خواص فیزیکی پلیمر
خواص فیزیکی پلیمر ساختار مولکولی — طول زنجیره، انعطافپذیری و بستهبندی — را به رفتار حرارتی، مکانیکی و مورفولوژیکی که یک شیشه شکننده را از یک پلاستیک سخت یا یک الاستومر نرم متمایز میکند، مرتبط میسازد.
Definition
خواص فیزیکی پلیمر، ویژگیهای حرارتی، مکانیکی و مورفولوژیکی یک پلیمر هستند که از اندازه، انعطافپذیری، نظم و بستهبندی زنجیرههای آن ناشی میشوند، نه از شیمی هر واکنش منفرد.
Scope
این حوزه روابط ساختار-خواص پلیمرهای جامد و مذاب را پوشش میدهد: تعاریف و اندازهگیری جرم مولی و توزیع آن، انتقال شیشهای و سایر انتقالهای حرارتی، بلورینگی و مورفولوژی نیمهبلورین لاملها و اسفرولیتها، و خواص مکانیکی ویسکوالاستیک و نهایی. این حوزه شیمی زنجیره را به عملکرد کلی و به پنجرههای دمایی که مواد در آنها فرآوری و استفاده میشوند، پیوند میدهد.
Sub-topics
Core questions
- چگونه جرم مولی و توزیع آن استحکام، چقرمگی و قابلیت فرآوری مذاب را کنترل میکند؟
- چه عوامل مولکولی دمای انتقال شیشهای را تعیین میکنند؟
- چرا و چگونه برخی پلیمرها بلوری میشوند در حالی که برخی دیگر بیشکل باقی میمانند؟
- چگونه ویسکوالاستیسیته پاسخ مکانیکی وابسته به زمان و دما را کنترل میکند؟
Key theories
- برهمنهی زمان-دما (WLF)
- در نزدیکی و بالاتر از انتقال شیشهای، پاسخ ویسکوالاستیک در دماهای مختلف میتواند با شیفتهای افقی توصیف شده توسط معادله ویلیامز-لاندل-فری برهمنهی شود، به طوری که رفتار کوتاهمدت در دمای پایین منعکسکننده رفتار بلندمدت در دمای بالا است.
- نظریه حجم آزاد انتقال شیشهای
- انتقال شیشهای با دمایی مرتبط است که در آن حجم آزاد برای حرکت قطعهای در مقیاس بزرگ ناکافی میشود، و توضیح میدهد که چگونه نرمکنندهها، جرم مولی و نرخ خنکسازی انتقال را تغییر میدهند.
Mechanisms
رفتار یک پلیمر بازتابی از تعامل اتصال زنجیره، تحرک قطعهای و بستهبندی است. زنجیرههای بلند در هم تنیده میشوند و کشسانی مذاب و سختی جامد را بالاتر از یک جرم مولی بحرانی ایجاد میکنند. زیر انتقال شیشهای، حرکت قطعهای منجمد میشود و ماده یک شیشه صلب است؛ بالاتر از آن، قطعات حرکت میکنند و مناطق بیشکل لاستیکی میشوند. زنجیرههای منظم میتوانند به لاملهای بلورین سازمانیافته در اسفرولیتها تا شوند، در حالی که زنجیرههای نامنظم یا حجیم بیشکل باقی میمانند. مورفولوژی دو فازی یا تک فازی حاصل، همراه با ریلکسیشنهای ویسکوالاستیک، سفتی، استحکام و چقرمگی را تعیین میکند.
Clinical relevance
این روابط ساختار-خواص انتخاب و فرآوری مواد را کنترل میکنند: انتقال شیشهای و نقطه ذوب، پنجره دمای سرویس و شرایط فرآوری را تعیین میکنند، جرم مولی استحکام را در برابر جریان متعادل میکند، و بلورینگی سفتی و خواص مانع را در برابر شفافیت و چقرمگی مبادله میکند. آنها توضیح میدهند که چرا یک مونومر میتواند بسته به ریزساختار، یک فیلم بستهبندی، یک فیبر یا یک قطعه مهندسی تولید کند.
History
علم فیزیک پلیمر پس از اواسط قرن به بلوغ رسید، زمانی که ماهیت زنجیرهای پلیمرها، که توسط اشتودینگر و فلوری اثبات شده بود، به رفتار کلی مرتبط شد: معادله WLF برای شیفت ویسکوالاستیک در سال 1955 منتشر شد، لاملهای بلورین تاخورده زنجیرهای توسط کلر در سال 1957 شناسایی شدند، و ویسکوالاستیسیته توسط فری سیستماتیک شد و چارچوب ساختار-خواص مدرن را بنا نهاد.
Key figures
- Paul Flory
- John Ferry
- Malcolm Williams
- Robert Landel
- Andrew Keller
Related topics
Seminal works
- sperling2006
- hiemenz2007
Frequently asked questions
- چرا جرم مولی برای خواص مکانیکی اینقدر اهمیت دارد؟
- بالاتر از یک جرم مولی بحرانی، زنجیرهها در هم تنیده میشوند، تنش را بین مولکولها منتقل میکنند و چقرمگی و استحکام مذاب را فراهم میآورند. پایینتر از آن، مواد شکننده و ضعیف هستند، بنابراین جرم مولی برای تعادل استحکام در برابر سهولت فرآوری تنظیم میشود.
- تفاوت بین انتقال شیشهای و ذوب چیست؟
- انتقال شیشهای نرم شدن تدریجی مناطق بیشکل با شروع حرکت قطعهای است، بدون گرمای نهان. ذوب ناپدید شدن مرتبه اول نظم بلورین در یک دمای تیزتر است. یک پلیمر نیمهبلورین هر دو را دارد.