את הייצוג של המבנה באיור 7.

פוליאוריאה משמשת בדרך כלל לרבדים בבניינים ובתעשיית הרכב, שם היא יכולה לשפר את הפגיעה ועמידות הפיצוץ של האסטר אפוקסי [17]. אסטרים אפוקסי מוגבלים גם על ידי הטבעות התגובתיות שלהם, אשר מעכבות את יכולת העיבוד של תערובות פולימרים ובכך הופכות אותם ליותר יקרים לייצור.

בדרך כלל, כאשר מגיבים לאסטר אפוקסי לייצור פולימרים מסוימים, הקבוצות הפונקציונליות של אפוקסי נפתחות באמצעות האסטריפיקציה של חומצות שומן בלתי רוויות כדי ליצור אסטרים אפוקסיים שעברו שינוי באלקיד, עם תכונות שנשלטות באמצעים כמו רמת אי הרוויה או אורך השרשרת.

אמולסיית אסטר האפוקסי המופקת עוברת מיובש באמצעות אידוי מים כדי להתלכד וליצור סרט, אשר נרפא באמצעות חמצון אוטומטי, או תגובת חמצן כדי לגרום למנגנון שרשרת רדיקלים חופשיים.

תוצאת המאפיינים תלויה באורך שרשרת השמן. למשל, שרשראות שמן ארוכות באסטרים אפוקסי פירושן עמידות כימית נמוכה יותר, זמני ייבוש ארוכים יותר ויכולת משופרת לחדור ולאטום משטחים שנקוים בצורה גרועה, בעוד ששרשרות שמן קצרות הן קשות ושבירות ובעלות כימיקלים טובים. עמידות לחות [36].

4.3.2. פוליאמיד.

באופן כללי, פוליאמידים מועדפים ביישומים הנדסיים מכיוון שהם בעלי מאפיינים מכניים יוצאי דופן, יציבות תרמית רבה, טמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה וקבוע דיאלקטרי נמוך [36]; ניתן למצוא ייצוג של המבנה באיור 8.

רוב המחקרים המתמקדים בפולימרים לריפוי עצמי הם כאלה שפועלים Tg נמוך או בינוני, בעוד שפולימרים Tg גבוהים, שיתאימו ליישומי תעופה וחלל הניתנים לפריסה עצמית או הנעה סילון, אינם נחקרים היטב. וריאנט זיכרון צורה של פוליאמיד יהיה פולימר אחד כזה, מכיוון שהוא מסוגל ל-Tg גבוה, עם טמפרטורות סביב 218 מעלות, וריפוי עצמי (שמתרחש ב-243 מעלות) במחיר של מאפיינים מכניים מופחתים ו-Tg נמוך יותר (235 מעלות) המשתנה הלא-מרפא-עצמי מהוריאנט הלא-מרפא-עצמי, אבל ייתכן שזה נובע מהפוליסטירן, וחומר אחר עשוי להתאים יותר [37].

פוליאמידים מוגדרים על ידי קבוצה פונקציונלית הטרוציקליצימיד קשיחה והם מצוינים באינטראקציה של אטום החנקן העשיר באלקטרונים שלהם וקבוצת הקרבוניל חסרת האלקטרונים שלהם הממוקמת בעמוד השדרה של הפולימיד [38].

עם זאת, פוליאמידים נוטים להיות מוגבלים לשימוש שלהם עקב ספיגת לחות והידבקות לקויה, מה שעלול להוביל לכשל של הממשק ומגביל אותם לתוחלת חיפוי מתונה יותר בהשוואה לציפויים אחרים, כמו גם אנרגיית פני השטח הגבוהה וקבוע הדיאלקטרי שלהם [36, 38 ]. התגברות על מגבלות אלו פירושה בדרך כלל החדרת בלוקים פולימרים הידרופוביים לעמוד השדרה של הפוליאימיד או שילוב ננו-חלקיקים במטריקס כאמצעי להפחתת הדיפוזטיביות והאפשריות היחסית של ציפוי הפוליאימיד [38].

לרבות ננו-חלקיקים יש את החיסרון של הגדלת אנרגיית פני השטח של הפוליאימיד, מה שבתורו מפחית את ההידבקות שלו, ואילו הכללת בלוקים פולימריים לתוך עמוד השדרה יכולה להפחית את טמפרטורת הפירוק ובכך את טמפרטורת השירות ואת התכונות המכניות [38]. עמידות מתייחסת לשמירה על תכונות המחסום המוחזקות על ידי ציפוי הפולימר, והיא, עבור פולימרים, נשלטת על ידי הגבישיות בתוך הציפוי.

ירידה באנרגיית פני השטח של הציפוי קשורה לעלייה בעמידות הציפוי [25]. ניתן להשתמש בפוליסילוקסנים לשיפור פיזור אנרגיה, גמישות והידבקות פני השטח, אך כפשרה, הם מפחיתים את החוזק הסופי ואת מודול יאנג; לפיכך, הפחתת החסרונות הללו דורשת בעיקר מניפולציה של אחוז המשקל המולקולרי של הפוליסילוקסן.

כדי שהמודלוס של יאנג יישאר קרוב לזה של פוליאמיד רגיל, אחוז המשקל של הפוליסילוקסן חייב להיות בין 10 ל-20%; ראוי לציין שהמשיכות משתפרת באופן משמעותי עבור הפוליסילוקסאן הקופולימריפ בטווח של 10 עד 40% משקל. באופן כללי, הצמדת אפוליסילוקסן לעמוד השדרה של שרשרת הפוליאימיד משפרת את יכולת העיבוד הכוללת של הפולימר, מעכבת את ספיגת המים, הופכת את הפולימר למסוגל יותר להיצמד למגוון רחב של משטחים, משפרת את היציבות התרמית ומפחיתה את טמפרטורת הפירוק על גידול ב % wt של polysiloxane בפולימר (נראה שזה קשור יותר להפחתה בפוליאימיד). ניתן להתגבר על החסרונות של שרשראות הפוליאימיד-פוליסילוקסן באמצעות הוספת קו-פולימרים אחרים, כמו פוליפניל סילססקיאוקסן, שהוא פולימר מוצע שיכול גם לשפר עוד יותר את טמפרטורת הפירוק של תערובת הפולימר.

החדרת קבוצת אסטר לשדרת האימיד מייצרת את ההשפעה של הגמישות המוגברת של הפולימר אך מפחיתה את טמפרטורת מעבר הזכוכית, כאשר למולקולת הפולי(אסטר-אימיד) המשולבת יש טמפרטורת מעבר זכוכית של 185 מעלות וניתוח נוסף הראה שהיא מאבדת 10 Wt % מהמסה שלו באוויר ב-300 מעלות [33]. מכיוון שה-Tg של תערובת פולימר אינו הממוצע בפועל של ה-Tg של הפולימרים המרכיבים את התערובת, נראה שהוא פועל יותר כמו טווח שמשתנה בהתאם להרכב התפזורת, לארכיטקטורת התערובת, למשקל המולקולרי של התערובת. פולימרים וגורמים אחרים.

Aבקצה התחתון של טווח זה, הפעלה תרמית מתרחשת אך היא מעוכבת על ידי אילוצים סטריים, שחומרתם עשויה להיקבע על ידי הקצב היחסי של דינמיקת הרכיבים [36].4.3.3. פוליאוריאה.

פוליאוריאה היא פולימר חצי-גבישי המוערך בזכות יכולותיו הפיזואלקטריות, המשמש לעתים קרובות כמבודד, ויכול להפגין יציבות בטמפרטורה גבוהה עם אקונסטנט פיזואלקטרי של 15 mC/m2 שנשאר כך עד שהוא מגיע לטמפרטורות של 200 מעלות [38]; ניתן למצוא ייצוג של המבנה באיור 9. אם מעורבבים עם פוליאמיד, תורמי ומקבלי קשר המימן בתוך התערובת מאפשרים הרכבה עצמית בנוסף לקבוע דיאלקטרי נמוך במיוחד, ערך בין 1.56 ל-1.94 עם כל ירידה המתאימה לעלייה בריכוז של פוליאוריאה, שתועיל מאוד בעיכוב קורוזיה [25,38]; ייצוג של תערובת הפוליאימיד-פוליאוריאה ניתן לראות באיור 10.

בנוסף, עבור תערובת הפולי(אוריאה-אימיד) שנוצרה, שני אזורי רמה גומי מתרחשים באופן אקספוננציאלי כתוצאה משני אזורי Tg הנגרמים על ידי תכולת חלקי השומה של פוליאוריה בשרשרת הפוליאימיד, אשר בתורו מגדילה את מודול האחסון של הפולימר.

ה-Tg של קופולימרים עולה עם עלייה בריכוז של רכיב גבוה Tg, כאשר השפעה חדה יותר מתרחשת עם הוספה של כמות מעט גבוהה יותר של פוליאוריאה לפוליאימיד (ראוי לציין שלמידת האימידיזציה אין השפעה רבה על התנהגות זו. הוא פוחת ככל שמספר השומה של הפוליאוריאה גדל) כתוצאה מקשירת מימן המשלימה התומכת בעצמה [38].

כתוצאה מכך, polyimide-b-polyurea יוצר ציפוי עם אורך חיים צפוי של 8 שנים, גבוה מזה של polyimide, ומספק עמידות מעולה בפני קורוזיה [25], אשר ניתן לראות באיורים 11(א) ו-11(b).

For more information:1950477648nn@gmail.com