الخصائص الميكانيكية للبوليمرات
تستجيب البوليمرات للإجهاد بطريقة متوسطة بين المواد الصلبة المرنة والسوائل اللزجة، لذا فإن صلابتها وقوتها ومتانتها تعتمد على درجة الحرارة والوقت والمعدل، وتوصف بالمرونة اللزوجية ومرونة المطاط.
Definition
الخصائص الميكانيكية للبوليمرات هي صلابتها وقوتها وقابليتها للتشوه وامتصاصها للطاقة تحت الحمل، والتي تنشأ من السلوك المرن اللزج الذي يجمع بين المرونة الشبيهة بالمواد الصلبة والتدفق الشبيه بالسوائل، وتعتمد على درجة الحرارة والمعدل والتركيب الجزيئي.
Scope
يغطي هذا الموضوع السلوك الميكانيكي للبوليمرات: المرونة اللزوجية الخطية ومعاملي التخزين والفقدان، والزحف واسترخاء الإجهاد، وتكافؤ استجابة الخصائص الميكانيكية للوقت ودرجة الحرارة، ومرونة المطاط للشبكات المتصالبة، والخضوع، والسحب، والكسر، وكيف تحدد الكتلة المولية والبلورية والتشابك ودرجة الحرارة مجتمعة الخصائص النهائية.
Core questions
- لماذا تعتمد الاستجابة الميكانيكية للبوليمرات على الوقت ودرجة الحرارة؟
- كيف يصف معاملا التخزين والفقدان السلوك المرن اللزج؟
- ما هو الأصل الجزيئي الذي يمنح المطاط مرونته الإنتروبية؟
- كيف تتحكم الكتلة المولية والبلورية والتشابك في القوة والمتانة؟
Key theories
- المرونة اللزوجية الخطية
- تجمع استجابة البوليمر للإجهاد بين المساهمات المرنة واللزجة، والتي تُسجل بواسطة معاملي التخزين والفقدان المعتمدين على التردد، وبواسطة وظائف الزحف واسترخاء الإجهاد، وتُوحّد عبر درجات الحرارة من خلال التراكب الزمني الحراري.
- النظرية الإنتروبية لمرونة المطاط
- القوة الاسترجاعية للمطاط المتصالب الممدود هي إنتروبية، وتنشأ من الإنتروبيا التشكيلية المنخفضة لسلاسل الشبكة الممتدة، لذا فإن المعامل يتناسب طرديًا مع كثافة التشابك ويزداد مع درجة الحرارة المطلقة.
Mechanisms
تحت درجة حرارة التحول الزجاجي، يكون البوليمر زجاجًا صلبًا يمكن أن يفشل بطريقة هشة؛ وفوقها، تكون السلاسل غير المتبلورة متحركة وتكون المادة مطاطية أو، إذا كانت غير متصالبة وفوق أي انصهار، فإنها تتدفق. تمنح التشابكات المصهورات والمواد الصلبة شبكة مرنة مؤقتة، بينما تمنح الروابط المتصالبة الدائمة مرونة مطاطية حقيقية تحكمها الإنتروبيا. تحت الحمل، يمكن للبوليمرات أن تخضع عن طريق التشرط القصي أو التشققات الدقيقة (crazing)، وتُسحب لمواءمة السلاسل وتقويتها في اتجاه السحب، وتتكسر في النهاية؛ ويحدد التوازن بين هذه العمليات، الذي تحدده الكتلة المولية والبلورية والتشابك والمعدل، ما إذا كانت المادة هشة أم متينة.
Clinical relevance
يُعد التحكم في الخصائص الميكانيكية أساس هندسة البوليمرات: فمرونة المطاط تمكن الإطارات والأختام والمطاط الصناعي؛ وتُمكن المعاملات العالية للقوة والصلابة الناتجة عن التوجيه والبلورية الألياف والأفلام؛ ويُمكن التقسية من خلال الأطوار المطاطية أو التشققات الدقيقة المتحكم فيها اللدائن المقاومة للصدمات. يوجه التحليل المرن اللزج التصميم ضد الزحف والتعب والفشل المعتمد على درجة الحرارة والمعدل.
History
تطورت النظرية الحركية لمرونة المطاط، التي تربط المعامل بسلاسل الشبكة وبالإنتروبيا، في الأربعينيات من القرن الماضي وتم تدوينها بواسطة تريلوار وفلوري؛ وقد أُسس المعالجة المنهجية للمرونة اللزوجية للبوليمرات، بما في ذلك التراكب الزمني الحراري، بواسطة فيري وآخرين في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي.
Key figures
- Paul Flory
- John Ferry
- Leslie Treloar
Related topics
Seminal works
- sperling2006
- flory1953
Frequently asked questions
- لماذا يشعر البوليمر نفسه بالصلابة عند ضربه بسرعة ولكنه يتدفق ببطء تحت حمل مستمر؟
- البوليمرات مرنة لزجة: في الأوقات القصيرة أو المعدلات العالية لا يمكن للسلاسل أن تعيد ترتيب نفسها وتستجيب بمرونة، بينما في الأوقات الطويلة تسترخي وتتدفق. هذا الاعتماد على الوقت يكمن وراء الزحف، واسترخاء الإجهاد، والمتانة الحساسة للمعدل.
- لماذا يصبح الشريط المطاطي أكثر صلابة عند تسخينه؟
- مرونة المطاط إنتروبية. يؤدي التمدد إلى خفض الإنتروبيا التشكيلية لسلاسل الشبكة، وتتناسب القوة الاسترجاعية طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة، لذا فإن التسخين يزيد من القوة الانكماشية بدلاً من تليين المطاط.