خواص مکانیکی پلیمرها

پلیمرها به گونه‌ای به تنش پاسخ می‌دهند که بین جامدات الاستیک و مایعات ویسکوز قرار می‌گیرد، بنابراین سختی، استحکام و چقرمگی آن‌ها به دما، زمان و نرخ بستگی دارد و توسط ویسکوالاستیسیته و الاستیسیته لاستیکی توصیف می‌شود.

Definition

خواص مکانیکی پلیمرها شامل سختی، استحکام، تغییر شکل‌پذیری و جذب انرژی آن‌ها تحت بار است که از رفتار ویسکوالاستیک ناشی می‌شود و ترکیبی از الاستیسیته شبه‌جامد و جریان شبه‌مایع است و به دما، نرخ و ساختار مولکولی بستگی دارد.

Scope

این موضوع به بررسی رفتار مکانیکی پلیمرها می‌پردازد: ویسکوالاستیسیته خطی و مدول‌های ذخیره و اتلاف، خزش و رهایش تنش، هم‌ارزی زمان-دما در پاسخ مکانیکی، الاستیسیته لاستیکی شبکه‌های پیوند عرضی، تسلیم، کشش و شکست، و اینکه چگونه جرم مولی، بلورینگی، پیوند عرضی و دما به طور مشترک خواص نهایی را تعیین می‌کنند.

Core questions

• چرا پاسخ مکانیکی پلیمر به زمان و دما وابسته است؟
• مدول‌های ذخیره و اتلاف چگونه رفتار ویسکوالاستیک را توصیف می‌کنند؟
• چه منشأ مولکولی به لاستیک خاصیت الاستیسیته آنتروپیک می‌دهد؟
• جرم مولی، بلورینگی و پیوند عرضی چگونه استحکام و چقرمگی را کنترل می‌کنند؟

Key theories

ویسکوالاستیسیته خطی

پاسخ پلیمر به تنش ترکیبی از سهم‌های الاستیک و ویسکوز است که توسط مدول‌های ذخیره و اتلاف وابسته به فرکانس و توابع خزش و رهایش تنش ثبت می‌شود و در دماهای مختلف از طریق برهم‌نهی زمان-دما یکپارچه می‌شود.

نظریه آنتروپیک الاستیسیته لاستیکی

نیروی بازگرداننده یک لاستیک پیوند عرضی کشیده شده، آنتروپیک است که از کاهش آنتروپی ساختاری زنجیره‌های شبکه کشیده شده ناشی می‌شود، بنابراین مدول متناسب با چگالی پیوند عرضی است و با دمای مطلق افزایش می‌یابد.

Mechanisms

پایین‌تر از دمای انتقال شیشه، پلیمر یک شیشه سخت است که می‌تواند به صورت شکننده از کار بیفتد؛ بالاتر از آن، زنجیره‌های آمورف متحرک هستند و ماده لاستیکی است یا، اگر بدون پیوند عرضی و بالاتر از هر نقطه ذوبی باشد، جریان می‌یابد. درهم‌تنیدگی‌ها به مذاب‌ها و جامدات یک شبکه الاستیک گذرا می‌دهند، در حالی که پیوندهای عرضی دائمی الاستیسیته لاستیکی واقعی را ایجاد می‌کنند که توسط آنتروپی کنترل می‌شود. تحت بار، پلیمرها می‌توانند با باندینگ برشی یا ایجاد ترک‌های ریز تسلیم شوند، برای هم‌ترازی زنجیره‌ها و افزایش استحکام در جهت کشش، کشیده شوند و در نهایت بشکنند؛ تعادل بین این فرآیندها که توسط جرم مولی، بلورینگی، پیوند عرضی و نرخ تعیین می‌شود، مشخص می‌کند که یک ماده شکننده است یا چقرمه.

Clinical relevance

کنترل خواص مکانیکی اساس مهندسی پلیمر است: الاستیسیته لاستیکی امکان ساخت تایرها، درزگیرها و الاستومرها را فراهم می‌کند؛ مدول و استحکام بالا ناشی از جهت‌گیری و بلورینگی، امکان ساخت الیاف و فیلم‌ها را می‌دهد؛ و افزایش چقرمگی از طریق فازهای لاستیکی یا ترک‌زایی کنترل‌شده، امکان ساخت پلاستیک‌های مقاوم در برابر ضربه را فراهم می‌کند. تحلیل ویسکوالاستیک، طراحی در برابر خزش، خستگی و شکست وابسته به دما و نرخ را هدایت می‌کند.

History

نظریه جنبشی الاستیسیته لاستیکی، که مدول را به زنجیره‌های شبکه و آنتروپی مرتبط می‌کند، در دهه ۱۹۴۰ توسعه یافت و توسط ترلوآر و فلوری تدوین شد؛ درمان سیستماتیک ویسکوالاستیسیته پلیمر، از جمله برهم‌نهی زمان-دما، توسط فری و دیگران در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ پایه‌گذاری شد.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

چرا یک پلیمر وقتی سریع ضربه می‌خورد سفت به نظر می‌رسد اما تحت بار پایدار به آرامی جریان می‌یابد؟

پلیمرها ویسکوالاستیک هستند: در زمان‌های کوتاه یا نرخ‌های بالا، زنجیره‌ها نمی‌توانند بازآرایی شوند و به صورت الاستیک پاسخ می‌دهند، در حالی که در زمان‌های طولانی‌تر، آرامش یافته و جریان می‌یابند. این وابستگی زمانی زیربنای خزش، رهایش تنش و چقرمگی حساس به نرخ است.

چرا یک کش لاستیکی وقتی گرم می‌شود سفت‌تر می‌شود؟

الاستیسیته لاستیکی آنتروپیک است. کشش، آنتروپی ساختاری زنجیره‌های شبکه را کاهش می‌دهد و نیروی بازگرداننده متناسب با دمای مطلق است، بنابراین گرمایش به جای نرم کردن لاستیک، نیروی جمع‌شونده را افزایش می‌دهد.