Российские физики разработали комбинированный термоаналитический и рентгеноструктурный эксперимент для изучения частично-кристаллических полимеров. Этот вид полимеров производится в объемах, превышающих 100 млн тонн в год, и имеет множество различных применений, начиная от тканей и упаковочных материалов до протезов в нейрохирургии. Знать больше о структуре и поведении данных полимеров необходимо, чтобы научиться синтезировать материалы, которые не подведут даже в экстремальных условиях и специфических задачах. Результаты опубликованы в журнале ACS Macro Letters.
Термический анализ позволяет ученым понять, как исследуемый материал ведет себя при изменении температуры. Ученые выяснили, что при исследовании частично-кристаллических полимеров термический анализ может давать ошибочные результаты. Чтобы решить эту проблему, физики из МФТИ и МГУ имени М.В. Ломоносова усовершенствовали основной инструмент эксперимента — калориметр, но и дополнили исследование попутными рентген-фотографиями структуры образца.
Особенность структуры частично-кристаллических полимеров в том, что длинная полимерная цепочка то сложена в аккуратные складки (кристаллические ламели), то извивается в беспорядке — там, где кристаллические участки перемежаются с аморфными. При изменении температуры эта структура может вести себя сложным образом, в том числе может наблюдаться не одна, а несколько точек плавления. Непонятно, действительно ли это дает повод говорить о сложном термодинамическом поведении, или же это на самом деле следствие реорганизации структуры полимера. Кроме того, это обстоятельство бросает тень на уже полученные результаты термического анализа полимеров — неизвестно, изменялась ли структура во время экспериментов.
Структура частично-кристаллических полимеров: кристаллические (упорядоченные) участки перемежаются с аморфными (неупорядоченными)
Фото: пресс-служба МФТИ
Исследователи показали, каким образом эту неопределенность можно исключить. Они разработали комбинированный термоаналитический и рентгеноструктурный эксперимент для изучения частично-кристаллических полимеров. Оказалось, что критическим параметром при анализе служит скорость нагрева, и для того, чтобы не допустить структурных изменений образца во время термоаналитического эксперимента, температура должна меняться быстрее, чем происходит реорганизация структуры полимера. Стоит отметить, что такая критическая скорость нагрева зависит от температуры, при которой полимер был закристаллизован.
Ученые исследовали наличие структурной реорганизации для типичного полимера PTT (политриметилен терефталата), закристаллизованного, например, при 150 °C. Оказалось, что если нагрев происходит со скоростью 500 градусов в секунду и выше, структура не успевает перестроиться, чего нельзя было сказать об относительно медленном нагреве со скоростью 1 градус в секунду.
В результате ученые показали, что наличие множества точек плавления у частично-кристаллических полимеров действительно может быть связано со сложной термодинамикой, а не с изменениями в структуре, так как подобное поведение наблюдалось при различных скоростях нагрева. Усовершенствованная постановка эксперимента должна помочь другим исследователям лучше понять поведение и свойства важного класса веществ — частично-кристаллических полимеров.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, МГУ имени М.В. Ломоносова, Европейского центра синхротронного излучения (ESRF), а также Национального центра научных исследований Франции (CNRS).
