Polimerlerin Fiziksel Özellikleri
Polimerlerin fiziksel özellikleri, moleküler yapılarını — zincir uzunluğu, esneklik ve paketlenme — kırılgan bir camı, dayanıklı bir plastiği veya yumuşak bir elastomeri ayıran termal, mekanik ve morfolojik davranışlarla ilişkilendirmektedir.
Tanım
Polimerlerin fiziksel özellikleri, bir polimerin zincirlerinin boyutu, esnekliği, düzenliliği ve paketlenmesinden kaynaklanan termal, mekanik ve morfolojik özelliklerdir; bu özellikler herhangi bir bireysel reaksiyonun kimyasından ziyade zincir yapısından ileri gelmektedir.
Kapsam
Bu alan, katı ve erimiş polimerlerin yapı-özellik ilişkilerini kapsamaktadır: molar kütlenin ve dağılımının tanımları ve ölçümü, camsı geçiş ve diğer termal geçişler, kristalinite ile lamel ve sferülitlerin yarı kristal morfolojisi, ayrıca viskoelastik ve nihai mekanik özellikler. Zincir kimyasını yığın performansı ile malzemelerin işlendiği ve kullanıldığı sıcaklık aralıklarına bağlamaktadır.
Alt konular
Temel sorular
- Molar kütle ve dağılımı, mukavemeti, tokluğu ve eriyik işlenebilirliğini nasıl kontrol etmektedir?
- Camsı geçiş sıcaklığını hangi moleküler faktörler belirlemektedir?
- Bazı polimerler neden ve nasıl kristalleşirken, diğerleri amorf kalmaktadır?
- Viskoelastisite, zamana ve sıcaklığa bağlı mekanik tepkiyi nasıl yönetmektedir?
Temel kuramlar
- Zaman-sıcaklık süperpozisyonu (WLF)
- Camsı geçişe yakın ve üzerinde, farklı sıcaklıklardaki viskoelastik tepki, Williams-Landel-Ferry denklemi ile tanımlanan yatay kaydırmalarla üst üste getirilebilmektedir; böylece düşük sıcaklıktaki kısa süreli davranış, yüksek sıcaklıktaki uzun süreli davranışı yansıtmaktadır.
- Camsı geçişin serbest hacim kuramı
- Camsı geçiş, serbest hacmin büyük ölçekli segmentel hareket için yetersiz hale geldiği sıcaklıkla ilişkilendirilmektedir; bu durum, plastikleştiricilerin, molar kütlenin ve soğutma hızının geçişi nasıl kaydırdığını açıklamaktadır.
Mekanizmalar
Bir polimerin davranışı, zincir bağlantısı, segmentel hareketlilik ve paketlenmenin etkileşimini yansıtmaktadır. Uzun zincirler, kritik bir molar kütlenin üzerinde eriyik esnekliği ve katı tokluk sağlayarak birbirine dolanmaktadır. Camsı geçişin altında, segmentel hareket donmuş haldedir ve malzeme sert bir camdır; üzerinde ise segmentler hareket eder ve amorf bölgeler kauçuksu hale gelmektedir. Düzenli zincirler, sferülitler halinde organize olmuş kristal lamellere katlanabilirken, düzensiz veya hacimli zincirler amorf kalmaktadır. Ortaya çıkan iki fazlı veya tek fazlı morfoloji, viskoelastik gevşemelerle birlikte, sertliği, mukavemeti ve tokluğu belirlemektedir.
Klinik önem
Bu yapı-özellik ilişkileri, malzeme seçimi ve işlenmesini yönetmektedir: camsı geçiş ve erime noktası, kullanım sıcaklığı aralığını ve işleme koşullarını belirlerken, molar kütle mukavemeti akışkanlığa karşı dengelemekte, kristalinite ise sertlik ve bariyer özelliklerini şeffaflık ve toklukla takas etmektedir. Aynı monomerin mikro yapıya bağlı olarak neden bir ambalaj filmi, bir elyaf veya bir mühendislik parçası üretebileceğini açıklamaktadırlar.
Tarihçe
Fiziksel polimer bilimi, Staudinger ve Flory tarafından ortaya konan polimerlerin zincir yapısının yığın davranışıyla ilişkilendirilmesiyle yüzyılın ortalarından sonra olgunlaşmıştır: viskoelastik kayma için WLF denklemi 1955'te yayımlanmış, zincir katlanmış kristal lameller Keller tarafından 1957'de tanımlanmış ve viskoelastisite Ferry tarafından sistematize edilerek modern yapı-özellik çerçevesi oluşturulmuştur.
Öne çıkan isimler
- Paul Flory
- John Ferry
- Malcolm Williams
- Robert Landel
- Andrew Keller
İlgili konular
Temel eserler
- sperling2006
- hiemenz2007
Sıkça sorulan sorular
- Molar kütle, mekanik özellikler için neden bu kadar önemlidir?
- Kritik bir molar kütlenin üzerinde, zincirler birbirine dolanarak moleküller arasında gerilimi iletmekte ve tokluk ile eriyik mukavemeti sağlamaktadır. Bu değerin altında ise malzemeler kırılgan ve zayıf olmaktadır; bu nedenle molar kütle, mukavemeti işleme kolaylığına karşı dengelemek üzere ayarlanmaktadır.
- Camsı geçiş ile erime arasındaki fark nedir?
- Camsı geçiş, segmentel hareketin başlamasıyla amorf bölgelerin kademeli olarak yumuşamasıdır ve gizli ısı içermemektedir. Erime ise, kristal düzenin daha keskin bir sıcaklıkta birinci dereceden ortadan kalkmasıdır. Yarı kristal bir polimer her ikisine de sahiptir.