Tính chất cơ học của polyme

Polyme phản ứng với ứng suất theo cách trung gian giữa chất rắn đàn hồi và chất lỏng nhớt, do đó độ cứng, độ bền và độ dẻo dai của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và tốc độ, và được mô tả bằng tính chất đàn hồi nhớt và tính đàn hồi của cao su.

Definition

Các tính chất cơ học của polyme là độ cứng, độ bền, khả năng biến dạng và khả năng hấp thụ năng lượng dưới tải trọng, phát sinh từ hành vi đàn hồi nhớt kết hợp tính đàn hồi giống chất rắn và dòng chảy giống chất lỏng, và phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ và cấu trúc phân tử.

Scope

Chủ đề này bao gồm hành vi cơ học của polyme: tính đàn hồi nhớt tuyến tính và các mô đun lưu trữ và tổn thất, hiện tượng rão và giãn ứng suất, sự tương đương thời gian-nhiệt độ của phản ứng cơ học, tính đàn hồi của cao su trong các mạng liên kết ngang, chảy dẻo, kéo sợi và đứt gãy, và cách khối lượng phân tử, độ kết tinh, liên kết ngang và nhiệt độ cùng quyết định các tính chất cuối cùng.

Core questions

• Tại sao phản ứng cơ học của polyme phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ?
• Các mô đun lưu trữ và tổn thất mô tả hành vi đàn hồi nhớt như thế nào?
• Nguồn gốc phân tử nào tạo cho cao su tính đàn hồi entropy?
• Khối lượng phân tử, độ kết tinh và liên kết ngang kiểm soát độ bền và độ dẻo dai như thế nào?

Key theories

Tính đàn hồi nhớt tuyến tính

Phản ứng của polyme với ứng suất kết hợp các đóng góp đàn hồi và nhớt, được thể hiện bằng các mô đun lưu trữ và tổn thất phụ thuộc tần số và bằng các hàm rão và giãn ứng suất, và được thống nhất trên các nhiệt độ thông qua sự chồng chất thời gian-nhiệt độ.

Lý thuyết entropy về tính đàn hồi của cao su

Lực phục hồi của một cao su liên kết ngang bị kéo căng là do entropy, phát sinh từ entropy cấu hình giảm của các chuỗi mạng lưới kéo dài, do đó mô đun tỷ lệ thuận với mật độ liên kết ngang và tăng theo nhiệt độ tuyệt đối.

Mechanisms

Dưới nhiệt độ chuyển thủy tinh, polyme là một chất thủy tinh cứng có thể bị hỏng theo kiểu giòn; trên nhiệt độ này, các chuỗi vô định hình có tính di động và vật liệu có tính chất cao su hoặc, nếu không liên kết ngang và trên bất kỳ điểm nóng chảy nào, sẽ chảy. Các vướng víu tạo cho chất nóng chảy và chất rắn một mạng lưới đàn hồi tạm thời, trong khi các liên kết ngang vĩnh viễn tạo ra tính đàn hồi cao su thực sự được điều chỉnh bởi entropy. Dưới tải trọng, polyme có thể chảy dẻo do dải trượt hoặc nứt vi mô, kéo sợi để sắp xếp các chuỗi và tăng cường độ bền theo hướng kéo, và cuối cùng là đứt gãy; sự cân bằng giữa các quá trình này, được thiết lập bởi khối lượng phân tử, độ kết tinh, liên kết ngang và tốc độ, quyết định liệu vật liệu có giòn hay dẻo dai.

Clinical relevance

Kiểm soát tính chất cơ học là cơ sở của kỹ thuật polyme: tính đàn hồi của cao su cho phép tạo ra lốp xe, vòng đệm và chất đàn hồi; mô đun và độ bền cao từ định hướng và độ kết tinh cho phép tạo ra sợi và màng; và làm dẻo dai thông qua các pha cao su hoặc nứt vi mô có kiểm soát cho phép tạo ra nhựa chịu va đập. Phân tích đàn hồi nhớt hướng dẫn thiết kế chống lại hiện tượng rão, mỏi và hỏng hóc phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ.

History

Lý thuyết động học về tính đàn hồi của cao su, liên hệ mô đun với các chuỗi mạng lưới và entropy, được phát triển vào những năm 1940 và được Treloar và Flory hệ thống hóa; phương pháp xử lý có hệ thống tính đàn hồi nhớt của polyme, bao gồm sự chồng chất thời gian-nhiệt độ, được Ferry và những người khác thiết lập vào những năm 1950 và 1960.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

Tại sao cùng một polyme lại có cảm giác cứng khi bị va đập nhanh nhưng lại chảy chậm dưới tải trọng kéo dài?

Polyme có tính đàn hồi nhớt: ở thời gian ngắn hoặc tốc độ cao, các chuỗi không thể sắp xếp lại và phản ứng đàn hồi, trong khi ở thời gian dài, chúng giãn ra và chảy. Sự phụ thuộc vào thời gian này là cơ sở của hiện tượng rão, giãn ứng suất và độ dẻo dai nhạy cảm với tốc độ.

Tại sao một sợi dây cao su lại cứng hơn khi được làm nóng?

Tính đàn hồi của cao su là do entropy. Kéo căng làm giảm entropy cấu hình của các chuỗi mạng lưới, và lực phục hồi tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối, do đó làm nóng làm tăng lực co lại thay vì làm mềm cao su.