Tính chất vật lý của polyme
Các tính chất vật lý của polyme liên kết cấu trúc phân tử—chiều dài chuỗi, độ linh hoạt và sự sắp xếp—với hành vi nhiệt, cơ học và hình thái học, những yếu tố phân biệt một loại thủy tinh giòn với một loại nhựa dẻo dai hoặc một chất đàn hồi mềm.
Definition
Tính chất vật lý của polyme là các đặc tính nhiệt, cơ học và hình thái học của polyme phát sinh từ kích thước, độ linh hoạt, tính đều đặn và sự sắp xếp của các chuỗi của nó, hơn là từ hóa học của bất kỳ phản ứng riêng lẻ nào.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các mối quan hệ cấu trúc-tính chất của polyme rắn và nóng chảy: định nghĩa và đo lường khối lượng mol và sự phân bố của nó, chuyển đổi thủy tinh và các chuyển đổi nhiệt khác, độ kết tinh và hình thái bán tinh thể của lamellae và spherulite, cũng như các tính chất cơ học nhớt đàn hồi và cuối cùng. Nó liên kết hóa học chuỗi với hiệu suất tổng thể và với các khoảng nhiệt độ mà vật liệu được xử lý và sử dụng.
Sub-topics
Core questions
- Khối lượng mol và sự phân bố của nó kiểm soát độ bền, độ dẻo dai và khả năng xử lý nóng chảy như thế nào?
- Những yếu tố phân tử nào thiết lập nhiệt độ chuyển thủy tinh?
- Tại sao và bằng cách nào một số polyme kết tinh trong khi những polyme khác vẫn vô định hình?
- Tính nhớt đàn hồi chi phối phản ứng cơ học phụ thuộc vào thời gian và nhiệt độ như thế nào?
Key theories
- Nguyên lý chồng chất thời gian-nhiệt độ (WLF)
- Gần và trên nhiệt độ chuyển thủy tinh, phản ứng nhớt đàn hồi ở các nhiệt độ khác nhau có thể được chồng chất bằng các dịch chuyển ngang được mô tả bởi phương trình Williams-Landel-Ferry, do đó hành vi ngắn hạn ở nhiệt độ thấp phản ánh hành vi dài hạn ở nhiệt độ cao.
- Lý thuyết thể tích tự do của chuyển đổi thủy tinh
- Chuyển đổi thủy tinh liên quan đến nhiệt độ mà tại đó thể tích tự do trở nên không đủ cho chuyển động phân đoạn quy mô lớn, hợp lý hóa cách các chất hóa dẻo, khối lượng mol và tốc độ làm mát làm dịch chuyển chuyển đổi.
Mechanisms
Hành vi của polyme phản ánh sự tương tác của tính liên kết chuỗi, tính di động phân đoạn và sự sắp xếp. Các chuỗi dài vướng víu, tạo ra độ đàn hồi nóng chảy và độ bền rắn trên một khối lượng mol tới hạn. Dưới nhiệt độ chuyển thủy tinh, chuyển động phân đoạn bị đóng băng và vật liệu trở thành thủy tinh cứng; trên nhiệt độ đó, các phân đoạn di chuyển và các vùng vô định hình trở nên đàn hồi như cao su. Các chuỗi đều đặn có thể gấp lại thành các lamellae tinh thể được tổ chức thành các spherulite, trong khi các chuỗi không đều hoặc cồng kềnh vẫn ở dạng vô định hình. Hình thái hai pha hoặc một pha thu được, cùng với các thư giãn nhớt đàn hồi, quyết định độ cứng, độ bền và độ dẻo dai.
Clinical relevance
Các mối quan hệ cấu trúc-tính chất này chi phối việc lựa chọn và xử lý vật liệu: nhiệt độ chuyển thủy tinh và điểm nóng chảy thiết lập khoảng nhiệt độ sử dụng và điều kiện xử lý, khối lượng mol cân bằng độ bền với khả năng chảy, và độ kết tinh đánh đổi độ cứng và tính chất rào cản với độ trong suốt và độ dẻo dai. Chúng giải thích tại sao cùng một monome có thể tạo ra một màng bao bì, một sợi hoặc một bộ phận kỹ thuật tùy thuộc vào cấu trúc vi mô.
History
Khoa học vật lý polyme phát triển mạnh sau giữa thế kỷ khi bản chất chuỗi của polyme, được Staudinger và Flory thiết lập, được liên kết với hành vi tổng thể: phương trình WLF cho sự dịch chuyển nhớt đàn hồi được công bố vào năm 1955, các lamellae tinh thể gấp chuỗi được Keller xác định vào năm 1957, và tính nhớt đàn hồi được Ferry hệ thống hóa, thiết lập khuôn khổ cấu trúc-tính chất hiện đại.
Key figures
- Paul Flory
- John Ferry
- Malcolm Williams
- Robert Landel
- Andrew Keller
Related topics
Seminal works
- sperling2006
- hiemenz2007
Frequently asked questions
- Tại sao khối lượng mol lại quan trọng đối với các tính chất cơ học?
- Trên một khối lượng mol tới hạn, các chuỗi vướng víu, truyền ứng suất giữa các phân tử và cung cấp độ dẻo dai và độ bền nóng chảy. Dưới mức đó, vật liệu giòn và yếu, vì vậy khối lượng mol được điều chỉnh để cân bằng độ bền với sự dễ dàng xử lý.
- Sự khác biệt giữa chuyển đổi thủy tinh và nóng chảy là gì?
- Chuyển đổi thủy tinh là sự mềm dần của các vùng vô định hình khi chuyển động phân đoạn bắt đầu, không có nhiệt ẩn. Nóng chảy là sự biến mất bậc một của trật tự tinh thể ở một nhiệt độ sắc nét hơn. Một polyme bán tinh thể có cả hai.