Polimerlerin Mekanik Özellikleri
Polimerler, elastik katılar ile viskoz sıvılar arasında bir tepki göstererek strese yanıt vermektedir; bu nedenle sertlikleri, mukavemetleri ve toklukları sıcaklığa, zamana ve hıza bağlıdır ve viskoelastisite ile kauçuk elastikiyeti ile tanımlanmaktadır.
Tanım
Polimerlerin mekanik özellikleri, yük altında gösterdikleri sertlik, mukavemet, deforme olabilirlik ve enerji absorpsiyonudur; bunlar katı benzeri elastikiyet ile sıvı benzeri akışı birleştiren viskoelastik davranıştan kaynaklanmakta olup sıcaklığa, hıza ve moleküler yapıya bağlıdır.
Kapsam
Bu konu, polimerlerin mekanik davranışını kapsamaktadır: doğrusal viskoelastisite ile depolama ve kayıp modülleri, sünme ve gerilme gevşemesi, mekanik tepkinin zaman-sıcaklık eşdeğerliği, çapraz bağlı ağların kauçuk elastikiyeti, akma, çekme ve kırılma, ayrıca molar kütle, kristalinite, çapraz bağlanma ve sıcaklığın nihai özellikleri birlikte nasıl belirlediği incelenmektedir.
Temel sorular
- Polimerlerin mekanik tepkisi neden zamana ve sıcaklığa bağlıdır?
- Depolama ve kayıp modülleri viskoelastik davranışı nasıl tanımlamaktadır?
- Kauçuğa entropik elastikiyetini veren moleküler köken nedir?
- Molar kütle, kristalinite ve çapraz bağlanma mukavemeti ve tokluğu nasıl kontrol etmektedir?
Temel kuramlar
- Doğrusal viskoelastisite
- Polimerlerin strese tepkisi, elastik ve viskoz katkıları birleştirmekte olup, frekansa bağlı depolama ve kayıp modülleri ile sünme ve gerilme gevşemesi fonksiyonları aracılığıyla yakalanmakta ve zaman-sıcaklık süperpozisyonu ile farklı sıcaklıklarda birleştirilmektedir.
- Kauçuk elastikiyetinin entropik teorisi
- Gerilmiş çapraz bağlı bir kauçuğun geri çağırıcı kuvveti entropiktir; bu durum, uzatılmış ağ zincirlerinin azalan konformasyonel entropisinden kaynaklanmakta olup, modül çapraz bağ yoğunluğu ile orantılıdır ve mutlak sıcaklıkla artmaktadır.
Mekanizmalar
Camsı geçiş sıcaklığının altında bir polimer, kırılgan bir şekilde bozulabilen sert bir camdır; bu sıcaklığın üzerinde ise amorf zincirler hareketlidir ve malzeme kauçuğumsu bir yapıdadır veya çapraz bağlı değilse ve erime noktasının üzerindeyse akışkanlık gösterir. Dolaşıklıklar (entanglements) eriyiklere ve katılara geçici bir elastik ağ sağlarken, kalıcı çapraz bağlar entropi tarafından yönetilen gerçek kauçuk elastikiyeti sağlamaktadır. Yük altında polimerler, kayma bantlaşması (shear banding) veya çatlama (crazing) yoluyla akma gösterebilir, zincirleri hizalamak ve çekme yönünde güçlenmek için çekilebilir ve nihayetinde kırılabilir; molar kütle, kristalinite, çapraz bağlanma ve hız tarafından belirlenen bu süreçler arasındaki denge, bir malzemenin kırılgan mı yoksa tok mu olduğunu belirlemektedir.
Klinik önem
Mekanik özellik kontrolü, polimer mühendisliğinin temelini oluşturmaktadır: kauçuk elastikiyeti lastiklerin, contaların ve elastomerlerin üretimini mümkün kılarken; oryantasyon ve kristalinite kaynaklı yüksek modül ve mukavemet liflerin ve filmlerin üretimini sağlamaktadır; kauçuk fazlar veya kontrollü çatlama (crazing) yoluyla tokluk artışı ise darbelere dayanıklı plastikleri mümkün kılmaktadır. Viskoelastik analiz, sünme, yorulma ve sıcaklık ile hıza bağlı arızalara karşı tasarımı yönlendirmektedir.
Tarihçe
Modülü ağ zincirlerine ve entropiye bağlayan kauçuk elastikiyetinin kinetik teorisi, 1940'larda geliştirilmiş ve Treloar ile Flory tarafından kodifiye edilmiştir; zaman-sıcaklık süperpozisyonunu içeren polimer viskoelastisitesinin sistematik işlenişi ise 1950'ler ve 1960'larda Ferry ve diğerleri tarafından ortaya konulmuştur.
Öne çıkan isimler
- Paul Flory
- John Ferry
- Leslie Treloar
İlgili konular
Temel eserler
- sperling2006
- flory1953
Sıkça sorulan sorular
- Aynı polimer hızlıca vurulduğunda neden sert hissedilirken, sürekli yük altında yavaşça akış gösterir?
- Polimerler viskoelastiktir: kısa sürelerde veya yüksek hızlarda zincirler yeniden düzenlenemez ve elastik olarak tepki verirken, uzun sürelerde gevşer ve akış gösterir. Bu zaman bağımlılığı, sünme, gerilme gevşemesi ve hıza duyarlı tokluğun temelini oluşturmaktadır.
- Bir lastik bant ısıtıldığında neden daha sert hale gelir?
- Kauçuk elastikiyeti entropiktir. Germe, ağ zincirlerinin konformasyonel entropisini düşürmekte olup, geri çağırıcı kuvvet mutlak sıcaklıkla orantılıdır; bu nedenle ısıtma, kauçuğu yumuşatmak yerine geri çekme kuvvetini artırmaktadır.