تلعب الملدنات دورًا محوريًا في صناعة البوليمرات، لا سيما في تحسين مرونة وقابلية معالجة البوليمرات مثل بولي فينيل كلوريد (PVC). تُستخدم السترات، مثل سترات ثلاثي إيثيل (TEC)، وأسيتيل ثلاثي إيثيل سترات (ATEC)، وتريبوتيل سترات (TBC)، وأسيتيل تريبوتيل سترات (ATBC)، على نطاق واسع كملدّنات صديقة للبيئة نظرًا لطبيعتها غير السامة وقابليتها للتحلل الحيوي. ومع ذلك، يمكن أن تختلف كفاءة هذه الملدنات اختلافًا كبيرًا بناءً على تركيبها الكيميائي. وقد برزت الأستلة، وهي تعديل يُدخل مجموعات أسيتيل إلى جزيئات السترات، كاستراتيجية لتعزيز كفاءة تلدين السترات. يهدف هذا العمل إلى دراسة آثار تعديل الأستلة على خصائص تلدين السترات، مع التركيز على كل من التوصيف التجريبي ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية. يسعى البحث إلى توضيح الآليات وراء خصائص التلدين المحسنة للسترات الأسيتيل وتفاعلاتها مع بولي فينيل كلوريد، مما يوفر رؤى حول التغيرات الجزيئية التي تحدث أثناء التشوه الشد.
تُضاف المُلدِّنات إلى بوليمرات مثل بولي كلوريد الفينيل (PVC) لتقليل القوى الجزيئية بين سلاسل البوليمر، مما يسمح بزيادة مرونتها وتقليل هشاشتها. وتُعدّ السترات جذابة بشكل خاص نظرًا لانخفاض سميتها وقابليتها للتحلل البيولوجي. وتُحقق عملية التلدين عن طريق إضعاف التفاعلات بين سلاسل البوليمر، وخفض درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg)، وزيادة ليونة المادة.
يلعب تركيب جزيء السترات دورًا هامًا في كفاءة التلدين. على سبيل المثال، يسمح وجود المجموعات الوظيفية الإسترية بالتفاعل مع سلاسل كلوريد البوليفينيل (PVC)، مما يُعزز المرونة. ومع ذلك، تعتمد كفاءة التلدين على عوامل مثل الوزن الجزيئي للسترات، وعدد مجموعات الإستر، ووجود مجموعات وظيفية إضافية مثل مجموعات الأسيتيل. تُدخل الأستلة هذه المجموعات الوظيفية إلى تركيب السترات، مما يُغير التفاعلات الجزيئية بين المُلَدِّن وسلاسل كلوريد البوليفينيل. ينصب التركيز الرئيسي لهذه الدراسة على فهم كيفية تعزيز الأستلة لكفاءة التلدين لمركبي ATEC وATBC مقارنةً بنظيريهما غير المُؤَسْتَلَين، TEC وTBC.
لتقييم خصائص التلدين للسترات، استُخدمت عدة تقنيات تجريبية. استُخدم اختبار الشد لتقييم الخصائص الميكانيكية لمركبات PVC المُلبَّنة باستخدام TEC وATEC وTBC وATBC. كانت قوة الشد والاستطالة عند الكسر من المعايير الرئيسية المُقاسة لتحديد فعالية كل مُلبِّن.
أظهرت مركبات ATEC/PVC وATBC/PVC قوة شد واستطالة أعلى بكثير عند الكسر مقارنةً بمركبات TEC/PVC وTBC/PVC على التوالي. وتحديدًا، أظهرت ATEC/PVC زيادة في قوة الشد بنسبة 13.9% وزيادة في الاستطالة عند الكسر بنسبة 8.3% مقارنةً بمركبات TEC/PVC، بينما أظهرت ATBC/PVC زيادة في قوة الشد بنسبة 18.7% وزيادة في الاستطالة عند الكسر بنسبة 2.2% مقارنةً بمركبات TBC/PVC. تشير هذه النتائج إلى أن الأستلة تعزز كفاءة تلدين السترات، مما يؤدي إلى تحسين الأداء الميكانيكي لمركبات PVC.
بالإضافة إلى اختبار الشد، استُخدمت تقنيات توصيف أخرى، مثل قياس السعرات الحرارية التفاضلية (DSC) والتحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA)، لإجراء مزيد من البحث في الخصائص الحرارية والميكانيكية لمركبات PVC. وفّرت هذه التقنيات معلومات قيّمة حول درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg) والسلوك اللزج المرن للمواد، مما أتاح فهمًا أعمق للتفاعلات الجزيئية بين المُلدّنات وPVC.
في حين تُوفر الطرق التجريبية بيانات قيّمة حول الخصائص العيانية لمركبات كلوريد البوليفينيل، تُقدم محاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD) رؤيةً مُفصّلةً للتفاعلات على المستوى الجزيئي بين المُليّنات وكلوريد البوليفينيل. وقد استُخدمت محاكاة الديناميكيات الجزيئية لتكملة النتائج التجريبية، مُقدّمةً رؤىً ثاقبةً حول تأثير الأسيتلة على آلية التليين.
أظهرت عمليات محاكاة ديناميكيات الجزيئات (MD) أن الأستلة تؤدي إلى تفاعلات أقوى بين المُلَدِّن وسلاسل PVC، وذلك أساسًا من خلال الروابط الهيدروجينية وقوى فان دير فالس. في ATEC وATBC، يُعزز وجود مجموعات الأسيتيل التوافق بين المُلَدِّن وPVC، مما يؤدي إلى تشتت أفضل لجزيئات المُلَدِّن داخل مصفوفة البوليمر. يُؤدي هذا التشتت المُحسَّن إلى مرونة أكبر وخصائص ميكانيكية مُحسَّنة لمُركَّبات PVC.
علاوة على ذلك، أظهرت عمليات محاكاة الميكانيكا الجزيئية أن البنية الدقيقة لمركبات PVC تتغير بشكل ملحوظ أثناء التشوه بالشد. في وجود الملدنات المُؤَسْتَلة، كانت الطاقة اللازمة لبدء وانتشار حركة السلسلة أقل، مما أدى إلى مرونة واستطالة أكبر عند الكسر. كما كشفت عمليات المحاكاة أن الملدنات المُؤَسْتَلة تُعزز توزيعًا أكثر اتساقًا للإجهاد أثناء التشوه بالشد، مما يقلل من احتمالية حدوث فشل موضعي، ويساهم في التحسين العام لقوة الشد.
يُعد فهم آلية فشل الشد لمركبات PVC أمرًا بالغ الأهمية لتحسين تصميم المُلدِّنات. أشارت نتائج اختبار الشد إلى أن السترات المُؤَسْتَلة، وخاصةً ATEC وATBC، قد حسّنت بشكل ملحوظ قوة الشد والاستطالة عند كسر مركبات PVC. استُكشِفَت آليات فشل هذه المركبات تحت تأثير قوى شد كبيرة باستخدام مزيج من الملاحظات التجريبية ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية.
أثناء التشوه بالشد، عززت الملدنات المُؤَسْتَلة حركة سلاسل PVC، مما سمح بتكيف أكبر مع الإجهاد قبل الانهيار. في المقابل، أظهرت الملدنات غير المُؤَسْتَلة، مثل TEC وTBC، حركة أقل للسلسلة، مما أدى إلى فشل مبكر. ودعمت عمليات محاكاة ديناميكيات المواد هذه النتائج، حيث أظهرت أن الملدنات المُؤَسْتَلة قللت من حواجز الطاقة لحركة السلسلة، مما سهل حدوث تشوه بلاستيكي أكبر قبل بدء الانهيار.
يمكن أن تُعزى خصائص الشد المُحسّنة للسترات المُؤَسْتَلة إلى قدرتها على تعزيز توزيع أكثر تجانسًا للإجهاد داخل مصفوفة PVC. هذا يُقلل من احتمالية تركيزات الإجهاد، والتي غالبًا ما تكون مُسبِّبةً لفشل المادة. وبالتالي، تُساهم المُلَدِّنات المُؤَسْتَلة في نمط فشل أكثر ليونةً، يتميز باستطالة أعلى عند الكسر ومقاومة أكبر للكسر.
في حين أن الأسيتيل يُحسّن كفاءة تلدين السترات، من الضروري مراعاة التأثير المحتمل لهذا التعديل على سمية الملدنات. تُعتبر السترات عمومًا آمنة وغير سامة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك تغليف الأغذية والأجهزة الطبية. ومع ذلك، فإن إضافة مجموعات الأسيتيل قد يُغير من سمية الملدنات.
في هذه الدراسة، تم دراسة تأثير الأسيتيل على سمية السترات من خلال اختبارات السمية الخلوية المختبرية. أظهرت النتائج أن السترات المُؤَسْتَلِة، بما في ذلك ATEC وATBC، حافظت على مستوى سمية منخفض، مماثل لنظيراتها غير المُؤَسْتَلِة. هذا يشير إلى أن تعديل الأسيتيل لا يزيد بشكل ملحوظ من سمية السترات، مما يجعلها خيارًا عمليًا للاستخدام في التطبيقات التي تُعَدّ السلامة فيها أولوية قصوى.
يُحسّن تعديل الأسيتيل للسترات كفاءة تلدينها بشكل ملحوظ، كما يتضح من الخصائص الميكانيكية المُحسّنة لمركبات PVC المُلتينة باستخدام ATEC وATBC. يؤكد كلٌ من التوصيف التجريبي ومحاكاة الميكانيكا الجزيئية أن الأسيتيل يُؤدي إلى تفاعلات أقوى بين المُلَدِّن وPVC، مما يُؤدي إلى مرونة أكبر، وقوة شد أعلى، واستطالة مُحسّنة عند الكسر. تُعزز المُلَدِّنات المُستَسْتَلِلة توزيعًا أكثر تجانسًا للإجهاد أثناء تشوه الشد، مما يُقلل من احتمالية الفشل الموضعي ويُساهم في نمط فشل أكثر مرونة.
علاوة على ذلك، تُظهر الدراسة أن الأستلة لا تؤثر بشكل كبير على سمية السترات، مما يحافظ على ملاءمتها للاستخدام في تطبيقات متنوعة. يُقدم هذا البحث رؤى قيّمة حول آليات تلدين السترات، ويقترح بنية سترات مُحسّنة ذات أداء مُحسّن للاستخدام في مركبات البولي فينيل كلوريد (PVC). يمكن أن تُركز الأبحاث المستقبلية على استكشاف تعديلات كيميائية أخرى للسترات لتحسين خصائص تلدينها مع الحفاظ على السلامة والاستدامة البيئية.
من خلال الجمع بين الأساليب التجريبية والحسابية، تساهم هذه الدراسة في فهم كيفية تأثير التعديلات الجزيئية على الخصائص العيانية للمركبات البوليمرية، مما يمهد الطريق لتطوير مواد ملينة أكثر كفاءة واستدامة.
