Polymerní materiály odolné proti korozi s tvarovou pamětí, část 3

4.4. Dynamické kovalentní vazby.

Stručně řečeno, dynamické kovalentní vazby jsou klasické kovalentní vazby, které tvoří tradiční polymery, ale mají další schopnost být reverzibilní za rovnovážných podmínek, jako jsou nekovalentní vazby, kde k přetvoření vazeb dochází během sekund nebo minut [30].

Nedávný výzkum naznačuje, že dynamické kovalentní vazby mohou mít vztah s pamětí. Dynamické kovalentní vazby jsou chemické vazby, které umožňují molekulám měnit se a vzájemně se přizpůsobovat. Takové vazby se tvoří a lámou velmi rychle, což umožňuje molekulám se vzájemně adsorbovat, jako by neexistovaly žádné chemické vazby, což může mít obrovský dopad na materiály a biologické procesy.

Rozvoj moderní vědy a techniky umožňuje nahlížet na studium hlavních nemocí a lidského chování z různých úhlů pohledu. Mnoho výzkumníků se zaměřuje na roli dynamických kovalentních vazeb v mozku. Zjistili, že mezi neurony v mozku existují velmi dynamické kovalentní vazby a tyto vazby pomáhají neuronům přenášet informace rychleji. Z toho lze dynamické kovalentní vazby považovat za důležité hráče v lidské paměti a učení.

Pokud tento koncept rozšíříme na celý lidský mozek, můžeme vidět, že dynamické kovalentní vazby hrají velmi důležitou roli v lidské inteligenci a poznávání. Mnoho faktů naznačuje, že existuje souvislost mezi funkcí dynamických kovalentních vazeb a pamětí. Počet a kvalita vzpomínek, které máme, určuje typ a množství informací, které se můžeme naučit a porozumět jim.

Lidé by proto měli klást větší důraz na důležitost dynamických kovalentních vazeb a provádět více vědeckých výzkumů. Zároveň bychom měli věnovat více pozornosti svému vlastnímu zdraví a chování při učení, abychom zlepšili naše schopnosti učení a paměti. Z dynamických kovalentních vazeb bychom měli udělat jeden z klíčových prvků, kterých si lidé váží a hrají důležitou roli v kognitivních funkcích a vědeckém výzkumu lidského mozku. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola dokáže výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola dokáže regulovat i rovnováhu neurotransmiterů, jako je zvýšení hladiny acetylcholinu a růstových faktorů. Tyto látky jsou velmi důležité pro paměť a učení. Kromě toho může Cistanche deserticola také zlepšit průtok krve a podporovat dodávku kyslíku, což může zajistit, že mozek dostává dostatek živin a energie, a tím zlepšuje mozkovou vitalitu a vytrvalost.

Klikněte na vědět doplňky pro zlepšení paměti

Sítě tvořené těmito dynamickovalentními vazbami mají výhody termosetových polymerů a za určitých podmínek působí jako termosety, ale mají zpracovatelnost, kterou jsou termoplasty známé.

Hlavní nevýhodou, která může nastat, je to, že dynamické kovalentní vazby mohou obětovat odolnost materiálu vůči tečení, protože mohou být aktivovány, když to není potřeba, a proto mohou způsobit tečení uvnitř materiálu; to může být řízeno pomocí teplot tepelného fázového přechodu k uzamčení polymeru, dokud se dostatek energie neodblokuje a spustí tvarovou paměť nebo samoléčebné efekty [28].4.4.1. Siloxan-Poly(methylmethakrylát).

Siloxan-poly(-methylmethakrylát), také známý jako siloxan-PMMA, má vynikající korozivzdorné a adhezivní vlastnosti pro menší dopad na životní prostředí než povlaky, jako jsou povlaky na bázi chromátu.

Tyto silika-PMMA filmy se vyznačují nejen nízkou teplotou přípravy, levnými náklady na zpracování a schopností zůstat homogenní při aplikaci na velkoplošné substráty, ale také svou zranitelností vůči křehkosti z chemikálií, jako je voda, metanol a etanol, zejména po tepelném zpracování [33 ]; znázornění struktury lze nalézt na obrázku 12.

Příprava obvykle může zahrnovat použití vody okyselené chemikáliemi, jako je kyselina dusičná nebo chlorovodíková, jako prostředku pro zvýšení odolnosti proti korozi, ale tento proces úpravy riskuje tvorbu Clionů, které mohou tvořit korozivní činidla, a vysoká kyselost hybridu může místo toho působit na kompromisy. substrát spíše než jej chránit.

Změna složení povlaku bude mít za následek změnu ve vlastnostech tvorby filmu, a proto musí být povlak šetrný k životnímu prostředí připraven prostřednictvím roztoku prekurzoru šetrného k životnímu prostředí. Porézní filmy podporují tvorbu trhlin a diskontinuit, které způsobují selhání bariéry a snižují celkovou odolnost proti korozi. Více hydrofobní silanové filmy lépe chrání kovy, protože bariérové ​​a adhezní vlastnosti jsou závislé na době expozice vzduchu nebo vodě, protože vazby Si-O-Si jsou citlivé na reakce hydrolýzy způsobené expozicí [34].4.4.2.

Hydrazones: Samoléčivé materiály a materiály s tvarovou pamětí. Acylhydrazony vznikají kondenzací hydrazinu a karbonylových sloučenin a mohou být katalyzovány v přítomnosti kyseliny, aby jejich vazby C=N byly citlivější na pH [30]; strukturu lze nalézt na obrázku 13. Acylhydrazony jsou odolnější vůči vodě než aminům a za mírných podmínek je lze považovat za dynamickou molekulu schopnou přeskupení s jinými hydrazony nebo v přítomnosti různých hydrazinů.

Nejdůležitější však je, že reagují na pH okolního prostředí, kde je jejich tvorba katalyzována v přítomnosti kyselin a v zásaditějším prostředí je tvorba redukována. Alternativní kopolymery mohou s hydrazony přistupovat k různým polymerním kompozicím a funkcím prostřednictvím výměny monomerů, což umožňuje laditelné mechanické vlastnosti.

Siloxany lze použít jako spacer k vytvoření pružného, ​​měkkého hydrazonového filmu, a pokud reagují v kyselině s tvrdším, tužším hydrazonem, monomery se mezi nimi vyměňují za vzniku nového kopolymeru, jehož vlastnosti jsou určeny rychlostí výměny monomerů a způsobem výměny monomerů. . Kromě toho může polyacylhydrazon dosáhnout samohojení přidáním polysiloxanové jednotky a umožnit obnovení deformace, k němuž dojde během několika hodin bez nutnosti zahřívání [30].

4.4.3. Diels-Alderovy reakce. Diels-Alderova reakce probíhá prostřednictvím cykloadiční reakce, ve které konjugovaný dien a dienofil s dvojnou vazbou tvoří šestičlenný cyklohexanový kruh; ve většině aplikací je reaktant bohatý na elektrony, jinak známý jako dien, a další reaktant chudý na elektrony, který je známý jako dienofil. Výsledkem je exotermická reakce; proto je inverzní reakce nebo retroDiels-Alderova reakce endotermický proces, a proto vyžaduje teplo, aby mohl pokračovat.

Diels-Alderovy reakce jsou samostatné a nevyžadují katalyzátor ani přidání jakýchkoliv dalších materiálů; jako taková je většina dynamických kovalentních polymerů na bázi Diels-Alderových síťových polymerů [30]; reprezentaci obecné reakce lze nalézt na obrázku 14. Diels-Alderovy cykloadukty nebo jiné molekuly, které tvoří dynamické kovalentní vazby nebo mají supramolekulární interakce, byly použity k dosažení vnitřních samoléčivých intermosetových polymerů prostřednictvím reverzibilních/dynamických interakcí.

Tyto chemické látky umožňují výrobu síťovaných sítí schopných hojit a zlepšovat mechanické vlastnosti a tepelnou a chemickou stabilitu polymeru, který je vylepšen. DA adukty vznikají při nízkých teplotách (90 stupňů) a mohou ukládat tvarovou paměť do struktury polymeru prostřednictvím krystalizace a vitrifikace, které jsou schopny spouštět fyzikální fázové přechody tepelnými prostředky, což má bonus za uzavření trhlin a tím napomáhá procesu hojení povlaku. Husté zesítění podporuje mechanické vlastnosti polymeru, ale riskuje snížení pružnosti polymeru a hojivé schopnosti.

Zhojení polymeru reakcí DA tedy znamená podstoupení procesu přepracování při teplotě retro-DA 120 až 150 stupňů, protože způsobuje částečné rozpojení, které zvyšuje molekulární mobilitu; bohužel tento proces může mít za následek ztrátu reverzibility polymeru a pokračující hojení navíc k neefektivnímu vytvrzování DA. Bylo navrženo, že kopolymerace asiloxanu, jako je polydimethylsiloxan (PDMS) s polyuretanem za účelem napomáhání při uzavírání trhlin, pružnosti polymeru a rekonstrukci DA vazeb, zlepšuje mechanické vlastnosti, protože PDMS může bránit krystalizaci uretanu. zachovat mobilitu [39].

Zlepšení vlastností polysiloxanového polymeru lze dosáhnout začleněním anorganických nanočástic a lze tyto nanočástice využít jako síťovadla pro další zlepšení samoléčení. Molekulární struktura vazebného činidla, délka spaceru, pomáhá určit léčebné vlastnosti pro Diels-Alderovy samoopravné polymery, protože se zdá, že dlouhé spacergroups lépe podporují přechodový stav DielsAlderovy reakce [40].

Pokud jde o tvarovou paměť, vazby DA jsou zachovány pod Tg, ale mohou být aktivovány nad Tg, aby se zahájilo léčení a rekonstrukce přerušených vazeb. Účinnost hojení DA-PDMS-PU kopolymeru se oproti DA polymeru zlepšila, protože flexibilní segmenty PDMS zvýšily celkovou flexibilitu reverzibilních jednotek a reakční kinetiku procesu hojení při mírné teplotě [39].

'

5. Kompozity s tvarovou pamětí: Aditiva do povlaků

Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu, je, že velikost zrna povrchové vrstvy kompozitních materiálů může ovlivnit vlastnosti kompozitu, od elasticity po odolnost proti namáhání; jako takový je výběr správného materiálu pro aplikaci kompozitu klíčovou složkou při navrhování nového kompozitu s tvarovou pamětí [ 22]. Přidání plniv tedy může sloužit jako prostředek k dalšímu vylepšení polymerního kompozitu; některé typy plniv lze vidět v tabulce 3.

Vodivá plniva jsou zvláště důležitá pro polymery s tvarovou pamětí, protože polymery trpí velmi nízkou tepelnou vodivostí řádově někde mezi {{0}},15 a 0:3 W/m ∗ K, což umožňuje lepší izolátory vodivá plniva se tedy přidávají s větším vodivým účinkem úměrným jejich hmotnostním procentům v polymerním kompozitu.

Taková plniva však mají nevýhodu, protože mohou inhibovat tvarovou deformaci a zotavení ve srovnání s čistším polymerem s tvarovou pamětí; tento efekt je výraznější u větších částic [21]. Například přidání plniva křemík-uhlík a oxid křemíku do přibližně 40 % hmotn. inhibuje schopnost kompozitu s tvarovou pamětí zcela se zotavit z deformace [5].

Uhlíková plniva tvoří několik možných nanočástic, které lze použít jako plniva v matrici, přičemž několik pozoruhodných uhlíkových plniv jsou saze, nanotrubičky nebo grafen [2, 4, 5]; obrázek agrafen-polymerního kompozitu je znázorněn na obrázku 15. Grafen je užitečné plnivo pro polymerní povlaky částečně díky své nízké hmotnostní hustotě, vysokému modulu a vysoké pevnosti a může také zlepšit odolnost povlaku proti korozi, protože je nepropustný pro plyny nebo kapaliny, které by mohly způsobit korozi kovu pod povlakem; ultratenké nanovrstvy byly dokonce úspěšně testovány jako ochranný film.

Grafen je velmi transparentní, takže povlaky zachovávají optické vlastnosti kovu; mají také velký povrch a podporují velkou adhezi mezi nanoplnivem a matricí [17]. Grafen je schopen zlepšit modul kaučukovitého plata až o 400,{2}} obj. %, když se přidá do formy polyimidového kompozitu a může zlepšit Youngův modul, konečnou pevnost a teplotu skelného přechodu, když se použije k vytvoření jiných polymerních kompozitů.
Pokud existuje oblast zájmu, je to to, že vlastnosti povrchu je třeba upravit tak, aby vyhovovaly požadované aplikaci, protože povrchový náboj, hydrofilita a smáčivost, které se změní přidáním grafenu, ovlivní přichycení buněk a výkon polymeru, pokud jde o aplikovaný povrch [41 ].

Uhlíkové nanotrubice na druhé straně mohou zesílit a zlepšit efekty tvarové paměti, mohou zlepšit obnovu tvarové paměti na elektrické bázi a lze je použít k vytvoření komplexních kompozitních systémů, které lze vyladit pro specifické účely a zlepšit schopnost polymeru s tvarovou pamětí reagovat. [4]. Kovy a jejich oxidové formy jsou často vybírány při výrobě elektronických zařízení [5] a kvůli jejich vodivosti mohou být některé, jako ferit, dokonce ovlivněny magnety.

To umožňuje transformaci tvarové paměti, protože tematické částice mohou generovat teplo, když jsou vystaveny velmi silnému magnetickému poli. Pokud existuje hlavní nevýhoda, je to to, že polymery a kovy mají odlišné mezifázové vlastnosti, které je činí poněkud nekompatibilními pro použití jako plniva. Kromě toho stojí za zmínku, že vyrovnání plniva může ovlivnit i polymer.
Například přidáním uhlíkových nanotrubic k termoplastickému polymeru s tvarovou pamětí se uhlíkové nanotrubice vyrovnaly se směrem síly aplikované na polymer. To vedlo ke změně celkové tvarové stability, ovlivnilo to, jak se polymer obnovil do trvalého tvaru, a změnilo krystalickou distribuci v polymerní matrici [42]. Efekty tvarové paměti na samoléčení jsou nedostatečné při aplikaci na hluboké řezy a jako takové vyžadují použití jiných metod prevence koroze [43]. Jedním z častějších přístupů ke zvýšení prevence koroze je zabudování inhibitorů koroze do matrice; tyto mohou působit jako léčivé látky, a tím se vyluhovat do jakýchkoli defektů, což umožňuje potlačení koroze.

U povlaků, které obsahují inhibitory, je hojení určeno inhibicí koroze oproti schopnosti povlaku opravit bariérové ​​vlastnosti matrice, a je proto nevratnými mezireakcemi, a množství inhibitorů umístěných v matrici je omezené, protože velká množství povedou ke ztrátě požadovaných vlastností matrice. Mobilita matrice povlaku zajišťuje obnovení ochrany proti korozi povlaku a je obvykle iniciována použitím tepla nebo světla. Zahřívání nad Tg umožňuje fyzikální uzavření, protože povlak změkne a spustí efekty tvarové paměti a tím částečně obnoví bariérové ​​vlastnosti; tento proces může být dále podpořen komponentou snímající korozi schopnou lokalizovat poškození a léčit je nebo alespoň zabránit dalšímu možnému poškození [44].

Některé inhibitory koroze zahrnují benzotriazol, 8-hydroxychinolin nebo inhibitory na bázi areceru. Inhibitory koroze se po poškození vylouhují a vytvářejí na exponovaném povrchu bariérový film. Vysoké koncentrace inhibitorů koroze podporují vyšší odolnost proti korozi, ale mohou způsobit snížení mechanických vlastností. Zdá se, že inhibitory koroze neovlivňují rychlost, kterou voda proniká matricí; jako takové poškození, které bylo zaceleno, může stále umožňovat vznik koroze, zejména v oblastech, kde k poškození kdysi došlo [24].

Inhibitory jsou obvykle navrženy tak, aby vydržely přibližně 6 až 8 let, jinými slovy, alespoň do dalšího období údržby. Organické povlaky typicky absorbují vodu prostřednictvím defektů do pórů v povlaku, čímž se mohou inhibiční pigmenty disociovat a rozpouštět [45]. Triazol a thiazol se obecně používají jako inhibitory koroze hliníku, zejména místo toxických antikorozních činidel na bázi chrómu. 2-Merkaptobenzothiazol (MBT) je oblíbený, protože adsorbuje na povrchy slitin hliníku a vytváří tenký ochranný film; avšak MBT a další inhibitory koroze nefungují dobře s polymerním povlakem, protože se mohou deaktivovat a neposkytují požadovanou ochranu proti korozi [46].

Chromátové povlaky jsou základním inhibitorem koroze a vysoké hladiny mohou zpomalit rychlost růstu trhlin, ale mohou být považovány za škodlivé pro životní prostředí [45]. Přidání mikro- nebo nanokapslí má možnost snížit bariérové ​​vlastnosti v závislosti na velikosti nádoby nebo v případě, že nádoba není kompatibilní s matricí. Požadovaný spouštěcí mechanismus hraje významnou roli při určování způsobu zapouzdření inhibitoru, spolu s typem matrice a inhibitorem, které budou použity.

Běžnými metodami aktivace jsou lokální změny pH, mechanické prasknutí a iontová výměna. K výměně iontů dochází v nádobách obsahujících anionty inhibující korozi, které se uvolňují, což umožňuje, aby je nahradily agresivnější anionty, jako je chlorid [46]. Pokud je inhibitor smíchán s povlakem, inhibitor se rozpustí v roztoku a vytvoří mikropóry, když je roztok aplikován jako povlak.

Kovovo-organické kostry jsou typem metody zapouzdření, kde jsou metaliony spojeny organickými linkery; fungují tak, že uvolňují inhibitor, aby vytvořily adsorpční vrstvu na exponovaném povrchu, a potom samotná kovově-organická konstrukce brání jakémukoli pronikání elektrolytů nebo další korozi kolem postižené oblasti. Klíčovou požadovanou schopností jakékoli kapsle je řízené uvolňování inhibitorů, aby nedocházelo k předčasnému spotřebování omezeného činidla uvnitř, čímž se poskytuje potahu delší životnost při aplikaci [47].

Správné skladování inhibitorů koroze snižuje netěsnosti, brání inhibitorům v interakci s matricí a může zlepšit množství inhibitorů uložených uvnitř. Obecně jsou výhodnými nádobami pro inhibitory koroze nanočástice, které mají velké nanodutiny, mají velký povrch, jsou velmi stabilní a mají nízkou hustotu. Duté nádoby jsou mnohem schopnější uchovat velké množství inhibitorů než jiné nosiče. Typickými obalovými materiály jsou uhličitan vápenatý, oxid titaničitý, halloysitenanotrubice, mesoporézní oxid křemičitý a oxid ceru.

Většina metod uvolňování se obvykle spouští kvůli chemickému poškození nebo změnám pH, protože jsou běžnými příčinami poškození kovu. Anorganické zásobníky mají tu výhodu, že je lze snadněji dispergovat v polymerní matrici a samy mohou mít další antikorozní vlastnosti [48]. Kapsle, které obsahují hojivé činidlo, by mohly být rozptýleny v polymerní matrici, načež poškození matrice může způsobit samovolnou aktivaci. hojení tím, že způsobí, že dojde k polymeraci z činidel uvnitř kapsle.

Žádoucími vlastnostmi takové kapsle jsou dlouhá skladovatelnost, pevnost pro udržení strukturální stability, dokud není nutné samoléčení, a schopnost prokázat vynikající vazbu k hostitelské matrici. Vývoj submikronových a nanokapslí by mohl umožnit menší intersticiální rozestupy. Částicová plniva významně ovlivňují mechanické vlastnosti materiálu a v závislosti na plnivu mohou někdy ovlivňovat polymer prospěšně, jako je zvýšení lomové houževnatosti; jindy mohou působit negativně, jako je snížení modulu pružnosti nebo mezní pevnosti v tahu (k těmto negativním účinkům došlo při zvyšující se koncentraci kapslí u velkých kapslí) [49].

Klíčovými výhodami zahrnutí mikrokapslí nebo zkumavek, které obsahují léčivé látky, je schopnost uzavřít řez s minimem materiálu; vlákna mohou fungovat na stejné úrovni i po opakovaném použití díky omezené obnově, která má za následek obnovené programování napětí. Použitím obnovy napětí je možné vynutit uzavření trhliny nebo řezu v matrici [50]. Pro krátkodobou ochranu proti korozi jsou výhodné mikrokapsle.

Když dojde k poškození, mikrokapsle se rozpadne, což umožňuje, aby hojivé činidlo reagovalo s kovovým substrátem za vzniku pasivační konverzní vrstvy; to poskytuje čas na hojení a zabraňuje další korozi.

To znamená, že hojení je dvoustupňový proces, ve kterém se mikrokapsle rozptýlí a vytvoří pasivační vrstvu, která zlepšuje adhezní pevnost a odolnost substrátu proti korozi, a odtud může být matrice zahřívána, aby se inicioval efekt tvarové paměti, aby se poškozená oblast uzavřela [ 51]. Zapouzdření katalyzátoru, kde existuje peleta iniciátoru a pryskyřičná peleta, může působit na vyvolání samohojení v polymerním kompozitu; toto bylo úspěšně testováno v polydimethylsiloxanu. Dutá skleněná vlákna vyrobená z borosilikátu mohou působit jako kapsle pro zadržování tekutého hojení činidla, jsou schopna obnovit až 97 % původní pevnosti v ohybu, jsou schopnější na objem ukládat léčivé látky a mohla by být použita jako prostředek vizuální detekce poškození, ale taková vlákna jsou omezena tím, že se musí nejprve rozbít, aby se rozložilo. a vlákna by se mohla teplem rozpínat, což může vést k poškození matrice [52].

Dalším navrhovaným antikorozním nátěrovým materiálem by byla plniva s vysokým poměrem stran, jako jsou jílové přísady. Jedním ze zajímavých jílů by byl montmorillonitový jíl, sodný jíl, který byl organicky modifikován, což má za následek lepší kompatibilitu a vyšší vyztužení polymerních matric; má 2D krystalovou strukturu hydratovanou oktaedrickou vrstvou oxidu hlinitého mezi dvěma tetraedrickými vrstvami oxidu křemičitého; tyto vrstvené vrstvy vedou k van der Waalsovým mezerám [53]. Montmorillonitový jíl (zobrazený na obrázku 16) je kladně nabitý, což po přidání do polymerního povlaku kompenzuje přebytečný záporný náboj adsorpcí alkalických kovů na destičky jílu, což vytváří hydrofilní forma hlíny, která má stabilní suspenze ve vodě.

V určitém bodě koncentrace tvoří tyto jílové suspenze vysoce viskózní gel ve vodě, kde je objemová náplň ucpaná nebo má prosáklá síť jílových částic, kterou lze pozorovat chováním pseudotuhé látky, kterou gel vykazuje; stojí za zmínku, že nanokompozity polymer-jíl jsou také schopné vykazovat gelovatění poté, co bylo dosaženo kritické koncentrace jílu. Když se montmorillonitový jíl přidá do polymerního povlaku, musí být organofilnější prostřednictvím nahrazení alkalických kovů kationtovými povrchově aktivními činidly typicky primárními, sekundárními, terciárními a kvartérními alkylamoniovými ionty, protože zpevňující nepolární polymery vyžadují přidání kompatibilizátorů.

Mechanické, fyzikální a tepelné vlastnosti nanokompozitů polymer-jíl lze zlepšit pomocí disperze a exfoliace jílových destiček v matrici[54]. Konkrétně plniva umožňují polymeru dosáhnout vyššího modulu, zvýšení tepelné stability a vodivosti, lepší odolnosti vůči rozpouštědlům a iontové vodivosti a zlepšené samopasivace a bariérových vlastností [53]. Zdá se, že zahrnutí jílu do polymerní matrice má křivku účinnosti, protože hustota korozního proudu pro polymer s 1 % hmotn. jílu je řádově nižší než u polymeru bez jílu, ale dosahuje stejné hodnoty jako hustota korozního proudu. % jílu dosahuje 10 %.

Povlaky s nízkými hodnotami (mezi 0 a 2 % hmotn. jílu) vykazují zvýšenou impedanci ve srovnání s povlakem z obyčejného polymeru, ale výrazně klesá, když hmotnostní procento jílu dosáhne 2 % hmotn. nebo více, v důsledku agregace a aglomerace jílu uvnitř matice [54]. Kromě toho zahrnutí jílu do polymeru zlepšuje rychlost polymerace i stupeň polymerace a zároveň zlepšuje zpracovatelnost, protože kondenzační polymerace snižuje viskozitu reakčního roztoku [53]. Pohyb polymerních řetězců je omezován jílem v matrici a jíl také snižuje poréznost a větší tuhost, protože jsou polymerní řetězce fyzicky zapleteny [54]. Výkon polymerních kompozitů závisí na plnivu dispergovaném v matrici; jako takové je jedním z hlavních cílů, pokud jde o přidávání plniv, disperze materiálu způsobem, který zabraňuje aglomeraci [53].

6. Návrhy

Efekty tvarové paměti mohou pomoci samoléčení přitažením povrchů trhlin k sobě; toho lze dosáhnout zabudováním nebo zkombinováním systému s tvarovou pamětí do polymeru. Příkladem mohou být dráty zapouzdřené v polymeru, kde pokud se v polymeru vytvoří trhlina, efekt tvarové paměti vytvořený drátem nutí trhlinu uzavřít, a kapsle umístěné v polymeru pak mohou uvolnit polymerní samoléčebné chemikálie k utěsnění trhliny, takže pokud je trhlina v oblasti, kde drát může vyvíjet efekt tvarové paměti [55]; příklad je uveden na obrázku 17.

Samohojení je obecně vyvoláno teplem, což znamená, že třecí proces, který může generovat dostatečné teplo k uvedení polymeru do viskoelastického stavu taveniny, by umožnil polymeru znovu se spojit a opravit. Zahříváním indukované hojení termosetů se opírá o zesíťování nezreagovaných polymerních skupin, kde se zahřívání aplikuje, dokud molekuly uvnitř nemohou vzájemně interdifundovat, a tím umožnit reakci jakýchkoli zbytkových skupin. Požadavky na termosetová hojivá činidla jsou, že by měly být reverzibilně připojeny k zesíťované síti pod teplotou hojení (aby se minimalizovaly účinky, které mohou mít na mechanické vlastnosti), ale jakmile překročí teplotu hojení, stanou se pohyblivými, aby umožnily difúzi přes trhlinu a Přidání molekul lineárního řetězce nebude narušovat mechanické vlastnosti matrice.

Pokud jsou trhliny a ztráta pevnosti výsledkem rozbitých molekul nebo jiných změn na atomové úrovni, pak musí dojít k opravě prostřednictvím reakce, aby se uvedené molekuly rekombinovaly, nebo jinými slovy, musí nastat inverzní reakce. Zhoršení polymeru je minimalizováno, pokud rychlost obnovy probíhá stejným tempem jako zhoršování, ale k samohojení, ke kterému dochází reverzibilními chemickými interakcemi, jsou nutné vysoké teploty. Při aplikaci samoléčení vnějšími prostředky to není matrice, která působí, aby se sama uzdravila, ale zapouzdřené léčivé látky, které jsou uloženy ve formě „potrubí“ nebo mikrokapsle, která je zničena a uvedená činidla se uvolňují do zdravé trhliny. [31].

Je třeba poznamenat, že pokud teploty překročí to, co je polymer schopen hojit, způsobí to poškození polymeru a přestane správně fungovat. Navíc defekt v polymerovém povlaku, který by umožnil vznik koroze na kovu pod ním, může vést ke ztrátě adheze povlaku a snížení integrity kovu. Samoléčení procesem chemické reakce je náchylné k vedlejším reakcím, které mohou snížit vlastnosti hojení nebo tvarové paměti. Fyziochemické mechanismy v polymerech s tvarovou pamětí mohou zvrátit mechanickou deformaci, která byla vyvolána napětím nebo deformací, několika metodami, z nichž nejoblíbenější a nejjednodušší je zahřátí materiálu, aniž by bylo nutné, aby proběhly chemické reakce.

Tento proces využívá výhody několika teplot skelného přechodu (Tg) nebo teplot tání (Tm), které se nacházejí v polymeru, protože polymer částečně taje a může ztuhnout později, ale jiná část bloku si udržuje pevnou formu, což umožňuje zotavení obou kmenů. a zachování tvaru [19]. Jak již bylo zmíněno dříve, transformace jsou indukovány ve slitině s tvarovou pamětí zahříváním; to je důvodem k obavám z použití polymerů s tvarovou pamětí jako prostředku ochrany proti korozi, protože mohou mít různé teploty pro vyvolání transformace. Tato obava může být zmírněna omezením, že většina současných slitin s tvarovou pamětí má přechodové teploty pod 100 stupňů; polymery tedy mohou působit jako prostředek inhibice koroze [11].

Například většina DA aduktů se tvoří při teplotách kolem nebo pod 90 stupňů a disociuje při teplotách v rozmezí od 110 do 130 stupňů. Proces hojení DA kopolymerů, které obsahují furan/maleimid, nastává při teplotním rozmezí 120 až 150 stupňů, protože to spouští částečné rozpojení a tím zvyšuje molekulární mobilitu [39]. Polymery se proto mohou vyrovnat teplotním rozmezím slitin s tvarovou pamětí a indukovat hojení v tomto rozmezí; problémem je pak jemné doladění, aby odpovídalo teplotám, při kterých dochází k efektu tvarové paměti jak pro polymer, tak pro slitinu.

Existuje několik metod, kterými lze tento proces vyvolat, jedním z nejjednodušších je míšení polymerů, protože obecně zvýšení Tg polymerní směsi následuje po zvýšení koncentrace kopolymeru s vyšší Tg [38]. Alternativně může zahrnutí spacerů do polymeru ovlivnit Tg, protože například polymerní materiál na bázi apolykaprolaktonu má teplotu tání nebo Tm 51,7 stupňů, ale přidání spacerů ji sníží na 49,6 stupňů.

Kromě toho mohou distanční jednotky působit tak, že zpomalí rekrystalizaci polymeru nebo zesílí krystalizaci, pokud jsou v přítomnosti polymerů schopné tvořit krystalické segmenty s vodíkovou vazbou, jako je polymočovina [19]. Jiné materiály, jako jsou uhlíkové nanotrubice nebo grafenová nanoplniva, mohou také ovlivnit Tg polymerní směsi, protože například přidání 1 % hmotn. grafenu do polymerní směsi epoxyester-siloxan močovina může zvýšit Tg z 95 na 115 stupňů. znázorněno v grafu na obrázcích 18(a)–18(c) [17]. Když se pro přechod přes rozsah teplot objeví maxima ztrátové tečny tan δ, lze to považovat za Tg polymerního materiálu , protože se vztahuje k tepelné energii potřebné pro změny, ke kterým dochází s molekulami na mikroskopické úrovni [56].

Přidání grafenu tedy může zvýšit Tg materiálu, ale není to zcela přímočaré, protože se zdá, že přidané % hm. může ovlivňovat polymery odlišně, jak může být znázorněno na grafech výše. Jsou zobrazena hlavní tan 5 maxima; graf (c) ukazuje sekundární tan 5 maxima a je jedním z primárních úvah a je relativně přímočarý v tom, že zvýšení % hmotn. grafenu z 0 na 2 % hmotn. vede ke zvýšení Tg z 95 na přibližně 120 stupňů. Naproti tomu graf (b) ukazuje první tan 5 maxima, kde se zdá, že přidání grafenu celkově také snižuje Tg, což je prokázáno tím, že jak 1, tak 2 % hmotn. mají nižší hodnotu Tg; také stojí za zmínku, že zvýšení hmotn. % přivádí Tgcloser na hodnotu čistého polymeru [17]; to lze snadněji ukázat v tabulce 4. Trhy tlačí směrem k vývoji vysokoteplotních slitin s tvarovou pamětí schopných transformačních teplot mnohem vyšších než 100 stupňů.

Jakékoli pokusy o vytvoření stabilních materiálů vyšších než 100 stupňů jsou však mařeny tím, že vystavení velkému množství tepelné energie ovlivňuje procesy závislé na rychlosti, které se vyskytují v materiálu, a proto ovlivňuje mikrostrukturální stabilitu, jeho odolnost vůči deformaci, zotavení a odolnost vůči životnímu prostředí. [11]. Vývoji odpovídal vývoj vysokoteplotních polymerů s tvarovou pamětí; jedním takovým příkladem by byl samoopravný vysokoteplotní polyimid, který má provozní teplotu 243 stupňů, pokud je do polymeru zabudován polystyren [37]. Přirozeně se vyvíjejí další nové přístupy, které by mohly dále zlepšit možné aplikace pro tvarovou paměť. polymery.

Stojí za zmínku, že v prostředích, kde materiál může být vystaven nízkým teplotám, nemusí samoléčení nastat nebo být nedostatečné vzhledem k způsobenému poškození; takže v takových prostředích, kde může být aplikován, by vyžadovalo použití činidel schopných samozahřívání materiálu k dosažení požadovaných účinků. Proto je třeba vymyslet jiný způsob zahájení samoléčení; snadnou metodou, jak toho dosáhnout, je infračervené záření, mikrovlnné záření nebo jiné formy záření, v závislosti na zvoleném materiálu, i když k tomu může dojít i při pokojové teplotě [52].

Výhodné je použití mikrovlnného nebo infračerveného záření k aktivaci samoléčebného mechanismu na dálku a pouze na určité ploše, aniž by došlo k ovlivnění okolního povrchu, působí téměř okamžitě, od sekundy se světlo rozsvítí až do okamžiku jeho vypnutí [57]. Mikrovlnné nebo infračervené záření, i když to není zcela příbuzné slitinám s tvarovou pamětí, může také sloužit jako spouštěcí mechanismus pro chování při obnově polymeru s tvarovou pamětí, a protože jsou energeticky účinné, levné a rychle spouštějí zotavení, mají nesmírnou přitažlivost pro další aplikace s tvarovou pamětí [ 58].

Polymery s tvarovou pamětí, které používají infračervené nebo mikrovlnné záření jako prostředek aktivace, obecně zahrnují fotosenzitivní plniva, jako jsou kovové nanočástice nebo konjugované polymery, a vodivá plniva, jako je grafen nebo uhlíkové nanotrubice, do tepelně aktivovaných polymerů s tvarovou pamětí, aby se vyvolalo požadované chování při obnově materiálu [2, 52 , 57, 58]. Například vícestěnné uhlíkové nanotrubice byly distribuovány v polyuretanové matrici, což vedlo ke zlepšení maximálního napětí v tahu o 120 %, zotavovací síly o 100 %, pevnosti v tahu o 24 % a ztrátového modulu o třetinu ve srovnání s obyčejným polyuretanem; navíc umožnila mikrovlnám aktivovat efekt tvarové paměti v polyuretanu [2].

Tyto polymery, které aktivují své samoléčebné mechanismy prostřednictvím mikrovlnného nebo infračerveného záření, mají použití jako povrchové nátěry, elektronická zařízení nebo jiná biologická použití a jsou zvláště pozoruhodné pro potenciální použití v leteckých aplikacích [2, 52]. Dalším faktorem, který je třeba zvážit, by byla houževnatost typických samoopravných polymerů, které jsou horší než kovalentní polymerní sítě, protože mohou reverzibilně vytvářet vazby nebo jinými slovy rozbíjet a reformovat své polymerní sítě, aby dosáhly své hojivé schopnosti.

Pokud by permanentní kovalentní síť mohla být zavedena do reverzibilní sítě, pak by se mechanické vlastnosti mohly zlepšit. Obvykle se tak vytvoří hydrogel, ale obsahují v sobě nesmírné množství vody, což je činí nevhodnými jako potahový materiál, protože mohou materiál vyluhovat nebo korodovat a ovlivňovat jeho celkové vlastnosti. Reverzibilní zesítění mezi kovalentními a reverzibilními polymerními sítěmi je obtížné, protože zesíťované materiály jsou nemísitelné a normálně by vyžadovaly smíchání korozpouštědel; pokus o vytvoření "suché" polymerní sítě často vede k separaci viskoelastické fáze.

Jedním z pozoruhodných pokusů o vytvoření "suché" sítě je výroba náhodně rozvětvených zesíťovaných polymerů schopných podporovat reverzibilní vodíkové vazby kromě permanentních kovalentních zesíťování, což nutí míchání na molekulární úrovni bez separace viskoelastických fází nebo potřeby korozpouštědel. Ten byl vytvořen kombinací diaminů a kyseliny akrylové, které tvoří supramolekulární síť buď s amid-amidovými nebo amid-karboxylovými spoji. Malé deformace hybridního elastomerního materiálu vedou pouze k rozbití a přetvoření vodíkových vazeb a větší deformace vedou k makropopraskání na měřítko 1 až 1000 μm, které zachovává integritu materiálu a má energii lomu 13 500 J/m2, což je srovnatelné s přírodním kaučukem.

Samozhojení může nastat při pokojové teplotě a po regeneraci může mít pevnost v tahu srovnatelnou s většinou ostatních elastomerů při 4 MPa. Bohužel aplikace, které mohou uvažovat o inhibici koroze pro materiály s tvarovou pamětí, by byly omezené, protože polymerová síť má Tg 4-14 stupeň a působí jako pryžový elastomer při pokojové teplotě, a proto by vyžadovala úpravu a obětování některých jejích vlastností, aby působila. jako povlak [59]. Dalším vývojem pro kompozity s tvarovou pamětí by byly kompozity s trojitou tvarovou pamětí.

Tyto polymerní kompozity se mohou změnit do dvou dalších dočasných tvarů, než se zotaví do primárního, trvalého tvaru, když je spuštěno jejich zotavovací chování, takže provádějí složité zotavovací pohyby mnohem lépe než tradičnější kompozity s tvarovou pamětí. Tyto přechodové fáze mohou být provedeny buď sérií teplot, ve kterých se změní formy, nebo singulární hodnotou teploty, ve které se změny projeví [60]. Krokové přechodové chování v polymeru je to, co ovlivňuje počet dočasných poloh, které může polymer zaujmout v rámci cyklu tvarové paměti, což znamená, že počet přechodových teplot v polymerní směsi ovlivňuje počet tvarů, které může zaujmout, a proto implikuje čtyřnásobný nebo větší tvar. Kompozity s tvarovou pamětí by mohly být proveditelné. Základní přístup k dosažení tohoto je prostřednictvím polymeru se singulární, širokou fází přechodu polymerního řetězce, protože zvýšení diverzity monomerů vyžaduje ještě přesnější syntézu požadovaného polymerního materiálu [42].

Kombinací slitin s tvarovou pamětí a polymerů s tvarovou pamětí za vzniku kompozitu s tvarovou pamětí lze vytvořit kompozit s tvarovou pamětí s třícestnými pohyby pomocí 3D tisku polymeru s tvarovou pamětí kolem slitiny s tvarovou pamětí [3]. Pozoruhodně však studie o materiálu naznačují, že deformace je obecně omezena na rozsah kolem lineární elastické oblasti a že tuhost nad přechodovými teplotami je dostatečně nízká, aby podporovala tečení při vnějším zatížení; také u určitých trojitých polymerů s pamětí vede tepelná roztažnost kompozitu k mnohem vyšším hodnotám deformace, než je obvyklé při vysokých teplotách. -kompozity s tvarovou pamětí jsou vytvářeny míšením polymerů.

Míchání polymerů je nejkritičtějším krokem, protože cílem je vytvořit kompozit z polymerů, které jsou vzájemně tepelně mísitelné; jinak se na hranicích vytvoří slabá nebo oddělená rozhraní, čímž se oslabí celkové vlastnosti potenciálního kompozitu a vzhledem k tomu, že většina pryskyřic a plastů se bohužel nedokáže tepelně mísit, bude nezbytným faktorem při vývoji lepších trojitých paměťových polymerních kompozitů určovat materiály schopné efektivně se mísit [60].

7. Závěr

Polymery představují potenciální příležitost v inhibici koroze, protože jsou schopny vyrovnat se nebo překonat tradičnější způsob zahrnutí prvků, jako je nebezpečný chrom, k inhibici koroze. Protože jsou však polymery ze své podstaty inertní vůči životnímu prostředí, riskují postupnou ztrátu funkčnosti v důsledku mikropraskání, a proto je žádoucí použít polymery schopné samohojení, jako je směs apolyimid-b-polymočoviny. Kromě toho mohou být samoopravné polymery dále vylepšeny použitím nanomateriálů nebo jiných výplňových materiálů, protože mohou zlepšit vodivost polymerní směsi nebo pracovat na zlepšení doby odezvy polymerů s tvarovou pamětí. Budoucí vývoj týkající se polymerů s tvarovou pamětí se pravděpodobně zaměří na přizpůsobení směsi polymerů k preferovanému cíli přidáním určitých plniv, jako jsou mikrokapsle, nebo selektivní iniciací samoléčebného procesu nebo efektu tvarové paměti, jako je aplikace infračerveného nebo mikrovlnného záření přes konkrétní oblast prostřednictvím zahrnutí například uhlíkových nanotrubic. Tento vývoj by měl umožnit povlak přizpůsobený možnému letectví, zejména rozmístitelným strukturám nebo robotice a dalším aplikacím, jako jsou pohony. Obecně platí, že oblasti, kde by samotný polymer s tvarovou pamětí měl nedostatečnou pevnost nebo jiné materiálové vlastnosti, které má slitina s tvarovou pamětí, při zachování levnějšího a méně toxického antikorozního ochranného povlaku, by představovaly nejúčinnější použití polymerního povlaku s tvarovou pamětí.

Dostupnost dat

Údaje podporující tuto literární recenzi jsou k dispozici od jejich odpovídajícího autora citovaného z časopisů, které se nacházejí v části reference. Jsou citovány na příslušných místech v textu jako odkazy [1–60]. Pro obrázky a tabulky lze odkazy nalézt v tabulce nebo pod obrázkem v textu popisujícím obrázek. Obrázky 2, 11, 15, 16 a 18 jsou použity se svolením autora.

Střet zájmů

Autoři nedeklarují žádný střet zájmů, který by článek ovlivnil.

Reference

[1] FF Li, YJ Liu a JS Leng, "Pokrok polymerů s tvarovou pamětí a jejich kompozitů v leteckých aplikacích,"Smart Materials and Structures, sv. 28, č. 10, článek 103003, 2019.

[2] KK Patel a R. Purohit, "Vylepšená tvarová paměť a mechanické vlastnosti mikrovlnami indukovaných kompozitů polymerů s tvarovou pamětí/MWCNT", MateriaToday Communicationsons, sv. 20, článek 100579, 2019.

[3] R. Matsui, K. Takeda, H. Tobushi a EA Pieczyska,"Mechanické vlastnosti a pokročilé předměty ve slitinách a polymerech s tvarovou pamětí," Journal Theoreticalcal and appliMechanicsics (Polsko), sv. 56, č.p. 2, s. 447–456, 2018.

[4] H. Luo, Z. Li, G. Yi a kol., "Multi-stimuli responsive carbonnanotube-shape memory polymeric composites," MaterialsLetters, sv. 137, s. 385–388, 2014.

[5] M. Lei, Z. Chen, H. Lu a K. Yu, „Nedávný pokrok v polymerních kompozitech s tvarovou pamětí: metody, vlastnosti, aplikace a vyhlídky“, NanotechnoloReviewsews, sv. 8, č. 1, str. 327–351, 2019.

[6] ZG Wei, R. Sandstrom a S. Miyazaki, "Materiály s tvarovou pamětí a hybridní kompozity pro chytré systémy: část II hybridní kompozity s tvarovou pamětí," Journal of Materials Science, sv. 33, č. 15, článek 230586, s. 3763–3783, 1998.

[7] Y. Liu, Z. Dong, L. Yu, Y. Liu a H. Li, „Vliv stárnutí na efekt tvarové paměti a odolnost proti korozi nové slitiny na bázi Fe–Mn–Si“, Journal Materials Research , sv. 30, č. 2, s. 179–185, 2015.

[8] GA López, M. Barrado, EH Bocanegra, JM San Juan a M. L. Nó, "Vliv matrice a tepelného zpracování na martenzitickou transformaci v kompozitech s kovovou matricí," Materials science & engineering A, sv. 481-482, ne. 1-2 C, str. 546–550, 2008.

[9] H. Farhat, R. Griffin, INA Oguocha a R. Evitts, "Vyšetřování korozního chování slitiny FeNiCoAlTashape s pamětí v 3,5 % hmotn. roztoku NaCl", Corrosionengineering, science and technology, sv. 53, č.p. 8, s. 611–616, 2018.

[10] AO Moghaddam, M. Ketabchi a R. Bahrami, "Růst kinetického zrna, tvarová paměť a korozní chování dvou slitin s tvarovou pamětí na bázi Cu po termomechanickém zpracování," Transactions Nonferrous Metals Society of China, sv. 23, č. 10, s. 2896–2904, 2013.

For more information:1950477648nn@gmail.com