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Wissenschaftler haben ein Kunststoffäquivalent zu Stahl geschaffen – stark, aber nicht schwer. Kunststoffe, die Chemiker manchmal als Polymere bezeichnen, sind eine Klasse langkettiger Moleküle, die aus kurzen Wiederholungseinheiten bestehen, die als Monomere bezeichnet werden. Im Gegensatz zu früheren Polymeren mit derselben Festigkeit ist das neue Material nur kommt in Membranform. Es ist auch 50-mal luftdichter als der undurchlässigste Kunststoff auf dem Markt. Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt dieses Polymers ist seine einfache Synthese. Der Prozess, der bei Raumtemperatur stattfindet, erfordert nur billige Materialien und die Polymer kann in Massenproduktion in großen Blättern hergestellt werden, die nur Nanometer dick sind. Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse am 2. Februar in der Zeitschrift Nature.
Das fragliche Material wird Polyamid genannt, ein aufgefädeltes Netzwerk aus molekularen Amideinheiten (Amide sind chemische Stickstoffgruppen, die an sauerstoffgebundene Kohlenstoffatome gebunden sind). Zu diesen Polymeren gehören Kevlar, eine Faser, die zur Herstellung von kugelsicheren Westen verwendet wird, und Nomex, ein widerstandsfähiges Gewebe.Wie Kevlar sind die Polyamidmoleküle in dem neuen Material über die gesamte Länge ihrer Ketten durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden, was die Gesamtfestigkeit des Materials erhöht.
„Sie haften zusammen wie ein Klettverschluss“, sagte der Hauptautor Michael Strano, ein Chemieingenieur am MIT. Das Reißen von Materialien erfordert nicht nur das Aufbrechen einzelner Molekülketten, sondern auch das Überwinden der riesigen intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen, die das gesamte Polymerbündel durchdringen.
Darüber hinaus können die neuen Polymere automatisch Flocken bilden. Dadurch lässt sich das Material leicht verarbeiten, da es zu dünnen Filmen verarbeitet oder als Dünnfilm-Oberflächenbeschichtung verwendet werden kann. Traditionelle Polymere neigen dazu, als lineare Ketten zu wachsen oder sich wiederholt zu verzweigen und zu verzweigen Verknüpfung in drei Dimensionen, unabhängig von der Ausrichtung. Aber Stranos Polymere wachsen auf einzigartige Weise in 2D, um Nanoschichten zu bilden.
„Können Sie auf einem Blatt Papier zusammenfassen?Es stellt sich heraus, dass Sie es in den meisten Fällen erst nach unserer Arbeit tun können“, sagte Strano. „Also haben wir einen neuen Mechanismus gefunden.“In dieser jüngsten Arbeit überwand sein Team eine Hürde, um diese zweidimensionale Aggregation zu ermöglichen.
Der Grund, warum Polyaramide eine planare Struktur haben, liegt darin, dass die Polymersynthese einen Mechanismus umfasst, der als autokatalytische Templatierung bezeichnet wird: Wenn sich das Polymer verlängert und an den Monomerbausteinen haftet, veranlasst das wachsende Polymernetzwerk nachfolgende Monomere, sich nur in die richtige Richtung zu kombinieren, um die Vereinigung der zu stärken zweidimensionale Struktur. Die Forscher demonstrierten, dass sie das Polymer in Lösung leicht auf Wafer auftragen konnten, um zentimeterbreite Laminate mit einer Dicke von weniger als 4 Nanometern herzustellen. Das ist fast ein Millionstel der Dicke von normalem Büropapier.
Um die mechanischen Eigenschaften des Polymermaterials zu quantifizieren, maßen die Forscher die Kraft, die erforderlich ist, um mit einer feinen Nadel Löcher in eine aufgehängte Materialbahn zu stechen. Dieses Polyamid ist tatsächlich steifer als herkömmliche Polymere wie Nylon, das Gewebe, das zur Herstellung von Fallschirmen verwendet wird. Bemerkenswerterweise Man braucht doppelt so viel Kraft, um dieses superstarke Polyamid abzuschrauben wie Stahl gleicher Dicke. Laut Strano kann die Substanz als Schutzschicht auf Metalloberflächen wie Autofurnieren oder als Filter zur Reinigung von Wasser verwendet werden. Für die letztere Funktion muss die ideale Filtermembran dünn, aber stark genug sein, um hohen Drücken standzuhalten, ohne dass kleine, störende Verunreinigungen in unsere endgültige Versorgung gelangen – eine perfekte Passform für dieses Polyamidmaterial.
In Zukunft hofft Strano, die Polymerisationsmethode über dieses Kevlar-Analogon hinaus auf andere Polymere auszudehnen. „Polymere sind überall um uns herum“, sagte er. „Sie machen alles.“Stellen Sie sich vor, Sie könnten viele verschiedene Arten von Polymeren, sogar exotische, die Strom oder Licht leiten können, in dünne Filme verwandeln, die eine Vielzahl von Oberflächen bedecken können, fügt er hinzu. „Aufgrund dieses neuen Mechanismus können jetzt vielleicht andere Arten von Polymeren verwendet werden.“ sagte Stano.
In einer Welt, die von Kunststoffen umgeben ist, hat die Gesellschaft allen Grund, sich über ein weiteres neues Polymer zu freuen, dessen mechanische Eigenschaften alles andere als gewöhnlich sind, sagte Strano. Dieses Aramid ist extrem langlebig, was bedeutet, dass wir alltägliche Kunststoffe ersetzen können, von Farben über Taschen bis hin zu Lebensmittelverpackungen. mit weniger und stärkeren Materialien. Strano fügte hinzu, dass dieses superstarke 2D-Polymer vom Standpunkt der Nachhaltigkeit aus gesehen ein Schritt in die richtige Richtung sei, um die Welt von Plastik zu befreien.
Shi En Kim (wie sie gewöhnlich Kim genannt wird) ist eine in Malaysia geborene freiberufliche Wissenschaftsautorin und Redaktionspraktikantin für Popular Science Spring 2022. Sie hat ausführlich über Themen geschrieben, die von der skurrilen Verwendung von Spinnweben – Menschen oder Spinnen selbst – bis hin zu Müllsammlern reichen im Weltall.
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Postzeit: 19. Mai 2022