MIT-Verfahren macht Kunststoffe für stoßfeste Elektronik und Reifen widerstandsfähiger

Materialwissenschaftler haben sich lange bemüht, diese alltäglichen Katastrophen zu verhindern, indem sie Kunststoffe härter, steifer und zäher machten. Doch ein Team of Technology (MIT) hat nun herausgefunden, wie man Kunststoffe durch gezieltes Engineering erheblich stärker machen kann, indem man sie so verändert, dass sie gezielt brechen.

Die Forscher zeigten, dass das Einbringen geschwächter chemischer Bindungen in gängige Polymere deren Widerstandsfähigkeit gegenüber hochgeschwindigkeitsbedingten Aufprällen steigern kann. Interessanterweise brechen diese opfernden Bindungen selektiv an der Aufprallstelle, wenn sie.

Dadurch entstehen Pfade, die die zerstörerische Energie aufnehmen und dissipieren, während die umgebende Struktur stabil bleibt. „Diese Vernetzer können die Menge an Energie, die das Material unter ballistischen Aufprallbedingungen absorbiert, erheblich steigern", so Jeremiah Johnson, A.

Moegliche Anwendungen

Thomas Geurtin Professor für Chemie am MIT und Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research. Man kann sich viele Anwendungen davon vorstellen, insbesondere wenn sich dieses Verfahren auf andere Polymere verallgemeinern lässt.

Die neue Entwicklung baut auf einer Studie aus dem Jahr 2023 auf, die schwache chemische Bindungen, sogenannte Mechanophore, einsetzte, um das allmähliche Reißen Forscher haben diese Strategie nun angepasst, um schnellen, plötzlichen Aufprallbelastungen standzuhalten.

Durch die Verteilung dieser schwachen Bindungen in einem Material wie Polystyren spalten sich die Mechanophore in zwei Teile, sobald ein Riss beginnt sich auszuweiten; dadurch wird der Riss erfolgreich umgelenkt und die zerstörerische Energie dissipiert.

Technik, Energie und Einsatz

Dieser opfernde Mechanismus zwingt einen Aufprall dazu, deutlich mehr Energie aufzuwenden, um das Material zu durchdringen, wodurch die stärkeren, lasttragenden Polymerbindungen während einer schnellen Verformung vor dem Versagen geschützt werden.

Um die Technologie zu testen, schossen die Forscher mit einem speziellen System namens Laser-Induced Microprojectile Impact Testing (LIPIT) winzige Silikatkugeln auf dünne Filme des modifizierten Kunststoffs.

Bei dieser Technik werden mikroskopische Silikatkugeln mit Überschallgeschwindigkeiten von 750 Metern pro Sekunde (über 1.600 Meilen pro Stunde) auf den Polymerfilm geschossen. Standardpolystyrol zerbrach oder wurde unter dem Stress leicht durchstoßen.

Was die Studie zeigt

Der Kunststoff, der mit den neuen schwachen Molekülen versetzt war, hingegen nahm den schweren Aufprall mühelos auf. „Wir haben diese Methode zunächst entwickelt, um den Aufprall und die Durchdringung ösen Polymerproben zu untersuchen, bei denen wir die Ausbreitung der Partikel durch etwa 100 Mikrometer Material verfolgen und nach dem Aufprall analysieren, wie sich die Polymermorphologie verändert hat", sagte Keith Nelson, der leitende Autor der Studie.

Nelson fügte hinzu, dass ihre neuen Messungen zeigen, wie viel zusätzliche Information über die Teilchengeschwindigkeiten vor und nach dem Durchdringen einer dünnen Schicht extrahiert werden kann. Sie offenbaren zudem tiefgreifende Deformationsmuster sowohl während des Aufpralls der Teilchen als auch im Anschluss daran.

Diese Hochgeschwindigkeitsprüfungen ermöglichten die Nachbildung realer Kräfte, wie beispielsweise das Fallenlassen eines Handys oder den Aufprall eines Kunststoffobjekts. Die Experimente zeigten erfolgreich, dass mechanophor-vernetzte Polystyrole mehr Aufprallenergie absorbieren als herkömmliches unverändertes Polystyrol.

Technik, Energie und Einsatz

Es wurde festgestellt, dass bei hohen Aufprallgeschwindigkeiten das Material lokal erhitzt wird, wodurch sich eine „mobile Zone" bildet. In dieser Zone brechen die mechanophor-vernetzten Bindungen selektiv unter Krafteinwirkung und absorbieren Energie, während der umgebende Bereich stabil bleibt.

Das Team konnte diesen schlagfesten Effekt erfolgreich auch in Styrol-Butadien-Styrol (SBS)-Kautschuk nachbilden, der häufig in Schuhsohlen, Asphalt und Dachbedeckungen verwendet wird. Und das Unternehmen untersucht nun die Anwendung der Technologie bei Styrol-Butadien-Kautschuk für Fahrzeugreifen.

Sollte dies erfolgreich sein, könnten damit langlebigere, plattungsresistente Reifen sowie schützendere Gehäuse für elektronische Bauteile hergestellt werden.

Darüber hinaus könnte die Technologie Umweltverschmutzung durch Mikroplastik reduzieren, indem sie den Reifenverschleiß begrenzt, der derzeit mindestens 10 Prozent des globalen Mikroplastikvorkommens ausmacht. Die Ergebnisse wurden am 3. Juni in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.