Mechanische Eigenschaften von Polymeren

Polymere reagieren auf Belastung in einer Weise, die zwischen der von elastischen Festkörpern und viskosen Flüssigkeiten liegt. Ihre Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit hängen daher von Temperatur, Zeit und Rate ab und werden durch Viskoelastizität und Gummielastizität beschrieben.

Definition

Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren sind ihre Steifigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit und Energieabsorption unter Last, die aus viskoelastischem Verhalten resultieren, das festkörperähnliche Elastizität und flüssigkeitsähnliches Fließen kombiniert und von Temperatur, Rate und Molekularstruktur abhängt.

Scope

Dieses Thema behandelt das mechanische Verhalten von Polymeren: lineare Viskoelastizität und die Speicher- und Verlustmoduln, Kriechen und Spannungsrelaxation, die Zeit-Temperatur-Äquivalenz des mechanischen Verhaltens, Gummielastizität von vernetzten Netzwerken, Fließen, Verstrecken und Bruch, sowie wie Molmasse, Kristallinität, Vernetzung und Temperatur gemeinsam die Endprodukteigenschaften bestimmen.

Core questions

• Warum ist die mechanische Reaktion von Polymeren zeit- und temperaturabhängig?
• Wie beschreiben Speicher- und Verlustmoduln das viskoelastische Verhalten?
• Welcher molekulare Ursprung verleiht Gummi seine entropische Elastizität?
• Wie steuern Molmasse, Kristallinität und Vernetzung Festigkeit und Zähigkeit?

Key theories

Lineare Viskoelastizität

Die Reaktion von Polymeren auf Belastung kombiniert elastische und viskose Beiträge, die durch frequenzabhängige Speicher- und Verlustmoduln sowie durch Kriech- und Spannungsrelaxationsfunktionen erfasst und über verschiedene Temperaturen hinweg durch Zeit-Temperatur-Superposition vereinheitlicht werden.

Entropische Theorie der Gummielastizität

Die Rückstellkraft eines gedehnten vernetzten Gummis ist entropisch und resultiert aus der reduzierten Konformationsentropie der gestreckten Netzwerkketten, sodass der Modul proportional zur Vernetzungsdichte ist und mit der absoluten Temperatur zunimmt.

Mechanisms

Unterhalb der Glasübergangstemperatur ist ein Polymer ein steifes Glas, das spröde versagen kann; darüber sind amorphe Ketten beweglich und das Material ist gummiartig oder, falls unvernetzt und oberhalb jeder Schmelztemperatur, fließt es. Verhakungen verleihen Schmelzen und Festkörpern ein transient elastisches Netzwerk, während permanente Vernetzungen eine echte Gummielastizität ermöglichen, die durch Entropie bestimmt wird. Unter Last können Polymere durch Scherbänderung oder Crazing fließen, sich verstrecken, um Ketten auszurichten und in Verstreckrichtung zu verstärken, und letztendlich brechen; das Gleichgewicht zwischen diesen Prozessen, das durch Molmasse, Kristallinität, Vernetzung und Rate bestimmt wird, entscheidet, ob ein Material spröde oder zäh ist.

Clinical relevance

Die Kontrolle der mechanischen Eigenschaften ist die Grundlage des Polymer-Engineerings: Gummielastizität ermöglicht Reifen, Dichtungen und Elastomere; hoher Modul und Festigkeit durch Orientierung und Kristallinität ermöglichen Fasern und Folien; und Zähigkeitsverbesserung durch Gummiphasen oder kontrolliertes Crazing ermöglicht schlagfeste Kunststoffe. Die viskoelastische Analyse leitet das Design gegen Kriechen, Ermüdung und temperatur- und ratenabhängiges Versagen.

History

Die kinetische Theorie der Gummielastizität, die den Modul mit Netzwerkketten und Entropie in Beziehung setzt, wurde in den 1940er Jahren entwickelt und von Treloar und Flory kodifiziert; die systematische Behandlung der Polymer-Viskoelastizität, einschließlich der Zeit-Temperatur-Superposition, wurde von Ferry und anderen in den 1950er und 1960er Jahren etabliert.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

Warum fühlt sich dasselbe Polymer steif an, wenn es schnell getroffen wird, fließt aber langsam unter anhaltender Last?

Polymere sind viskoelastisch: Bei kurzen Zeiten oder hohen Raten können sich die Ketten nicht neu anordnen und reagieren elastisch, während sie sich bei langen Zeiten entspannen und fließen. Diese Zeitabhängigkeit liegt dem Kriechen, der Spannungsrelaxation und der ratenempfindlichen Zähigkeit zugrunde.

Warum wird ein Gummiband steifer, wenn es erhitzt wird?

Die Gummielastizität ist entropisch. Das Dehnen verringert die Konformationsentropie der Netzwerkketten, und die Rückstellkraft ist proportional zur absoluten Temperatur, sodass Erhitzen die Rückstellkraft erhöht, anstatt den Gummi weicher zu machen.