Cauciuc revoluționar care rezistă la crăpare la întinderi repetate

Cercetătorii de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) au reușit să mărească pragul de oboseală al cauciucului armat cu particule, dezvoltând o nouă abordare pe mai multe scari care permite materialului să reziste la sarcini mari și să reziste la creșterea fisurilor. cu utilizare repetată. Această abordare nu numai că mărește durata de viață a produselor din cauciuc, cum ar fi anvelopele, dar poate și reduce cantitatea de poluare cauzată de căderea particulelor de cauciuc în timpul utilizării.

Cercetarea este publicată în Nature.

Latexul de cauciuc natural este moale și elastic. Pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv anvelope, furtunuri și amortizoare, cauciucul este întărit cu particule solide, cum ar fi negru de fum și silice. De la introducerea lor, aceste particule au îmbunătățit semnificativ duritatea cauciucului, dar nu și rezistența acestuia la creșterea fisurilor atunci când materialul este întins periodic, o măsurătoare cunoscută sub numele de pragul de oboseală.

De fapt, pragul de oboseală al cauciucului armat cu particule nu s-a îmbunătățit prea mult de când a fost măsurat pentru prima dată în anii 1950. Aceasta înseamnă că, chiar și cu îmbunătățirile aduse anvelopelor care măresc rezistența la uzură și reduc consumul de combustibil, fisurile mici pot duce la aruncarea în mediu a unor cantități mari de particule de cauciuc, cauzând poluarea aerului uman și acumularea în râuri și râuri.

În cercetările anterioare, o echipă condusă de Zhigang Suo, profesorul Allen E. și Marilyn M. Puckett de mecanică și materiale la SEAS, a crescut semnificativ pragul de oboseală al cauciucului prin lungirea lanțurilor polimerice și condensarea încurcăturilor. Dar ce zici de cauciucul armat cu particule?

Echipa a adăugat particule de silice la cauciucul lor foarte reticulat, crezând că particulele ar crește rigiditatea, dar nu vor afecta pragul de oboseală, așa cum se crede în mod obișnuit în literatura de specialitate. Ei nu au avut dreptate.

„A fost o mare surpriză”, a spus Jason Steck, un fost student absolvent la Școala de Științe Aplicate și Politice (SEAS) și co-primul autor al lucrării. „Nu ne așteptam ca adăugarea de particule să crească pragul de oboseală, dar am constatat că a crescut cu un factor de zece.”

Steck este acum inginer de cercetare la GE Aerospace.

În materialul echipei de la Harvard, lanțurile de polimeri sunt lungi și foarte împletite, în timp ce moleculele se grupează și sunt legate covalent de lanțurile polimerice.

„După ce se dovedește, acest material desconcentrează stresul din jurul fisurii pe două scale de lungime: scara lanțurilor polimerice și scara moleculelor”, a spus Junsu Kim, fost student absolvent al SEAS și co-primul autor al studiului. hârtie.. Acest amestec oprește creșterea fisurilor în material.”

Kim este acum profesor asistent de inginerie mecanică la Universitatea Northwestern.

Echipa și-a demonstrat abordarea tăind o crăpătură într-o bucată din materialul lor și apoi întinzând-o de zeci de mii de ori. În experimentele lor, fisura nu a crescut niciodată.

„Abordarea noastră de deconcentrare a tensiunilor pe mai multe scară extinde spațiul proprietății materialului, deschizând ușile pentru a reduce murdărirea polimerilor și pentru a construi mașini moi de înaltă performanță”, a spus Su, autorul principal al studiului.

„Abordările tradiționale pentru proiectarea de noi materiale flexibile au ratat aceste idei cruciale de utilizare a deconcentrarii tensiunii pe mai multe scari pentru a obține materiale flexibile de înaltă performanță pentru utilizări industriale largi”, a declarat Yakov Kotsovsky, expert rezident la Biroul de Dezvoltare Tehnologică din Harvard și coautor. a studiului. hârtia. „Principiile de proiectare dezvoltate și demonstrate în această lucrare ar putea fi aplicabile într-o gamă largă de industrii, inclusiv aplicații de mare volum, cum ar fi anvelopele și articolele industriale din cauciuc, precum și aplicațiile emergente, cum ar fi dispozitivele portabile.”

Kutsowski a fost anterior director științific și director de tehnologie la Cabot timp de 15 ani.

Biroul de Dezvoltare Tehnologică al Universității Harvard a protejat proprietatea intelectuală asociată cu acest proiect și explorează oportunități de comercializare.

Cercetarea a fost susținută parțial de grantul MRSEC DMR-2011754 și de Biroul de Cercetare Științifică a Forțelor Aeriene în cadrul Grant FA9550-20-1-0397.