KunststofenRubber.nl

Glas met rubberachtige eigenschappen

09 januari 2015 om 12:22 uur

Figuur 1. Als het anistrope glas met warmte wordt behandeld rond de Tg, krimpt de lange zijde met zo'n 35%.

Figuur 2. Model van anisotroop glas en isotroop glas.

Flexibele materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen zijn veelgevraagd voor industriële en technische toepassingen. Gas op oxidebasis is hard bij kamertemperatuur en breekt gemakkelijk. Wetenschappers aan het Instituut voor Techniek in Toko en Asahi Glass in Yokomaha hebben een oxideglas (alkali metafosfaatglas) ontdekt dat taai wordt als het vanuit een supergekoelde vloeibare staat wordt verstrekt. Het materiaal is bestand tegen hoge temperaturen en tegen sterk oxidatieve milieus.

 

Seiji Inaba, Setsuro Ito en Hideo Hosono bestudeerden glas met een structuur die lijkt op die van organisch rubber en die bestaat uit zachte, lange en rechte molecuulketens. De onderzoeksgroep ontdekte dat metafosfaatglas net als rubber uitzet en samentrekt bij een temperatuur die dicht bij de glasovergangstemperatuur ligt (het punt waarop een vloeistof overgaat in een vast stof).

 

De onderzoekers gingen uit van supergekoeld metafosfaatglas dat was gemaakt van gemengde alkalimetalen: lithium, natrium, kalium, cesium en fosforoxide. Door verwarmen en uitrekken werden de rechte molecuulketens in het glas in hoge mate georiënteerd en werd het glas rubberachtig.

Toen de onderzoekers het glas verder verwarmden, kromp het enkele tienden van procenten. Daarna keerde het terug naar zijn oorspronkelijke ongeordende moleculaire staat. Deze eigenschap is bekend als 'entropische elasticiteit' en het is voor het eerst dat een glassoort dit verschijnsel vertoont.

 

Rubberachtig oxideglas kan worden gebruikt voor toepassingen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en tegen oxiderende omstandigheden. Organische polymere rubbers zijn hier niet tegen bestand.

 

Onderzoek

Inaba en zijn groep deden experimenten met een gemengd alkalimetaal metafosfaat glas met de chemische samenstelling Li0.25Na 0.25K 0.25Cs 0.25PO3.

Dit oxideglas is isotroop en breekt, net als gewoon glas, gemakkelijk bij kamertemperatuur. Als het echter wordt verwarmd tot bijna de glasovergangstemperatuur Tg en vervolgens afkoelt in verstrekte staat, wordt het glas anisotroop. Als gevolg van de oriëntatie van de rechte molecuulketens worden de fysische eigenschappen afhankelijk van de richting van de ketens.

Als het metafosfaatglas een warmtebehandeling ondergaat rond de glasovergangstemperatuur, krimpt het tot 35%, maar er is geen verandering in volume. Terwijl veel materialen zoals gewoon glas, keramiek en metalen exotherm zijn als ze samentrekken door warmte, is het nieuwe type glas endotherm als het samentrekt.

 

Metafosfaatglas, dat een op organisch rubber gelijkende structuur heeft, heeft een mate van samentrekking die nog nooit eerder in oxideglas is vertoont. Het vertoont een hoge anisotropie dankzij de oriëntatie van de rechte ketens, en keert terug naar zijn originele structuur als het wordt ontlaten.

 

Verder onderzoek

Dit artikel toont hoe de inwendige structuur van oxideglas zodanig kan worden gemanipuleerd dat het rubberachtige rek vertoont bij hoge temperaturen. De resultaten van het onderzoek suggereren toepassingen die blootstaan aan hoge temperatuur en oxiderende omstandigheden, waarvoor organische polymere rubbers niet geschikt zijn. Verder onderzoek kan leiden tot rubberachtig glas met nog betere omstandigheden.

 

Een uitgebreid artikel over het onderzoek verscheen op 2 december 2014 in de online editie van het tijdschrift Nature Materials.

 

Tokyo Institute of Technology website: www.titech.ac.jp/english/

 

 

Focus op ...