Подпольная лаборатория: полимеры на стероидах. Поговорим серьезно

[MadFisherman]

Уважаемый коллега! Искренне благодарю вас. Вы не просто зрите в корень — вы сразу формулируете исчерпывающий план действий по верификации, и это бесценно.

Вы абсолютно правы: без данных СЭМ, РСА и ДСК любые заявления о природе эффекта остаются гипотезами. Как я и отметил в статье, моя ключевая проблема как независимого исследователя — именно в доступе к этому оборудованию. Поэтому я и выхожу с этим на Хабрасообщество — в надежде найти коллабораторов.

Позвольте лишь немного прояснить изначальную цель. Моей главной задачей было не получить рекордные 83 МПа (это действительно стало сюрпризом), а доказать саму возможность программируемого управления свойствами и нащупать границы метода. Аномальные значения прочности и удлинения — это индикатор, сигнал, что мы имеем дело с принципиально иной структурой материала.

Ваша конструктивная критика — это именно тот язык, на котором я готов говорить. Я готов предоставить образцы (вторичного ПП, первичного ПП, PLA) любой заинтересованной лаборатории или исследовательской группе для проведения полноценного анализа микроструктуры. Уверен, что совместными усилиями мы сможем дописать физическое обоснование к этим механическим графикам.

Еще раз спасибо вам за этот выверенный и профессиональный комментарий. И я искренне надеюсь, что если и не напрямую, то наше сообщество Habr обязательно расскажет коллегам и уже среди них найдётся тот кто поможет провести все необходимые исследования. Я верю, что всё только начинается.

[avshkol]

Лучше во введении кратко изложить отличия физических свойств ваших полимеров от обычных.

Иначе приходится очень долго читать, чтобы начать понимать, что же у вас такое? (Я не сумел дочитать)...

[MadFisherman]

Благодарю за обратную связь. Вы абсолютно правы, сходу материал может показаться сложным. Ломать структуру статьи не хотелось бы, поэтому сделаю оглавление и ссылки на разделы, но немного позже.

А теперь позвольте кратко сформулировать суть, как вы и предложили:

Если очень просто: Обычные технологии делают пластик либо прочным, либо эластичным. Как выбрать: или камень, или желе. Моя технология впервые позволяет создавать пластик, который одновременно и прочный, и эластичный. Причем мы можем "настраивать" эти свойства как нам нужно, прямо в процессе производства.

Если чуть сложнее: Я нашёл способ управлять внутренней структурой пластика на молекулярном уровне. Это позволяет обойти фундаментальное ограничение "прочность или удлинение". В статье приведены данные испытаний: например, обычный пластик из бутылок рвётся при нагрузке в ~27 МПа, а мои образцы из "мусора" показывают до 53 МПа и при этом растягиваются в 3.5 раза (!) (а если из первичного, не бывшего в употреблении до 83 МПа, да еще при такой прочности с возможностью удлинения), что раньше было абсолютно невозможно.

Самое главное: это работает не только для любого пластика, включая вторичный(переработанные бутылки, упаковка). Это может перевернуть всю индустрию переработки.

Надеюсь, это краткое пояснение помогло расставить акценты. Искренне благодарю, что уделили время статье и оставили комментарий — такая обратная связь бесценна для того, чтобы сделать материал понятнее для всех.

[aegelsky]

Я не хочу придираться, хочу понять скорее:

Вторичный полипропилен rPP

Что тут имеется в виду? Просто переработанный ПП?

Для примера баки стиральных машин в 90% случаев из вторичного ПП, его можно практически неограниченно перерабатывать по моему опыту, ремонтники жарят его паяльниками без контроля температуры под 400 градусов и он отлично паяется и не деградирует, становится сметаной жидкой и после остывания сохраняет гибкость и прочность, это не АБС, который чуть перегрел и он станет хрупким мусором со стеклянной структурой (который к тому же дальше нельзя переработать, будет тупо портить другое сырьё вокруг себя).
Когда у меня не было паяльника с контролем температуры, паял тоже советским паяльником бак стиралки и он работает уже кучу лет, видимо монетка или что-то подобное вылетела из одежды и попала между баком и барабаном.

Пластиковые трубы тоже отлично переживают множественную перепайку, обрезать, рассверлить прошлую запайку ступенчатым сверлом и можно паять тоже по ощущениям бесконечно, вроде 3-4 раза как-то одну детальку использовал, ей глубоко всё равно, гибкость и прочность по ощущениям как в первый раз, только выглядит довольно странно, но тут это не важно)

Может у вас вторичка ПП была грязная, после плохой мойки, с маслом или реагентами и плохо изготовленная?

У меня полностью другой опыт с ПП, по сравнению с АБС или даже ПЕТГ, кажется ПП можно бесконечно перемешивать/паять/давить - ему всё равно.

P.s.: гугл и многие сайты пишут бред - "Температура самовоспламенения полипропилена около 350˚С", про температуру разложения тоже 50/50 бред, он явно не разлагается до 400 (по опыту), АБС - да, в районе 300 начинает безвозвратно деградировать.
Из-за этого похоже его и можно паять советскими 100Вт паяльниками, которые жарят под 450С - какой-то слой возможно деградирует, но пока паяльник прогреет деталь, он сам остынет и будет уже ниже 400С скорее всего, дальше ПП ведёт себя как будто ничего не было, вообще без последствий (по ощущениям опять же, тесты не делал).
"Самовоспламенение" тоже отдельная бредятина, даже бумага при 350С не будет "самовоспламеняться", скорее ближе к 450С (да, не Фаренгейта), сколько точно надо для самовоспламенения полимеров - хз, но кмк ощутимо больше температуры разложения.

[MadFisherman]

Вы задали, наверно, самый главный вопрос! И я очень этому рад. Пока, как верно указали в комментариях ранее (и сам я с этим согласен), рано называть это прорывом (без более углубленных исследований внутренней структуры, о чем я и сам говорил), но данные физико-механических свойств уже позволяют сказать многое. Ответ на ваш вопрос не так прост на самом деле! С уважением к Вам постараюсь описать кратко.

А теперь к сути Вашего вопроса:

К слову, в качестве шутки, от Ваших слов про переработку при 400 градусах у технолога на производстве точно будет инфаркт и очень интеллигентное (не факт, конечно) искреннее возмущение))))

Тут важная оговорка: моя технология пока не применима к литью, к использованию в термо-пласт автоматах и т.д. пока это только нити, трубки, оболочечные изделия и т.п.

Полипропилен и ABS это категории как Сталь и Алюминий - разные свойства. Здесь просто для контраста и объяснения ,что в целом это оба полимера/металла, но с разными свойствами и они хороши каждый в своей сфере.

Полипропилен в целом очень распространенный материал и его ОЧЕНЬ много производится и скопилось в целом.

В повседневной жизни мы не так подробно знакомы со всем спектром свойств (да и не нужны эти сведения в повседневной жизни, там уже подумали инженеры и технологи).

Попробую объяснить на бытовом примере (условно): когда синтезировали первичный полипропилен он как свежее тесто тянется очень хорошо, податливый и т.д. Что такое деградация? Это когда в свежее тесто будут добавлять мелкие крошки сухого белого хлеба - это метафора, крошки - это разрушенные при температуре длинные макромолекулы полимера (они разрушаются и укорачиваются) и чем больше греем тем больше "крошек" в тесте. В этом случае тесто тоже самое, но тянутся будет гораздо хуже, и чем больше крошек тем хуже будет вытягиваться. Да, перерабатывать можно очень много раз, но физико-механические свойства будут неизбежно ухудшаться как раз по причине разрушения макромолекул. Важный момент конкретно здесь: на свойства первичного материала так же сильно влияет молекулярная масса полимера (длина цепи) и однородность свойств и чем выше тем выше изначальные физико-механические свойства гранулы. Вторичный полипропилен - это смесь всего и вся. В том предмете который мы паяем (я сам так делал и трубы паял - но это скорее разовая акция, так как все фитинги и соединения вырезаем и выкидываем практически всегда, и бамперы авто паяльником и сеткой тоже паял).

Когда инженер проектировал бак стиральной машины под нужное ТЗ он прекрасно понимал нужные параметры прочности и с стоимость материалов. Что тут важно? Определенная прочность, химическая стойкость и низкая стоимость - тут отлично подойдет как раз вторичный полипропилен - химически стоек (вытерпит любые домашние средства), легко переносит температурные режимы эксплуатации и не становится более хрупким при этом. И да, он вытерпит ремонт. Почему бак не сделали из первичного материала? Во-первых дороже, а во-вторых при сопоставимой прочности на разрыв ему не требуется высокое удлинение. Т.е. свойства вторичного материала более чем достаточны для текущего применения.

Здесь нам в объяснении поможет как раз диаграмма нагрузки-деформации.

Все существующие технологии, применяемые в данный момент говорят одно:

Первичный полипропилен - однородная масса, разброс по молекулярной массе не велик = предсказуемые свойства. Его диаграмма нагрузки-деформации выглядит классически: "зуб текучести", плато текучести (позволяет вытягивать материал многократно, т.е. нагрузка не растет, а удлинение растет) и почти диагональная зона упрочнения (зона где равномерно растет и нагрузка и удлинение). Давайте представим сильно упрощенную ситуацию в вакууме: у нас есть нить толщиной 1,75 мм. с пределом текучести 37,17 Н (15,45 МПа) и пределом прочности на разрыв 69,72 Н (28,99 МПа). Технолог смотрит и говорит, давайте её вытянем раз в 5. Я очень сильно упрощаю, объясняя суть. Мы вытянули вдоль в 5 раз и получили новую нить, представим что получили нить в пять раз тоньше, пусть будет 0,35 мм. Теперь технолог смотри на вытянутую нить 0,35 мм., зная что это полипропилен и начинает её испытывать, получая 69,72 Н нагрузки на разрыв, а теперь ловкость рук, пересчитывая полученную нагрузку в МПа с учетом диаметра нити получаем что? Верно 724 МПа., но при этом она почему-то не тянется практически - вот это и есть главная проблема текущей промышленности.

А изначально почему он тянется? Полипропилен в целом полукристаллический. У первичного полипропилена, условно, на единицу сечения получается меньше единиц в штуках макромолекул в связи с чем мало точек кристаллизации и много зон аморфности и макромолекулы могут тянуться вдоль друг друга, отдельные могут расправляться из своеобразных "клубков". И это ориентационное вытягивание всё что может текущая промышленность. Всё. Чугуний.

Вторичный полипропилен - смесь полипропилена с разной длиной молекул (разношерстная масса) с большим разбросом. Практически не тянется, так как на единицу сечения больше молекул и значит больше точек кристаллизации, меньше возможность молекулам скользить друг относительно друга и расправляться. Поэтому удлинение гораздо меньше, в разы. Поэтому-то и диаграмма нагрузки-деформации выглядит совершенно по-другому: после зуба текучести нет никакого плато и полимер начинает постепенно разрушаться, а зоны упрочнения нет вообще. Соответственно трюк как с первичным не выйдет.

Такова в двух словах физика и механика процесса ,если упрощенно.

А вот теперь про мою технологию. Я сам по одному из образований инженер текстильных изделий и рассматривал макромолекулы полимеров как обычные волокна хлопка или любого другого обычного волокна и мне было интересно придумать способ прясть молекулы как в классическом прядении и тут мне помог эффект Вайсенберга. Он как раз, в силу своей фундаментальной природы, позволяет как на "веретене" получать закрученную "нить", только из молекул полимера. И диаграммы нагрузки-деформации выглядят совершенно по-другому, косвенно по механизму разрушения приоткрывают дверь и показывают существование надмолекулярных структур, изучить которые очень хочется. Самостоятельно заказать все нужные исследования - я бы сделал, но мои финансовые возможности тут не соответствуют реальности. Это очень дорого. Я намеренно пока не пишу про особенности кристаллизации - мой ответ Вам и так получился как маленькая статья...

Вот и получается у нас прядение молекул. Если в экструдере выдавливают струю полимера, а там, пока он "застывает" молекулы укладываются сами по себе, как захотят и у нас получается некая гетерогенная структура, то используя сдвиговое поле мы можем контролировать и диктовать им нужные нам условия, иначе говоря программировать саму структуру. Т.е. мы можем управляя структурой управлять физико-механическими свойствами.

Что это значит на практике: Можно легко сделать полипропиленовую трубу в три раза тоньше или легче или прочнее, тот же бак стиральной машины легче и прочнее и многое многое другое и так с любыми полимерами.

То что вы упомянули "гугловский" бред - совершенно справедливо, но с Вашего позволения я не буду описывать, иначе получится совсем статья...