Qual è il meccanismo di plastificante nei polimeri

I polimeri, nel loro stato nativo, possiedono spesso un carattere rigido e talvolta fragile che può limitare la loro utilità in varie applicazioni. Per superare questi limiti e impartire flessibilità, trasformabilità e durata desiderata, plastificanti sono incorporati nelle loro formulazioni. Questi additivi, in genere composti organici a bassa volatilità, alterano fondamentalmente le proprietà fisiche di un polimero modificando la sua struttura interna e le forze intermolecolari. Comprendere l'intricato meccanismo attraverso il quale i plastificanti raggiungono questi cambiamenti è cruciale per la progettazione razionale e l'applicazione di materiali polimerici.

Comprensione della rigidità polimerica

Prima di approfondire il ruolo dei plastificanti, è importante cogliere le fonti di rigidità nei polimeri non plasticizzati. I polimeri sono composti da lunghe catene molecolari e le loro proprietà sono in gran parte determinate dalle interazioni tra queste catene. In polimeri rigidi, forte forze intermolecolari Come le forze di van der Waals, il legame idrogeno o le interazioni dipolo-dipolo creano una rete altamente coesa. Questo limita il movimento segmentario delle catene polimeriche, il che significa che le singole parti delle catene non sono in grado di muoversi liberamente l'una accanto all'altra. Questa mobilità limitata si traduce in un alto Temperatura di transizione in vetro (TG) , una temperatura critica al di sotto della quale il polimero si comporta come un solido rigido e vetroso.

Il ruolo dei plastificanti: un lubrificante molecolare

I plastificanti funzionano principalmente come "lubrificanti interni" o "distanziatori" all'interno della matrice polimerica. Quando un plastificante viene miscelato con un polimero, le sue molecole si intercalato tra le catene polimeriche. Questo inserimento ha diverse conseguenze chiave:

1. Riduzione delle forze intermolecolari

L'effetto più significativo dei plastificanti è il Attenuazione di forze attraenti tra catene polimeriche. Le molecole di plastificante, essendo più piccole e spesso più polari dei segmenti polimerici, schermano o diluito efficacemente le forti interazioni polimeriche-polimeri. Introducendo interazioni nuove e più deboli di plastificante-polimero (o semplicemente separando le catene polimeriche), la densità di energia coesiva complessiva del sistema viene ridotta.

2. Aumentare il volume libero

L'intercalazione delle molecole di plastificante porta anche a un Aumento del volume libero all'interno della matrice polimerica. Il volume libero si riferisce allo spazio vuoto tra catene polimeriche che non sono occupate dalle stesse molecole di polimero. Mentre le molecole di plastificante si inseriscono, spingono ulteriormente le catene polimeriche. Questo aumento dello spazio del vuoto consente una maggiore mobilità segmentale delle catene polimeriche.

3. Miglioramento del movimento segmentario

Con forze intermolecolari ridotte e un aumento del volume libero, il La mobilità dei segmenti polimerici aumenta significativamente . Le catene polimeriche possono ora scivolare più facilmente e ruotare l'una accanto all'altra. Questo movimento a catena migliorato si manifesta come una maggiore flessibilità, elasticità e una riduzione del modulo del polimero (rigidità).

4. Abbassare la temperatura di transizione del vetro (TG)

Una conseguenza diretta dell'aumento del movimento segmentario è un Depressione della temperatura di transizione del vetro (TG) . Poiché i plastificanti consentono alle catene polimeriche di muoversi più liberamente a temperature più basse, il passaggio da uno stato vetroso rigido a uno stato gommoso più flessibile si verifica a una temperatura inferiore. Questo è un effetto critico per l'elaborazione, in quanto consente ai polimeri di essere modellati e formati a temperature più gestibili.

Meccanismi di azione di plastificante: teorie e prospettive

Diverse teorie tentano di spiegare l'intricato meccanismo dell'azione plastificante:

• Teoria della lubrificità: Questa teoria classica postula che le molecole di plastificante fungono da lubrificanti interni, riducendo l'attrito tra le catene polimeriche mentre scivolano l'una accanto all'altra. Questo è analogo alle parti meccaniche lubrificanti dell'olio.

• Teoria del gel: Questa teoria suggerisce che i plastificanti interrompono le regioni ordinate, cristalline o pseudo-cristalline (gel) all'interno del polimero, consentendo così una maggiore mobilità della catena.

• Teoria del volume libero: Questa è forse la teoria più ampiamente accettata. Pose che i plastificanti aumentino il volume libero all'interno del polimero, fornendo più spazio per il movimento segmentario e abbassando così il TG.

• Teoria dello screening (o teoria della solvatazione): Questa teoria sottolinea la capacità delle molecole di plastificante di "schermare" o incapsulare i gruppi polari sulle catene polimeriche, riducendo così le forti interazioni di dipolo polimerico-polimero e permettendo alle catene di separare.

È importante notare che queste teorie non si escludono a vicenda e spesso si completano a vicenda, fornendo una comprensione completa dell'azione plastificante.

Fattori che influenzano l'efficacia del plastificante

L'efficacia di un plastificante è influenzata da diversi fattori, tra cui:

• Compatibilità: Il plastificante deve essere compatibile con il polimero, il che significa che può formare una miscela stabile e omogenea senza separazione di fase. Questo dipende spesso dalla somiglianza dei loro parametri di solubilità.

• Dimensione e forma molecolare: Molecole di plastificante più piccole e più mobili offrono generalmente una maggiore efficienza di plastificazione.

• Polarità: La polarità del plastificante dovrebbe essere appropriata per interagire in modo efficace con il polimero non essendo così forte da causare lisciviazione o essudazione.

• Concentrazione: C'è una concentrazione ottimale di plastificante. Troppo poco avrà un effetto minimo, mentre troppo può portare a essudazione, ridotta resistenza meccanica e altre proprietà indesiderate.

Conclusione

In sostanza, i plastificanti trasformano fondamentalmente le proprietà macroscopiche dei polimeri alterando sottilmente la loro architettura microscopica. Agendo come distanziali molecolari e lubrificanti, interrompono forti forze intermolecolari, aumentano il volume libero e migliorano la mobilità segmentaria, riducendo alla fine la temperatura di transizione del vetro e impartendo flessibilità e procedura. La selezione giudiziosa e l'incorporazione di plastificanti sono indispensabili per la misurazione di materiali polimerici per soddisfare le diverse esigenze delle moderne applicazioni di ingegneria e consumatori.