Mecanismo de elasticidade do poliespártico

A alta elasticidade do poliespártico vem de sua estrutura molecular única e rede dinâmica de ligações cruzadas, permitindo que ele se alonge sob estresse e retorne rapidamente à sua forma original.

Design de segmentos de cadeias moleculares

1.Segmentos macios (cadeias flexíveis)

Segmentos de poliéter/poliéster: normalmente, o poliespártico incorpora segmentos flexíveis como o politetrametileno glicol (PTMG) ou a policaprolactona (PCL), que conferem mobilidade de cadeia.

Função: Estes segmentos flexíveis esticam-se e enrolam-se sob forças externas, proporcionando altas taxas de alongamento (geralmente > 300%).

2.Segmentos duros (cadeias rígidas)

Ligações de carbamato (-NH-CO-O-): Formadas por reações entre isocianatos e ésteres aspárticos, criando pontos de ligação rígida para limitar o deslizamento excessivo da cadeia molecular.

Função: Os segmentos duros formam ligações físicas através de ligações de hidrogénio e forças de Van der Waals, aumentando a resistência à tração (> 20 MPa).

3Estrutura de separação de microfases

Segmentos moles e duros formam espontaneamente separação de microfase devido à incompatibilidade termodinâmica:

• Regiões do segmento mole: responsáveis pela deformação elástica.
• Regiões de segmentos duros: atuam como pontos físicos de ligação cruzada, mantendo a integridade geral do material.
• Resposta dinâmica: sob estresse, os segmentos macios alongam-se para absorver energia.

Características dinâmicas das redes interligadas

1.Densidade de ligação transversal tridimensional

O poliespártico forma uma densidade de ligação cruzada moderada através de ligação cruzada química entre isocyanatos e ésteres aspárticos:

• Ligação transversal excessiva: o material torna-se frágil (por exemplo, resinas epóxi tradicionais).
• Ligação transversal insuficiente: o material rasga-se facilmente (por exemplo, borracha não curada).
• Polyaspartico: o espaçamento equilibrado de ligações cruzadas permite que as cadeias moleculares se esticem sem deformação permanente.

2. Ligação reversível de hidrogénio

As ligações dinâmicas de hidrogênio se formam entre o N-H e o O=C nos grupos de carbamato:

• Sob estresse: ligações de hidrogênio quebram, absorvendo energia.
• Após o descarregamento, as ligações de hidrogénio se reformam, restaurando a forma.
• Potencial de auto-reparação: as ligações de hidrogênio nas micro-fissuras se recuperam parcialmente, retardando a falha do material.

Dados experimentais sobre propriedades elásticas

1.Propriedades de tração (ASTM D412)

Prolongamento na ruptura: 300-500% (resina epóxi tradicional: 3-5%, poliuretano: ~ 200%).

Modulo elástico: 100-500 MPa (rigidez moderada, flexibilidade de equilíbrio e suporte).

2Análise Mecânica Dinâmica (DMA)

Temperatura de transição do vidro (Tg): tipicamente entre -50°C e 0°C, mantendo a elasticidade a baixas temperaturas (borracha típica: Tg ~-60°C; resinas epóxi: Tg >50°C).

Tan δ valor de pico: baixo (cerca de 0,1 a 0,3), indicando baixa perda de energia e alta resiliência.

3.Teste de compressão cíclica

O poliespártico apresenta uma deformação permanente de < 5% após 1000 ciclos a uma tensão de compressão de 50% (borracha de silício: ~ 10%, poliuretano: ~ 15%).

Aplicações práticas das vantagens elásticas

1- Pavimentos industriais

Resistência a impactos: O revestimento elástico absorve a energia das empilhadeiras e dos objetos que caem, protegendo os substratos de concreto de rachaduras.

Caso: Pavimentos de fábrica de automóveis revestidos com poliespártico reduziram a manutenção do equipamento em 60%.

2Superfícies desportivas

Retorno energético: os revestimentos elásticos nas pistas e nas pistas reduzem o impacto das articulações (taxa de rebote > 35%), aumentando a segurança.

3.Juntas de expansão da ponte

Adaptabilidade à deformação: os revestimentos deformam-se de forma elástica com movimentos de ponte entre -30°C e 70°C, evitando rachaduras e penetração de água.

4- Revestimentos protetores

Resistência a explosões: Os revestimentos em usinas militares e químicas dissipam a energia das ondas de choque através da elasticidade.

Comparação com os materiais elásticos tradicionais

Ajustes do desempenho elástico

1Ajustes da proporção do segmento

Aumentar os segmentos moles: aumenta o alongamento (por exemplo, o teor de PTMG de 30% para 50% aumenta o alongamento de 300% para 450%).

Aumento dos segmentos duros: Aumenta o módulo (por exemplo, o excesso de isocianatos aumenta o módulo de 100 MPa para 300 MPa).

2.Modificações funcionais

Nanorreforço: A adição de nanotubos de carbono (CNT) ou grafeno aumenta o módulo elástico (+ 20%) mantendo um alto alongamento.

Agentes endurecedores: A introdução de partículas da casca do núcleo (por exemplo, acrilatos) melhora a resistência ao rasgo.

3.Técnicas de ligação cruzada dinâmica

Ligações covalentes reversíveis: a incorporação de ligações Diels-Alder atinge elasticidade de autocura (atualmente na fase de laboratório).

A elasticidade do poliespártico resulta do efeito cooperativo da separação de microfase entre os segmentos macios e duros e da rede dinâmica de ligações cruzadas.Através de um projeto de cadeia molecular flexível, ligação reversível de hidrogênio e densidade de ligação transversal adequada, o poliespártico alcança alto alongamento, rápido rebote e durabilidade.Este equilíbrio entre rigidez e flexibilidade torna o poliespártico um material elástico de alto desempenho indispensável em indústrias como a manufaturaOs desenvolvimentos futuros na ligação dinâmica inteligente irão melhorar ainda mais o controlo da elasticidade e as propriedades de auto-reparação.Expansão das aplicações em electrónica flexível e revestimentos inteligentes.

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