पॉलिमर के यांत्रिक गुण

पॉलिमर तनाव के प्रति लोचदार ठोस और श्यान तरल पदार्थों के बीच की प्रतिक्रिया देते हैं, इसलिए उनकी कठोरता, शक्ति और दृढ़ता तापमान, समय और दर पर निर्भर करती है, और इसे विस्कोइलास्टिसिटी (viscoelasticity) और रबर इलास्टिसिटी (rubber elasticity) द्वारा वर्णित किया जाता है।

Definition

पॉलिमर के यांत्रिक गुण भार के तहत उनकी कठोरता, शक्ति, विरूपण क्षमता और ऊर्जा अवशोषण हैं, जो ठोस-जैसे लोच और तरल-जैसे प्रवाह के संयोजन वाले विस्कोइलास्टिक व्यवहार से उत्पन्न होते हैं और तापमान, दर और आणविक संरचना पर निर्भर करते हैं।

Scope

यह विषय पॉलिमर के यांत्रिक व्यवहार को शामिल करता है: रैखिक विस्कोइलास्टिसिटी (linear viscoelasticity) और भंडारण और हानि मापांक (storage and loss moduli), क्रीप (creep) और तनाव विश्राम (stress relaxation), यांत्रिक प्रतिक्रिया की समय-तापमान तुल्यता (time-temperature equivalence), क्रॉसलिंक्ड नेटवर्क (crosslinked networks) की रबर इलास्टिसिटी (rubber elasticity), यील्डिंग (yielding), ड्राइंग (drawing) और फ्रैक्चर (fracture), और कैसे मोलर द्रव्यमान (molar mass), क्रिस्टलीयता (crystallinity), क्रॉसलिंकिंग (crosslinking) और तापमान संयुक्त रूप से अंतिम गुणों को निर्धारित करते हैं।

Core questions

• पॉलिमर की यांत्रिक प्रतिक्रिया समय- और तापमान-निर्भर क्यों होती है?
• भंडारण और हानि मापांक विस्कोइलास्टिक व्यवहार का वर्णन कैसे करते हैं?
• कौन सा आणविक मूल रबर को उसकी एन्ट्रापिक लोच देता है?
• मोलर द्रव्यमान, क्रिस्टलीयता और क्रॉसलिंकिंग शक्ति और दृढ़ता को कैसे नियंत्रित करते हैं?

Key theories

रैखिक विस्कोइलास्टिसिटी (Linear viscoelasticity)

तनाव के प्रति पॉलिमर की प्रतिक्रिया लोचदार और श्यान योगदानों को जोड़ती है, जिसे आवृत्ति-निर्भर भंडारण और हानि मापांक और क्रीप (creep) और तनाव-विश्राम कार्यों द्वारा कैप्चर किया जाता है, और समय-तापमान सुपरपोजिशन (time-temperature superposition) के माध्यम से तापमानों में एकीकृत किया जाता है।

रबर इलास्टिसिटी का एन्ट्रापिक सिद्धांत (Entropic theory of rubber elasticity)

एक खींचे हुए क्रॉसलिंक्ड रबर का पुनर्स्थापना बल एन्ट्रापिक होता है, जो विस्तारित नेटवर्क श्रृंखलाओं की कम संरूपणात्मक एन्ट्रापी से उत्पन्न होता है, इसलिए मापांक क्रॉसलिंक घनत्व के समानुपाती होता है और पूर्ण तापमान के साथ बढ़ता है।

Mechanisms

कांच संक्रमण (glass transition) के नीचे एक पॉलिमर एक कठोर कांच होता है जो भंगुर तरीके से विफल हो सकता है; इसके ऊपर, अनाकार श्रृंखलाएं गतिशील होती हैं और सामग्री रबर जैसी होती है या, यदि अनक्रॉसलिंक्ड (uncrosslinked) और किसी भी पिघलने से ऊपर है, तो प्रवाहित होती है। उलझाव (entanglements) पिघले हुए पदार्थों और ठोस पदार्थों को एक क्षणिक लोचदार नेटवर्क देते हैं, जबकि स्थायी क्रॉसलिंक (crosslinks) एन्ट्रापी (entropy) द्वारा नियंत्रित वास्तविक रबर इलास्टिसिटी (rubber elasticity) देते हैं। भार के तहत, पॉलिमर शीयर बैंडिंग (shear banding) या क्रेजिंग (crazing) द्वारा यील्ड (yield) कर सकते हैं, श्रृंखलाओं को संरेखित करने और ड्रॉ दिशा में मजबूत करने के लिए ड्रॉ (draw) कर सकते हैं, और अंततः फ्रैक्चर (fracture) हो सकते हैं; मोलर द्रव्यमान (molar mass), क्रिस्टलीयता (crystallinity), क्रॉसलिंकिंग (crosslinking) और दर द्वारा निर्धारित इन प्रक्रियाओं के बीच का संतुलन यह निर्धारित करता है कि कोई सामग्री भंगुर है या कठोर।

Clinical relevance

यांत्रिक-गुण नियंत्रण पॉलिमर इंजीनियरिंग का आधार है: रबर इलास्टिसिटी (rubber elasticity) टायर, सील और इलास्टोमर्स (elastomers) को सक्षम बनाती है; अभिविन्यास और क्रिस्टलीयता से उच्च मापांक और शक्ति फाइबर और फिल्मों को सक्षम बनाती है; और रबर चरणों या नियंत्रित क्रेजिंग (crazing) के माध्यम से कठोरता प्रभाव-प्रतिरोधी प्लास्टिक को सक्षम बनाती है। विस्कोइलास्टिक विश्लेषण क्रीप (creep), थकान (fatigue) और तापमान- और दर-निर्भर विफलता के खिलाफ डिजाइन का मार्गदर्शन करता है।

History

रबर इलास्टिसिटी (rubber elasticity) का गतिज सिद्धांत (kinetic theory), मापांक को नेटवर्क श्रृंखलाओं और एन्ट्रापी (entropy) से संबंधित करते हुए, 1940 के दशक में विकसित किया गया था और ट्रेलोअर (Treloar) और फ्लोरी (Flory) द्वारा संहिताबद्ध किया गया था; पॉलिमर विस्कोइलास्टिसिटी (polymer viscoelasticity) का व्यवस्थित उपचार, जिसमें समय-तापमान सुपरपोजिशन (time-temperature superposition) शामिल है, 1950 और 1960 के दशक में फेरी (Ferry) और अन्य द्वारा स्थापित किया गया था।

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

एक ही पॉलिमर तेजी से टकराने पर कठोर क्यों महसूस होता है लेकिन निरंतर भार के तहत धीरे-धीरे प्रवाहित होता है?

पॉलिमर विस्कोइलास्टिक होते हैं: कम समय या उच्च दरों पर श्रृंखलाएं पुनर्व्यवस्थित नहीं हो पाती हैं और लोचदार रूप से प्रतिक्रिया करती हैं, जबकि लंबे समय तक वे शिथिल हो जाती हैं और प्रवाहित होती हैं। यह समय निर्भरता क्रीप (creep), तनाव विश्राम (stress relaxation) और दर-संवेदनशील दृढ़ता का आधार है।

एक रबर बैंड गर्म होने पर कठोर क्यों हो जाता है?

रबर इलास्टिसिटी एन्ट्रापिक होती है। खींचने से नेटवर्क श्रृंखलाओं की संरूपणात्मक एन्ट्रापी कम हो जाती है, और पुनर्स्थापना बल पूर्ण तापमान के समानुपाती होता है, इसलिए गर्म करने से रबर नरम होने के बजाय पीछे हटने वाला बल बढ़ता है।