Dung dịch Polymer và Lưu biến học
Dung dịch polymer và lưu biến học mô tả cách các chuỗi polymer hoạt động khi hòa tan hoặc nóng chảy: cấu hình và kích thước của chúng, nhiệt động lực học của sự pha trộn, và hành vi dòng chảy chi phối mọi hoạt động xử lý.
Definition
Dung dịch polymer và lưu biến học là nghiên cứu về hành vi nhiệt động lực học và cấu hình của các chuỗi polymer hòa tan, cũng như sự biến dạng và dòng chảy (lưu biến học) của dung dịch và chất nóng chảy polymer, liên hệ những điều này với khối lượng mol, nồng độ và nhiệt độ.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm hóa lý của dung dịch polymer và dòng chảy của chất lỏng polymer: nhiệt động lực học dung dịch thông qua lý thuyết Flory-Huggins, cấu hình cuộn ngẫu nhiên và sự thay đổi kích thước chuỗi, đo độ nhớt dung dịch loãng và độ nhớt nội tại, và lưu biến học nóng chảy bao gồm sự vướng víu, làm loãng do cắt, dòng chảy đàn hồi nhớt, và sự chuyển động kiểu bò (reptation). Nó kết nối cấu trúc phân tử với độ nhớt và độ đàn hồi kiểm soát quá trình xử lý.
Sub-topics
Core questions
- Điều gì chi phối việc polymer có hòa tan hay không, và một dung môi nhất định tốt đến mức nào?
- Kích thước của một cuộn polymer lớn đến mức nào và kích thước của nó thay đổi như thế nào theo khối lượng mol?
- Độ nhớt nội tại báo cáo khối lượng mol và kích thước chuỗi như thế nào?
- Tại sao chất nóng chảy polymer lại làm loãng do cắt và thể hiện dòng chảy đàn hồi, và khối lượng mol thiết lập độ nhớt như thế nào?
Key theories
- Lý thuyết dung dịch Flory-Huggins
- Một mô hình mạng lưới của sự pha trộn polymer-dung môi kết hợp entropy pha trộn nhỏ của các chuỗi dài với một tham số tương tác để dự đoán độ hòa tan, hành vi pha và sự tồn tại của các điều kiện theta nơi các chuỗi hoạt động lý tưởng.
- Sự chuyển động kiểu bò (Reptation) và sự vướng víu
- Trên một khối lượng mol tới hạn, các chuỗi bị vướng víu và một chuỗi di chuyển theo kiểu bò như rắn dọc theo một ống được hình thành bởi các chuỗi lân cận của nó, dự đoán rằng độ nhớt nóng chảy tăng mạnh theo khối lượng mol và giải thích tính đàn hồi nhớt của chất lỏng polymer.
Mechanisms
Một chuỗi hòa tan có cấu hình cuộn ngẫu nhiên dao động mà kích thước của nó phụ thuộc vào chất lượng dung môi: giãn nở trong dung môi tốt, lý tưởng ở điều kiện theta, và co lại trong dung môi kém, với lý thuyết Flory-Huggins mô tả nhiệt động lực học pha trộn cơ bản. Độ nhớt nội tại thăm dò thể tích thủy động lực học của cuộn và, thông qua mối quan hệ Mark-Houwink, khối lượng mol. Trong chất nóng chảy, các chuỗi ngắn chảy như một chất lỏng nhớt, nhưng trên khối lượng mol vướng víu, các chuỗi xen kẽ, và ứng suất được giải tỏa bằng cách chuyển động kiểu bò (reptation), tạo ra sự phụ thuộc mạnh mẽ của độ nhớt vào khối lượng mol, làm loãng do cắt, và các hiệu ứng đàn hồi rõ rệt trong quá trình chảy.
Clinical relevance
Những nguyên tắc này chi phối cả việc tạo công thức và xử lý: nhiệt động lực học dung dịch hướng dẫn lựa chọn dung môi cho lớp phủ, đúc và tái chế; độ nhớt nội tại là một phép đo nhanh tiêu chuẩn về khối lượng mol; và lưu biến học nóng chảy xác định hành vi đùn, ép phun và kéo sợi, bao gồm cả khoảng khối lượng mol cân bằng giữa độ bền và dòng chảy.
History
Flory và Huggins đã độc lập phát triển lý thuyết mạng lưới của dung dịch polymer vào khoảng năm 1941-1942, thiết lập nhiệt động lực học dung dịch và khái niệm theta. Mô hình chuyển động kiểu bò (reptation) được de Gennes đề xuất vào năm 1971 và được Doi và Edwards phát triển thành một lý thuyết hoàn chỉnh đã giải thích động lực học của các chất nóng chảy vướng víu, hoàn thiện bức tranh phân tử về dòng chảy polymer.
Key figures
- Paul Flory
- Maurice Huggins
- Pierre-Gilles de Gennes
- Masao Doi
- Samuel Edwards
Related topics
Seminal works
- rubinstein2003
- flory1953
Frequently asked questions
- Dung môi theta là gì?
- Dung môi theta ở nhiệt độ theta là một điều kiện mà tương tác polymer-dung môi và polymer-polymer cân bằng, do đó chuỗi không giãn nở cũng không co lại và hoạt động như một cuộn ngẫu nhiên lý tưởng. Đây là một trạng thái tham chiếu quan trọng để đo kích thước chuỗi thực.
- Tại sao độ nhớt nóng chảy tăng mạnh như vậy theo khối lượng mol?
- Dưới một khối lượng mol tới hạn, độ nhớt tăng vừa phải theo chiều dài chuỗi, nhưng trên mức đó các chuỗi bị vướng víu và phải di chuyển bằng cách chuyển động kiểu bò (reptation). Điều này làm cho độ nhớt tăng theo khối lượng mol với lũy thừa khoảng 3.4, do đó những tăng nhỏ về khối lượng mol làm tăng đáng kể độ nhớt.