สมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์
สมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์เชื่อมโยงโครงสร้างระดับโมเลกุล—ความยาวสายโซ่ ความยืดหยุ่น และการจัดเรียงตัว—เข้ากับพฤติกรรมทางความร้อน กลไก และสัณฐานวิทยา ซึ่งเป็นตัวจำแนกความแตกต่างระหว่างแก้วที่เปราะ พลาสติกที่เหนียว หรือยางยืดที่อ่อนนุ่ม
Definition
สมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์คือลักษณะทางความร้อน กลไก และสัณฐานวิทยาของพอลิเมอร์ที่เกิดจากขนาด ความยืดหยุ่น ความสม่ำเสมอ และการจัดเรียงตัวของสายโซ่ มากกว่าที่จะเกิดจากเคมีของปฏิกิริยาใดๆ
Scope
ขอบเขตนี้ครอบคลุมความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและสมบัติของพอลิเมอร์ทั้งในสถานะของแข็งและหลอมเหลว: คำจำกัดความและการวัดมวลโมลาร์และการกระจายตัวของมวลโมลาร์ การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วและการเปลี่ยนสถานะทางความร้อนอื่นๆ สภาพความเป็นผลึกและสัณฐานวิทยาแบบกึ่งผลึกของลาเมลลาและสเฟียรูไลต์ รวมถึงสมบัติทางกลเชิงวิสโคอิลาสติกและสมบัติทางกลขั้นสูงสุด โดยเชื่อมโยงเคมีของสายโซ่เข้ากับประสิทธิภาพโดยรวมและช่วงอุณหภูมิที่วัสดุถูกนำไปแปรรูปและใช้งาน
Sub-topics
Core questions
- มวลโมลาร์และการกระจายตัวของมวลโมลาร์ควบคุมความแข็งแรง ความเหนียว และความสามารถในการแปรรูปแบบหลอมเหลวได้อย่างไร?
- ปัจจัยระดับโมเลกุลใดบ้างที่กำหนดอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว?
- ทำไมและอย่างไรที่พอลิเมอร์บางชนิดจึงเกิดการตกผลึกในขณะที่บางชนิดยังคงเป็นอสัณฐาน?
- วิสโคอิลาสติกควบคุมการตอบสนองทางกลที่ขึ้นกับเวลาและอุณหภูมิได้อย่างไร?
Key theories
- การซ้อนทับกันของเวลา-อุณหภูมิ (WLF)
- ใกล้และเหนือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว การตอบสนองเชิงวิสโคอิลาสติกที่อุณหภูมิต่างกันสามารถซ้อนทับกันได้โดยการเลื่อนในแนวนอนที่อธิบายโดยสมการ Williams-Landel-Ferry ดังนั้นพฤติกรรมในระยะสั้นที่อุณหภูมิต่ำจึงสะท้อนพฤติกรรมในระยะยาวที่อุณหภูมิสูง
- ทฤษฎีปริมาตรอิสระของการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว
- การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเกี่ยวข้องกับอุณหภูมิที่ปริมาตรอิสระไม่เพียงพอต่อการเคลื่อนที่ของส่วนย่อยในวงกว้าง ซึ่งอธิบายว่าพลาสติไซเซอร์ มวลโมลาร์ และอัตราการเย็นตัวส่งผลต่อการเปลี่ยนสถานะได้อย่างไร
Mechanisms
พฤติกรรมของพอลิเมอร์สะท้อนถึงการทำงานร่วมกันของการเชื่อมต่อสายโซ่ การเคลื่อนที่ของส่วนย่อย และการจัดเรียงตัว สายโซ่ที่ยาวจะพันกัน ทำให้เกิดความยืดหยุ่นในการหลอมเหลวและความเหนียวในสถานะของแข็งเมื่อมวลโมลาร์สูงกว่าค่าวิกฤต ต่ำกว่าการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว การเคลื่อนที่ของส่วนย่อยจะถูกตรึงไว้ และวัสดุจะเป็นแก้วที่แข็งเกร็ง; เหนือกว่านั้น ส่วนย่อยจะเคลื่อนที่และบริเวณอสัณฐานจะกลายเป็นยางยืด สายโซ่ที่สม่ำเสมอสามารถพับตัวเป็นลาเมลลาผลึกที่จัดเรียงตัวเป็นสเฟียรูไลต์ได้ ในขณะที่สายโซ่ที่ไม่สม่ำเสมอหรือมีขนาดใหญ่จะยังคงเป็นอสัณฐาน สัณฐานวิทยาแบบสองเฟสหรือเฟสเดียวที่เกิดขึ้น ร่วมกับการคลายตัวเชิงวิสโคอิลาสติก จะเป็นตัวกำหนดความแข็ง ความแข็งแรง และความเหนียว
Clinical relevance
ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและสมบัติเหล่านี้ควบคุมการเลือกใช้วัสดุและการแปรรูป: การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วและจุดหลอมเหลวกำหนดช่วงอุณหภูมิการใช้งานและสภาวะการแปรรูป มวลโมลาร์สร้างสมดุลระหว่างความแข็งแรงกับการไหล และสภาพความเป็นผลึกแลกเปลี่ยนความแข็งและความสามารถในการกั้นกับความโปร่งใสและความเหนียว สิ่งเหล่านี้อธิบายว่าทำไมโมโนเมอร์ชนิดเดียวกันจึงสามารถให้ผลผลิตเป็นฟิล์มบรรจุภัณฑ์ เส้นใย หรือชิ้นส่วนทางวิศวกรรมได้ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาค
History
วิทยาศาสตร์พอลิเมอร์เชิงกายภาพพัฒนาขึ้นหลังกลางศตวรรษ เมื่อธรรมชาติของสายโซ่พอลิเมอร์ที่ Staudinger และ Flory ได้สร้างขึ้น ถูกเชื่อมโยงเข้ากับพฤติกรรมโดยรวม: สมการ WLF สำหรับการเลื่อนเชิงวิสโคอิลาสติกได้รับการตีพิมพ์ในปี 1955 ลาเมลลาผลึกแบบพับสายโซ่ถูกระบุโดย Keller ในปี 1957 และวิสโคอิลาสติกได้รับการจัดระบบโดย Ferry ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับกรอบแนวคิดโครงสร้าง-สมบัติที่ทันสมัย
Key figures
- Paul Flory
- John Ferry
- Malcolm Williams
- Robert Landel
- Andrew Keller
Related topics
Seminal works
- sperling2006
- hiemenz2007
Frequently asked questions
- ทำไมมวลโมลาร์จึงมีความสำคัญมากต่อสมบัติทางกล?
- เมื่อมวลโมลาร์สูงกว่าค่าวิกฤต สายโซ่จะพันกัน ทำให้เกิดการส่งผ่านความเค้นระหว่างโมเลกุล และให้ความเหนียวและความแข็งแรงในการหลอมเหลว ต่ำกว่าค่านี้ วัสดุจะเปราะและอ่อนแอ ดังนั้นมวลโมลาร์จึงถูกปรับให้สมดุลระหว่างความแข็งแรงกับความง่ายในการแปรรูป
- ความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วและการหลอมเหลวคืออะไร?
- การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วคือการอ่อนตัวลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปของบริเวณอสัณฐานเมื่อการเคลื่อนที่ของส่วนย่อยเริ่มขึ้น โดยไม่มีความร้อนแฝง การหลอมเหลวคือการหายไปของความเป็นระเบียบของผลึกอันดับหนึ่งที่อุณหภูมิที่ชัดเจนกว่า พอลิเมอร์กึ่งผลึกจะมีทั้งสองอย่าง