Élastomères étoilés dégonflés aux extrémités. (A) Le DELSE se forme par réticulation contrôlée de macromères étoilés suivie d’une évaporation du solvant pour former un réseau polymère réticulé homogène (les illustrations sont exagérées pour mettre en évidence les différences architecturales). (B) Les élastomères conventionnels se forment grâce à des processus de réticulation aléatoires tels que la vulcanisation de longues chaînes polymères ou la gélification à partir de monomères. (C) L’architecture plus homogène prend en charge l’alignement des chaînes pendant l’étirement, provoquant la formation de domaines cristallins dans le DELSE. (D) En revanche, les barrières physiques telles que les enchevêtrements piégés et les inhomogénéités limitent l'effet du SIC dans les élastomères courants. (E) La distance RMS de bout en bout des chaînes de polymères dans un DELSE à l’état non déformé s’échelonne comme N1/3, tel que validé par (F) simulation de dynamique moléculaire (encart de conformation de chaîne simulée représentative). (G) La distance RMS de bout en bout des chaînes de polymères dans un élastomère conventionnel à l’état non déformé s’échelle comme N1/2, tel que validé par (H) simulation de dynamique moléculaire (encart de conformation de chaîne simulée représentative). Crédit: Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj0411
La cristallisation induite par la contrainte peut renforcer, durcir et faciliter un effet élastocalorique dans les élastomères. La cristallinité résultante peut être induite par un étirement mécanique dans les élastomères courants qui est généralement inférieur à 20 %, avec un plateau d'extensibilité.
Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiquesChase M. Hartquist et une équipe de scientifiques en génie mécanique et en sciences des matériaux du MIT et de l'Université Duke aux États-Unis ont utilisé une classe d'élastomères formés par liaison terminale pour atteindre un pourcentage de cristallinité induite par la déformation.
L'élastomère étoilé dégonflé et lié aux extrémités, abrégé en DELSE, a atteint une extensibilité ultra-élevée à l'échelle, au-delà de la limite saturée des élastomères courants, pour favoriser un effet élastocalorique élevé avec un changement de température adiabatique.
Cristallisation induite par la contrainte
Le processus de cristallisation induite par la contrainte est courant dans les élastomères et les gels, où les chaînes de polymères amorphes peuvent se transformer en domaines hautement orientés et alignés en raison d'une contrainte mécanique appliquée. Étant donné que les domaines cristallins orientés et alignés peuvent résister à l'extension et à l'émoussement des fissures pour faciliter la déviation des fissures, le processus de cristallisation induit par la déformation a préservé l'intégrité du réseau, tout en atteignant une récupération proche de 100 % en quelques secondes.
La méthode joue un rôle clé dans diverses applications, notamment le refroidissement élastocalorique et l'actionnement basé sur la déformation.
Le processus typique de cristallinité induite par la déformation dans les élastomères courants est inférieur à 20 %, tandis que le caoutchouc naturel n'atteint qu'environ 15 % de cristallinité lorsqu'il est étiré jusqu'à six fois sa longueur initiale à température ambiante. Dans ce nouveau travail, Hartquist et une équipe de chercheurs ont décrit une classe d'élastomères étoilés dégonflés et liés aux extrémités permettant d'atteindre jusqu'à 50 % de cristallinité induite par la contrainte. Les scientifiques ont attribué la cristallisation induite par des contraintes ultra élevées à une structure de réseau uniforme et à une extensibilité élevée pour obtenir les résultats attendus.
SIC ultra élevé du DELSE. (A) Les modèles WAXS et SAXS montrent le développement structurel du DELSE à 55°C par rapport au DELE à 55°C et au NR à 22°C lorsqu’il est étiré mécaniquement. Le profil d’intensité WAXS développe des pics cristallins pour (B) le DELSE et (C) NR pendant l’étirement. (D) L’indice de cristallinité augmente de manière plus spectaculaire pour le DELSE que pour le NR. (E) La déconvolution des scans WAXS donne la répartition des phases orientées et non orientées. (F) La cristallinité induite par la déformation du DELSE mesurée à partir de la déconvolution du motif WAXS est comparée au DELE et aux valeurs rapportées pour divers caoutchoucs courants avec SIC. Les barres d’erreur indiquent les écarts types. Crédit: Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj0411
Pour étudier les caractéristiques supplémentaires de l'élastomère, l'équipe a utilisé l'analyse aux rayons X pour montrer comment la structure et l'élastomère étoilé dégonflé et lié aux extrémités induit par la contrainte favorisaient la cristallinité par rapport aux élastomères courants. L’équipe de recherche a ensuite analysé la structure cristalline formée à l’aide d’une analyse détaillée aux rayons X, où les élastomères étoilés dégonflés et liés aux extrémités présentaient un point de diffraction pour marquer la formation de cristaux de poly(dioxyde d’éthylène) dans une structure hélicoïdale. Cet élastomère favorise une cristallinité induite par la déformation plus élevée que les élastomères courants.
Performances mécaniques et refroidissement élastocalorique
L'équipe de recherche a effectué une caractérisation mécanique à 60 °C pour étudier la cristallisation induite par une déformation ultra élevée dans les élastomères dégonflés aux extrémités, qui favorisait efficacement une ténacité élevée, avec une faible hystérésis d'étirement sous contrainte. Hartquist et l'équipe ont renforcé les matériaux les plus souples en introduisant des liaisons réversibles pour induire une grande hystérésis contrainte-étirement.
Les chercheurs ont ensuite étudié l’extensibilité des élastomères pour montrer comment les matériaux s’étiraient au-delà des limites des réseaux enchevêtrés pour des applications plus larges. Ils ont ensuite étudié le potentiel d'utilisation d'un matériau calorique pour des applications de refroidissement à l'état solide en étudiant l'effet élastocalorique dans les élastomères étoilés dégonflés aux extrémités, et ont comparé les résultats avec les élastomères conventionnels.
Les scientifiques ont étudié la possibilité d'utiliser un matériau calorique pour des applications de refroidissement à l'état solide en étudiant les effets élastocaloriques des élastomères étoilés dégonflés par rapport au caoutchouc naturel. Un cycle de refroidissement élastocalorique idéal peut exploiter la diminution de la conformation de l'entropie pour augmenter l'entropie thermique et chauffer le matériau en vrac.
Dans les élastomères à cristallisation induite par la déformation, une chaleur latente supplémentaire a contribué à la formation de cristallites pour accroître l'effet. L'extensibilité accrue et la distribution uniforme de la longueur de chaîne du matériau ont augmenté l'effet élastocalorique théorique, par rapport aux élastomères conventionnels. Ces élastomères constituaient de solides candidats adaptés aux technologies avancées de refroidissement à semi-conducteurs.
Effet élastocalorique du DELSE. (A) Les schémas indiquent la destruction des domaines cristallins et la perturbation de l’alignement de la chaîne polymère lors de la rétraction adiabatique. (B) Images thermiques du DELSE pendant la rétraction. La charge mécanique appliquée et la température de surface mesurée sont enregistrées pour le (C) DELSE et le (D) NR pendant le processus de rétraction. Crédit: Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj0411
Perspectives
De cette manière, les scientifiques des matériaux Chase M. Hartquist et ses collègues ont comparé l'élastomère étoilé dégonflé et lié aux extrémités avec le caoutchouc naturel pour montrer leur stabilité accrue, leur chimie polymère différente et leur structure bien formée qui augmentaient de manière combinatoire la cristallisation induite par la déformation et l'effet élastocalorique dans matériaux élastomères. La comparaison entre les matériaux a révélé leur extensibilité et leur chimie, ainsi que l'importance de leur structure relativement homogène.
Depuis la découverte de l'élastique par JR Katz en 1924 grâce à la cristallisation induite par la contrainte, ce biomatériau a joué un rôle important dans la société, depuis les articles ménagers jusqu'aux pneus de voiture. Dans ce rapport, l’équipe a décrit les élastomères de nouvelle génération développés avec une cristallisation profonde induite par des contraintes qui dépassait les dimensions du caoutchouc naturel et d’autres matériaux courants.
Les matériaux développés ont montré leur capacité à surpasser leurs homologues conventionnels, suggérant la capacité de concevoir des matériaux souples en régulant leur architecture de réseau. Ces matériaux jouent un rôle crucial pour construire des structures aérospatiales futuristes, des dispositifs médicaux et pour les applications de réfrigération élastocalorique.
Plus d'information:
Chase M. Hartquist et al, Un élastomère à cristallisation induite par une déformation ultra élevée, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj0411
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Citation: Développement d'un élastomère futuriste avec une cristallisation induite par une déformation ultra-élevée (27 décembre 2023) récupéré le 27 décembre 2023 sur
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