Sifat Mekanis Polimer

Polimer merespons tegangan dengan cara yang berada di antara padatan elastis dan cairan kental, sehingga kekakuan, kekuatan, dan ketangguhannya bergantung pada suhu, waktu, dan laju, serta dijelaskan oleh viskoelastisitas dan elastisitas karet.

Definition

Sifat mekanis polimer adalah kekakuan, kekuatan, deformabilitas, dan penyerapan energinya di bawah beban, yang muncul dari perilaku viskoelastis yang menggabungkan elastisitas mirip padat dan aliran mirip cair serta bergantung pada suhu, laju, dan struktur molekuler.

Scope

Topik ini mencakup perilaku mekanis polimer: viskoelastisitas linear dan modulus penyimpanan serta rugi, mulur dan relaksasi tegangan, kesetaraan waktu-suhu dari respons mekanis, elastisitas karet dari jaringan tersambung silang, luluh, penarikan, dan fraktur, serta bagaimana massa molar, kristalinitas, sambungan silang, dan suhu secara bersama-sama menentukan sifat-sifat akhir.

Core questions

• Mengapa respons mekanis polimer bergantung pada waktu dan suhu?
• Bagaimana modulus penyimpanan dan rugi menggambarkan perilaku viskoelastis?
• Asal molekuler apa yang memberikan elastisitas entropi pada karet?
• Bagaimana massa molar, kristalinitas, dan sambungan silang mengontrol kekuatan dan ketangguhan?

Key theories

Viskoelastisitas linear

Respons polimer terhadap tegangan menggabungkan kontribusi elastis dan viskoelastis, yang ditangkap oleh modulus penyimpanan dan rugi yang bergantung pada frekuensi serta oleh fungsi mulur dan relaksasi tegangan, dan disatukan di berbagai suhu melalui superposisi waktu-suhu.

Teori entropi elastisitas karet

Gaya pemulih karet tersambung silang yang diregangkan bersifat entropi, muncul dari entropi konformasi yang berkurang dari rantai jaringan yang memanjang, sehingga modulus sebanding dengan kerapatan sambungan silang dan meningkat dengan suhu absolut.

Mechanisms

Di bawah transisi gelas, polimer adalah gelas kaku yang dapat mengalami kegagalan getas; di atasnya, rantai amorf bersifat mobil dan materialnya bersifat seperti karet atau, jika tidak tersambung silang dan di atas titik leleh, mengalir. Keterikatan memberikan lelehan dan padatan jaringan elastis transien, sementara sambungan silang permanen memberikan elastisitas karet sejati yang diatur oleh entropi. Di bawah beban, polimer dapat luluh melalui pita geser atau crazing, menarik untuk menyelaraskan rantai dan menguatkan dalam arah penarikan, dan akhirnya patah; keseimbangan di antara proses-proses ini, yang ditentukan oleh massa molar, kristalinitas, sambungan silang, dan laju, menentukan apakah suatu material bersifat getas atau ulet.

Clinical relevance

Kontrol sifat mekanis adalah dasar rekayasa polimer: elastisitas karet memungkinkan ban, segel, dan elastomer; modulus dan kekuatan tinggi dari orientasi dan kristalinitas memungkinkan serat dan film; dan penguatan melalui fase karet atau crazing terkontrol memungkinkan plastik tahan benturan. Analisis viskoelastis memandu desain terhadap mulur, kelelahan, dan kegagalan yang bergantung pada suhu dan laju.

History

Teori kinetik elastisitas karet, yang menghubungkan modulus dengan rantai jaringan dan entropi, dikembangkan pada tahun 1940-an dan dikodifikasi oleh Treloar dan Flory; perlakuan sistematis viskoelastisitas polimer, termasuk superposisi waktu-suhu, ditetapkan oleh Ferry dan lainnya pada tahun 1950-an dan 1960-an.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

Mengapa polimer yang sama terasa kaku saat dipukul dengan cepat tetapi mengalir perlahan di bawah beban berkelanjutan?

Polimer bersifat viskoelastis: pada waktu singkat atau laju tinggi, rantai tidak dapat menyusun ulang dan merespons secara elastis, sementara pada waktu lama, rantai mengendur dan mengalir. Ketergantungan waktu ini mendasari mulur, relaksasi tegangan, dan ketangguhan yang sensitif terhadap laju.

Mengapa karet gelang menjadi lebih kaku saat dipanaskan?

Elastisitas karet bersifat entropi. Peregangan menurunkan entropi konformasi rantai jaringan, dan gaya pemulih sebanding dengan suhu absolut, sehingga pemanasan meningkatkan gaya retraksi daripada melunakkan karet.