Physikalische Eigenschaften von Polymeren
Die physikalischen Eigenschaften von Polymeren verbinden die molekulare Struktur – Kettenlänge, Flexibilität und Packung – mit dem thermischen, mechanischen und morphologischen Verhalten, das ein sprödes Glas von einem zähen Kunststoff oder einem weichen Elastomer unterscheidet.
Definition
Physikalische Polymereigenschaften sind die thermischen, mechanischen und morphologischen Charakteristika eines Polymers, die sich aus der Größe, Flexibilität, Regelmäßigkeit und Packung seiner Ketten ergeben und nicht aus der Chemie einer einzelnen Reaktion.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von festen und geschmolzenen Polymeren: die Definitionen und Messungen der Molmasse und ihrer Verteilung, den Glasübergang und andere thermische Übergänge, die Kristallinität und die semikristalline Morphologie von Lamellen und Sphärolithen sowie die viskoelastischen und ultimativen mechanischen Eigenschaften. Er verknüpft die Kettenchemie mit der Massenleistung und den Temperaturfenstern, in denen Materialien verarbeitet und verwendet werden.
Sub-topics
Core questions
- Wie steuern die Molmasse und ihre Verteilung Festigkeit, Zähigkeit und Schmelzverarbeitbarkeit?
- Welche molekularen Faktoren bestimmen die Glasübergangstemperatur?
- Warum und wie kristallisieren einige Polymere, während andere amorph bleiben?
- Wie steuert die Viskoelastizität die zeit- und temperaturabhängige mechanische Reaktion?
Key theories
- Zeit-Temperatur-Superposition (WLF)
- Nahe und oberhalb des Glasübergangs kann die viskoelastische Reaktion bei verschiedenen Temperaturen durch horizontale Verschiebungen, die durch die Williams-Landel-Ferry-Gleichung beschrieben werden, überlagert werden, sodass das Kurzzeitverhalten bei niedriger Temperatur das Langzeitverhalten bei hoher Temperatur widerspiegelt.
- Freivolumentheorie des Glasübergangs
- Der Glasübergang ist mit der Temperatur verbunden, bei der das freie Volumen für großräumige Segmentbewegungen unzureichend wird, was rationalisiert, wie Weichmacher, Molmasse und Abkühlrate den Übergang verschieben.
Mechanisms
Das Verhalten eines Polymers spiegelt das Zusammenspiel von Kettenkonnektivität, segmentaler Beweglichkeit und Packung wider. Lange Ketten verhaken sich, was zu Schmelzeelastizität und Festigkeit im festen Zustand oberhalb einer kritischen Molmasse führt. Unterhalb des Glasübergangs ist die Segmentbewegung eingefroren und das Material ist ein starres Glas; darüber bewegen sich die Segmente und amorphe Bereiche werden gummiartig. Regelmäßige Ketten können sich zu kristallinen Lamellen falten, die zu Sphärolithen organisiert sind, während unregelmäßige oder sperrige Ketten amorph bleiben. Die resultierende zweiphasige oder einphasige Morphologie bestimmt zusammen mit viskoelastischen Relaxationen Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit.
Clinical relevance
Diese Struktur-Eigenschafts-Beziehungen steuern die Materialauswahl und -verarbeitung: Glasübergang und Schmelzpunkt legen das Einsatztemperaturfenster und die Verarbeitungsbedingungen fest, die Molmasse gleicht Festigkeit und Fließfähigkeit aus, und die Kristallinität tauscht Steifigkeit und Barriereeigenschaften gegen Transparenz und Zähigkeit. Sie erklären, warum dasselbe Monomer je nach Mikrostruktur eine Verpackungsfolie, eine Faser oder ein technisches Bauteil ergeben kann.
History
Die physikalische Polymerwissenschaft reifte nach der Mitte des Jahrhunderts, als die von Staudinger und Flory etablierte Kettennatur von Polymeren mit dem Massenverhalten in Verbindung gebracht wurde: Die WLF-Gleichung für die viskoelastische Verschiebung wurde 1955 veröffentlicht, kettengefaltete kristalline Lamellen wurden 1957 von Keller identifiziert, und die Viskoelastizität wurde von Ferry systematisiert, wodurch der moderne Struktur-Eigenschafts-Rahmen etabliert wurde.
Key figures
- Paul Flory
- John Ferry
- Malcolm Williams
- Robert Landel
- Andrew Keller
Related topics
Seminal works
- sperling2006
- hiemenz2007
Frequently asked questions
- Warum ist die Molmasse für die mechanischen Eigenschaften so wichtig?
- Oberhalb einer kritischen Molmasse verhaken sich die Ketten, übertragen Spannungen zwischen den Molekülen und sorgen für Zähigkeit und Schmelzfestigkeit. Darunter sind Materialien spröde und schwach, daher wird die Molmasse so eingestellt, dass ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Verarbeitbarkeit besteht.
- Was ist der Unterschied zwischen Glasübergang und Schmelzen?
- Der Glasübergang ist die allmähliche Erweichung amorpher Bereiche, wenn die Segmentbewegung einsetzt, ohne latente Wärme. Das Schmelzen ist das Verschwinden erster Ordnung der kristallinen Ordnung bei einer schärferen Temperatur. Ein semikristallines Polymer besitzt beides.