สารละลายพอลิเมอร์และรีโอโลยี
สารละลายพอลิเมอร์และรีโอโลยีอธิบายพฤติกรรมของสายโซ่เมื่อละลายหรือหลอมเหลว: การจัดเรียงตัวและมิติของสายโซ่, อุณหพลศาสตร์ของการผสม, และพฤติกรรมการไหลที่ควบคุมการดำเนินการแปรรูปทุกขั้นตอน
Definition
สารละลายพอลิเมอร์และรีโอโลยีคือการศึกษาพฤติกรรมทางอุณหพลศาสตร์และการจัดเรียงตัวของสายโซ่พอลิเมอร์ที่ละลายอยู่ และการเสียรูปและการไหล (รีโอโลยี) ของสารละลายพอลิเมอร์และพอลิเมอร์หลอมเหลว โดยเชื่อมโยงสิ่งเหล่านี้กับมวลโมลาร์ ความเข้มข้น และอุณหภูมิ
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมเคมีเชิงฟิสิกส์ของสารละลายพอลิเมอร์และการไหลของของเหลวพอลิเมอร์: อุณหพลศาสตร์ของสารละลายผ่านทฤษฎี Flory-Huggins, การจัดเรียงตัวแบบขดสุ่ม (random-coil conformation) และการปรับขนาดของมิติสายโซ่, การวัดความหนืดของสารละลายเจือจางและความหนืดจำเพาะ (intrinsic viscosity), และรีโอโลยีของพอลิเมอร์หลอมเหลว รวมถึงการพันกัน (entanglement), การไหลแบบเฉือนบาง (shear thinning), การไหลแบบวิสโคอีลาสติก (viscoelastic flow), และการเลื้อย (reptation) โดยเชื่อมโยงโครงสร้างระดับโมเลกุลเข้ากับความหนืดและความยืดหยุ่นที่ควบคุมกระบวนการแปรรูป
Sub-topics
Core questions
- อะไรเป็นตัวกำหนดว่าพอลิเมอร์จะละลายหรือไม่ และตัวทำละลายที่กำหนดนั้นดีเพียงใด?
- ขดพอลิเมอร์มีขนาดใหญ่เพียงใด และขนาดของมันสัมพันธ์กับมวลโมลาร์อย่างไร?
- ความหนืดจำเพาะบ่งบอกถึงมวลโมลาร์และมิติของสายโซ่อย่างไร?
- เหตุใดพอลิเมอร์หลอมเหลวจึงมีการไหลแบบเฉือนบางและแสดงการไหลแบบยืดหยุ่น และมวลโมลาร์กำหนดความหนืดอย่างไร?
Key theories
- ทฤษฎีสารละลาย Flory-Huggins
- แบบจำลองแลตทิซของการผสมพอลิเมอร์-ตัวทำละลายรวมเอนโทรปีการผสมที่น้อยของสายโซ่ยาวเข้ากับพารามิเตอร์อันตรกิริยาเพื่อทำนายความสามารถในการละลาย พฤติกรรมเฟส และการมีอยู่ของสภาวะทีตาที่สายโซ่มีพฤติกรรมเป็นอุดมคติ
- การเลื้อยและการพันกัน
- เมื่อมวลโมลาร์สูงกว่าค่าวิกฤต สายโซ่จะพันกันและสายโซ่จะเคลื่อนที่แบบเลื้อยคล้ายงูไปตามท่อที่เกิดจากสายโซ่ข้างเคียง ซึ่งทำนายว่าความหนืดของพอลิเมอร์หลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นอย่างมากตามมวลโมลาร์ และอธิบายความหนืด-ยืดหยุ่นของของเหลวพอลิเมอร์
Mechanisms
สายโซ่ที่ละลายอยู่จะมีการจัดเรียงตัวแบบขดสุ่มที่ผันผวน ซึ่งขนาดขึ้นอยู่กับคุณภาพของตัวทำละลาย: ขยายตัวในตัวทำละลายที่ดี, เป็นอุดมคติที่สภาวะทีตา (theta condition), และยุบตัวในตัวทำละลายที่ไม่ดี โดยทฤษฎี Flory-Huggins อธิบายอุณหพลศาสตร์การผสมพื้นฐาน ความหนืดจำเพาะใช้ตรวจสอบปริมาตรไฮโดรไดนามิกของขดพอลิเมอร์ และผ่านความสัมพันธ์ Mark-Houwink ใช้ตรวจสอบมวลโมลาร์ ในพอลิเมอร์หลอมเหลว สายโซ่สั้นจะไหลเป็นของเหลวหนืด แต่เมื่อมวลโมลาร์สูงกว่าจุดพันกัน สายโซ่จะแทรกซึมกันและแรงเค้นจะคลายตัวโดยการเลื้อย ทำให้ความหนืดขึ้นอยู่กับมวลโมลาร์อย่างมาก เกิดการไหลแบบเฉือนบาง และมีผลกระทบทางความยืดหยุ่นที่ชัดเจนระหว่างการไหล
Clinical relevance
หลักการเหล่านี้ควบคุมทั้งการกำหนดสูตรและการแปรรูป: อุณหพลศาสตร์ของสารละลายนำทางการเลือกตัวทำละลายสำหรับการเคลือบ การหล่อ และการรีไซเคิล; ความหนืดจำเพาะเป็นการวัดมวลโมลาร์ที่รวดเร็วและเป็นมาตรฐาน; และรีโอโลยีของพอลิเมอร์หลอมเหลวกำหนดพฤติกรรมการอัดรีด การฉีดขึ้นรูป และการปั่นเส้นใย รวมถึงช่วงมวลโมลาร์ที่สมดุลระหว่างความแข็งแรงกับการไหล
History
ฟลอรีและฮักกินส์ได้พัฒนาทฤษฎีแลตทิซของสารละลายพอลิเมอร์โดยอิสระในช่วงปี 1941-1942 ซึ่งเป็นรากฐานของอุณหพลศาสตร์ของสารละลายและแนวคิดทีตา แบบจำลองการเลื้อยที่เสนอโดยเดอ เจนเนสในปี 1971 และพัฒนาเป็นทฤษฎีที่สมบูรณ์โดยดอยและเอ็ดเวิร์ดส์ ได้อธิบายพลวัตของพอลิเมอร์หลอมเหลวที่พันกัน ทำให้ภาพรวมระดับโมเลกุลของการไหลของพอลิเมอร์สมบูรณ์
Key figures
- Paul Flory
- Maurice Huggins
- Pierre-Gilles de Gennes
- Masao Doi
- Samuel Edwards
Related topics
Seminal works
- rubinstein2003
- flory1953
Frequently asked questions
- ตัวทำละลายทีตา (theta solvent) คืออะไร?
- ตัวทำละลายทีตาที่อุณหภูมิทีตาคือสภาวะที่อันตรกิริยาระหว่างพอลิเมอร์-ตัวทำละลายและพอลิเมอร์-พอลิเมอร์สมดุลกัน ดังนั้นสายโซ่จึงไม่ขยายตัวหรือยุบตัว และมีพฤติกรรมเหมือนขดสุ่มในอุดมคติ เป็นสถานะอ้างอิงที่สำคัญสำหรับการวัดมิติสายโซ่ที่แท้จริง
- เหตุใดความหนืดของพอลิเมอร์หลอมเหลวจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อมวลโมลาร์เพิ่มขึ้น?
- เมื่อมวลโมลาร์ต่ำกว่าค่าวิกฤต ความหนืดจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยตามความยาวของสายโซ่ แต่เมื่อสูงกว่านั้น สายโซ่จะพันกันและต้องเคลื่อนที่โดยการเลื้อย สิ่งนี้ทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้นตามมวลโมลาร์ประมาณกำลัง 3.4 ดังนั้นการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของมวลโมลาร์จะเพิ่มความหนืดอย่างมาก