محلولهای پلیمری و رئولوژی
محلولهای پلیمری و رئولوژی به چگونگی رفتار زنجیرهها در حالت محلول یا مذاب میپردازند: شامل آرایشها و ابعاد آنها، ترمودینامیک اختلاط، و رفتار جریان که بر هر عملیات فرآیندی حاکم است.
Definition
محلولهای پلیمری و رئولوژی مطالعه رفتار ترمودینامیکی و آرایشی زنجیرههای پلیمری حلشده و تغییر شکل و جریان (رئولوژی) محلولها و مذابهای پلیمری است که این موارد را به جرم مولی، غلظت و دما مرتبط میسازد.
Scope
این حوزه شامل شیمی فیزیک محلولهای پلیمری و جریان مایعات پلیمری است: ترمودینامیک محلول از طریق نظریه فلوری-هاگینز، آرایش کلاف تصادفی و مقیاسبندی ابعاد زنجیره، ویسکومتریک محلول رقیق و ویسکوزیته ذاتی، و رئولوژی مذاب شامل درهمتنیدگی، کاهش ویسکوزیته برشی، جریان ویسکوالاستیک، و خزش. این حوزه ساختار مولکولی را به ویسکوزیته و کشسانی که کنترلکننده فرآیند هستند، مرتبط میکند.
Sub-topics
Core questions
- چه چیزی تعیین میکند که آیا یک پلیمر حل میشود، و یک حلال معین چقدر خوب است؟
- اندازه یک کلاف پلیمری چقدر است و چگونه اندازه آن با جرم مولی مقیاسبندی میشود؟
- چگونه ویسکوزیته ذاتی جرم مولی و ابعاد زنجیره را گزارش میدهد؟
- چرا مذابهای پلیمری کاهش ویسکوزیته برشی و جریان کشسان از خود نشان میدهند، و چگونه جرم مولی ویسکوزیته را تعیین میکند؟
Key theories
- نظریه محلول فلوری-هاگینز
- یک مدل شبکهای از اختلاط پلیمر-حلال، آنتروپی کوچک اختلاط زنجیرههای بلند را با یک پارامتر برهمکنش ترکیب میکند تا حلالیت، رفتار فازی و وجود شرایط تتا را پیشبینی کند که در آن زنجیرهها به صورت ایدهآل رفتار میکنند.
- خزش و درهمتنیدگی
- بالاتر از یک جرم مولی بحرانی، زنجیرهها درهمتنیده میشوند و یک زنجیره با خزش مارمانند در امتداد یک لوله که توسط همسایگانش تشکیل شده است، حرکت میکند، که پیشبینی میکند ویسکوزیته مذاب به شدت با جرم مولی مقیاسبندی میشود و ویسکوالاستیسیته مایعات پلیمری را توضیح میدهد.
Mechanisms
یک زنجیره حلشده، آرایش کلاف تصادفی نوسانی را به خود میگیرد که اندازه آن به کیفیت حلال بستگی دارد: در حلالهای خوب منبسط میشود، در شرایط تتا ایدهآل است، و در حلالهای ضعیف جمع میشود، در حالی که نظریه فلوری-هاگینز ترمودینامیک اختلاط زیربنایی را توصیف میکند. ویسکوزیته ذاتی حجم هیدرودینامیکی کلاف و از طریق رابطه مارک-هاوینک، جرم مولی را بررسی میکند. در مذاب، زنجیرههای کوتاه به صورت مایع ویسکوز جریان مییابند، اما بالاتر از جرم مولی درهمتنیدگی، زنجیرهها در هم نفوذ میکنند و تنش با خزش کاهش مییابد، که منجر به وابستگی شدید ویسکوزیته به جرم مولی، کاهش ویسکوزیته برشی، و اثرات کشسانی بارز در طول جریان میشود.
Clinical relevance
این اصول هم بر فرمولاسیون و هم بر فرآیند حاکم هستند: ترمودینامیک محلول، انتخاب حلال را برای پوششها، ریختهگری و بازیافت هدایت میکند؛ ویسکوزیته ذاتی یک معیار سریع استاندارد برای جرم مولی است؛ و رئولوژی مذاب، رفتار اکستروژن، قالبگیری تزریقی و ریسندگی الیاف را تعیین میکند، از جمله پنجره جرم مولی که تعادل بین استحکام و جریان را برقرار میسازد.
History
فلوری و هاگینز به طور مستقل نظریه شبکهای محلولهای پلیمری را در حدود سالهای 1941-1942 توسعه دادند و ترمودینامیک محلول و مفهوم تتا را پایهگذاری کردند. مدل خزش که توسط دو ژن در سال 1971 پیشنهاد شد و توسط دوی و ادواردز به یک نظریه کامل تبدیل گشت، دینامیک مذابهای درهمتنیده را توضیح داد و تصویر مولکولی جریان پلیمر را تکمیل کرد.
Key figures
- Paul Flory
- Maurice Huggins
- Pierre-Gilles de Gennes
- Masao Doi
- Samuel Edwards
Related topics
Seminal works
- rubinstein2003
- flory1953
Frequently asked questions
- حلال تتا چیست؟
- حلال تتا در دمای تتا شرایطی است که در آن برهمکنشهای پلیمر-حلال و پلیمر-پلیمر متعادل میشوند، بنابراین زنجیره نه منبسط میشود و نه جمع میشود و به عنوان یک کلاف تصادفی ایدهآل رفتار میکند. این یک حالت مرجع کلیدی برای اندازهگیری ابعاد واقعی زنجیره است.
- چرا ویسکوزیته مذاب با جرم مولی به این شدت افزایش مییابد؟
- زیر یک جرم مولی بحرانی، ویسکوزیته با طول زنجیره به طور متوسط افزایش مییابد، اما بالاتر از آن، زنجیرهها درهمتنیده میشوند و باید با خزش حرکت کنند. این باعث میشود ویسکوزیته با جرم مولی تقریباً به توان 3.4 مقیاسبندی شود، بنابراین افزایشهای کوچک در جرم مولی به شدت ویسکوزیته را بالا میبرد.