ポリマーの可塑剤のメカニズムは何ですか

ポリマーは、ネイティブの状態で、多くの場合、さまざまなアプリケーションでユーティリティを制限できる剛性のある、時には脆い性格を持っています。これらの制限を克服し、望ましい柔軟性、加工性、耐久性を与えるために 可塑剤 それらの製剤に組み込まれています。これらの添加物、通常は低揮発性有機化合物は、内部構造と分子間力を変更することにより、ポリマーの物理的特性を根本的に変化させます。可塑剤がこれらの変化を達成する複雑なメカニズムを理解することは、ポリマー材料の合理的な設計と応用にとって重要です。

ポリマーの剛性を理解する

可塑剤の役割を掘り下げる前に、塑性ポリマーの剛性源を把握することが重要です。ポリマーは長い分子鎖で構成されており、それらの特性は、これらの鎖間の相互作用によって大きく決定されます。剛性ポリマーでは、強い 分子間力 ファンデルワールスの力、水素結合、双極子双極子の相互作用など、非常にまとまりのあるネットワークが生成されます。これはを制限します セグメントモーション ポリマーチェーンのうち、チェーンの個々の部分が互いに自由に動くことができないことを意味します。この限られたモビリティは、高値に変換されます ガラス遷移温度（TG） 、ポリマーが硬くてガラスのような固体のように動作する臨界温度。

可塑剤の役割：分子潤滑剤

可塑剤は、主にポリマーマトリックス内の「内部潤滑剤」または「スペーサー」として機能します。可塑剤をポリマーと混合すると、その分子はポリマー鎖の間で自分自身を挿入します。この挿入にはいくつかの重要な結果があります。

1。分子間力の還元

可塑剤の最も重要な効果はです 引力の減衰 ポリマーチェーン間。可塑剤分子は、ポリマーセグメントよりも小さく、しばしば極性があり、強力なポリマーポリマーの相互作用を効果的にスクリーニングまたは希釈します。新しい弱い可塑剤 - ポリマー相互作用を導入することにより（または単にポリマー鎖を分離する）、システムの全体的な凝集エネルギー密度が低下します。

2。無料のボリュームの増加

可塑剤分子のインターカレーションは、anにもつながります フリーボリュームの増加 ポリマーマトリックス内。自由体積とは、ポリマー分子自体によって占有されていないポリマー鎖間の空間を指します。可塑剤分子が自分自身を挿入すると、ポリマー鎖をさらに引き離します。このボイド空間の増加により、ポリマー鎖のセグメント移動度が向上します。

3。セグメント運動の強化

分子間力が低下し、自由量が増加したため、 ポリマーセグメントの可動性は大幅に増加します 。ポリマーチェーンは、互いに簡単にスライドして回転できるようになりました。この強化された鎖の動きは、柔軟性、弾力性、ポリマー弾性率（剛性）の減少として現れます。

4。ガラス遷移温度（TG）の下昇

セグメント運動の増加の直接的な結果はaです ガラス遷移温度（TG）のうつ病 。可塑剤により、ポリマー鎖が低温でより自由に移動できるようになるため、剛性のあるガラス状態からより柔軟なゴム状の状態への移行は、低温で発生します。これは、ポリマーをより管理しやすい温度で形成して形成することを可能にするため、処理にとって重要な効果です。

可塑剤作用のメカニズム：理論と視点

いくつかの理論は、可塑剤作用の複雑なメカニズムを説明しようとします。

• 潤滑理論： この古典的な理論は、可塑剤分子が内部潤滑剤として作用し、ポリマー鎖が互いに通り過ぎるときに摩擦を減らすと仮定しています。これは、オイル潤滑機械部品に類似しています。

• ゲル理論： この理論は、可塑剤がポリマー内の秩序化された、結晶または擬似結晶領域（GEL）を破壊し、それにより鎖の移動度を高めることを示唆しています。

• 無料のボリューム理論： これはおそらく最も広く受け入れられている理論です。可塑剤はポリマー内の遊離体積を増加させ、セグメント運動のためのより多くのスペースを提供し、TGを下げると仮定しています。

• スクリーニング理論（または溶媒和理論）： この理論は、可塑剤分子がポリマー鎖上の極性基を「スクリーニング」またはカプセル化する能力を強調し、それにより強力なポリマーポリマー双極子相互作用を減らし、チェーンを分離できるようにします。

これらの理論は相互に排他的ではなく、しばしばお互いを補完することが多く、可塑剤作用の包括的な理解を提供することに注意することが重要です。

可塑剤の有効性に影響を与える要因

可塑剤の有効性は、次のようないくつかの要因の影響を受けます。

• 互換性： 可塑剤はポリマーと互換性がある必要があります。つまり、位相分離なしで安定した均一なブレンドを形成することができます。これは、多くの場合、溶解性パラメーターの類似性に依存します。

• 分子サイズと形状： より小さく、よりモバイル可塑剤分子は一般に、より大きな可塑性効率を提供します。

• 極性： 可塑剤の極性は、浸出や滲出を引き起こすほど強力ではなく、ポリマーと効果的に相互作用するのに適している必要があります。

• 集中： 最適な可塑剤濃度があります。あまりにも少ない効果は最小限に抑えられますが、多すぎると滲出、機械的強度の低下、その他の望ましくない特性が発生します。

結論

本質的に、可塑剤は、顕微鏡アーキテクチャを微妙に変更することにより、ポリマーの巨視的特性を根本的に変換します。分子スペーサーと潤滑剤として作用することにより、彼らは強い分子間力を破壊し、遊離体積を増やし、分節の可動性を高め、最終的にガラス遷移温度を下げ、柔軟性と処理可能性を与えます。可塑剤の賢明な選択と取り込みは、ポリマー材料を調整して、現代のエンジニアリングと消費者アプリケーションの多様な需要を満たすために不可欠です。