고분자의 기계적 특성

고분자는 탄성 고체와 점성 액체의 중간적인 방식으로 응력에 반응하므로, 강성, 강도 및 인성은 온도, 시간 및 속도에 따라 달라지며, 점탄성 및 고무 탄성으로 설명됩니다.

Definition

고분자의 기계적 특성은 하중 하에서의 강성, 강도, 변형성 및 에너지 흡수이며, 이는 고체와 유사한 탄성과 액체와 유사한 흐름을 결합한 점탄성 거동에서 비롯되며 온도, 속도 및 분자 구조에 따라 달라집니다.

Scope

이 주제는 고분자의 기계적 거동을 다룹니다: 선형 점탄성 및 저장 탄성률과 손실 탄성률, 크리프 및 응력 완화, 기계적 반응의 시간-온도 등가성, 가교 네트워크의 고무 탄성, 항복, 연신 및 파괴, 그리고 몰 질량, 결정성, 가교 및 온도가 최종 특성을 어떻게 공동으로 결정하는지 설명합니다.

Core questions

• 고분자의 기계적 반응이 시간 및 온도에 의존하는 이유는 무엇입니까?
• 저장 탄성률과 손실 탄성률은 점탄성 거동을 어떻게 설명합니까?
• 어떤 분자적 기원이 고무에 엔트로피 탄성을 부여합니까?
• 몰 질량, 결정성 및 가교는 강도와 인성을 어떻게 제어합니까?

Key theories

선형 점탄성

고분자의 응력 반응은 탄성 및 점성 기여를 결합하며, 이는 주파수 의존적 저장 탄성률과 손실 탄성률, 크리프 및 응력 완화 함수로 포착되고, 시간-온도 중첩을 통해 다양한 온도에서 통합됩니다.

고무 탄성의 엔트로피 이론

늘어난 가교 고무의 복원력은 엔트로피적이며, 이는 확장된 네트워크 사슬의 감소된 형태 엔트로피에서 비롯되므로, 탄성률은 가교 밀도에 비례하고 절대 온도에 따라 증가합니다.

Mechanisms

유리 전이 온도 이하에서 고분자는 취성 방식으로 파괴될 수 있는 단단한 유리 상태입니다. 그 이상에서는 비정질 사슬이 이동성이 있어 고무와 같거나, 가교되지 않고 녹는점 이상인 경우 흐릅니다. 얽힘은 용융물과 고체에 일시적인 탄성 네트워크를 제공하는 반면, 영구적인 가교는 엔트로피에 의해 지배되는 진정한 고무 탄성을 제공합니다. 하중 하에서 고분자는 전단 밴딩 또는 크레이징에 의해 항복하고, 사슬을 정렬하고 연신 방향으로 강도를 높이기 위해 연신되며, 궁극적으로 파괴됩니다. 몰 질량, 결정성, 가교 및 속도에 의해 설정되는 이러한 과정들 간의 균형은 재료가 취성인지 인성인지를 결정합니다.

Clinical relevance

기계적 특성 제어는 고분자 공학의 기초입니다. 고무 탄성은 타이어, 밀봉재 및 엘라스토머를 가능하게 합니다. 배향 및 결정성으로 인한 높은 탄성률과 강도는 섬유 및 필름을 가능하게 합니다. 고무상 또는 제어된 크레이징을 통한 인성 증가는 충격에 강한 플라스틱을 가능하게 합니다. 점탄성 분석은 크리프, 피로, 온도 및 속도 의존적 파괴에 대한 설계를 안내합니다.

History

탄성률을 네트워크 사슬 및 엔트로피와 연관시키는 고무 탄성의 운동론은 1940년대에 개발되었고 Treloar와 Flory에 의해 체계화되었습니다. 시간-온도 중첩을 포함한 고분자 점탄성의 체계적인 처리는 1950년대와 1960년대에 Ferry와 다른 연구자들에 의해 확립되었습니다.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

같은 고분자가 빠르게 충격을 가하면 단단하게 느껴지지만, 지속적인 하중 하에서는 천천히 흐르는 이유는 무엇입니까?

고분자는 점탄성입니다. 짧은 시간이나 높은 속도에서는 사슬이 재배열될 수 없어 탄성적으로 반응하지만, 긴 시간에서는 이완되고 흐릅니다. 이러한 시간 의존성은 크리프, 응력 완화 및 속도에 민감한 인성의 근간을 이룹니다.

고무 밴드를 가열하면 더 단단해지는 이유는 무엇입니까?

고무 탄성은 엔트로피적입니다. 늘어뜨리면 네트워크 사슬의 형태 엔트로피가 낮아지고, 복원력은 절대 온도에 비례하므로, 가열하면 고무가 부드러워지기보다는 수축력이 증가합니다.