Стеклообразное состояние полимеров. (Лекция 5)

Содержание

Слайд 2

Модели аморфного состояния а - пачки б - клубки в -

Модели
аморфного
состояния

а - пачки
б - клубки
в - меандры
г - колл. клубки
д -

миц. зерна
е - сл. фибриллы
Слайд 3

Слайд 4

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Переход в стеклообразное состояние не есть фазовый переход: а) обе формы

Переход в стеклообразное состояние не есть фазовый переход:
а) обе формы -

жидкие фазы.
Т.о., стеклование есть лишь кинетический переход (но не термодинамический). Однако по в) и г) существует мнение, что  стеклование - фазовый переход второго рода (это неправильно, однако широко распространенная ошибка).
Раз так, то для такой системы должны быть ярко выражены кинетический и гистерезисные эффекты: в зависимости от условий перехода будем иметь разные полимеры. То есть свойства образца должны зависеть от скорости перехода через область стеклования. Это действительно так
Слайд 8

Слайд 9

Слайд 10

Стеклование – фазовый переход? Удовлетворяет критерию Эренфеста: скачок теплоемкости, следовательно, фазовый

Стеклование – фазовый переход?

Удовлетворяет критерию Эренфеста: скачок теплоемкости, следовательно, фазовый переход

второго рода:
Макрогалерея (университет Южного Миссисипи), русский перевод ИНЭОС + Физический факультет http://pslc.ws/russian/index.htm
Но: для аморфной фазы и стеклование, и переход в вязкотекучее состояние – это релаксационные переходы!
Слайд 11

Делались неоднократные попытки создать физически простую модель процесса стеклования, которая бы

Делались неоднократные попытки создать физически простую модель процесса стеклования, которая бы

позволила количественно описать это явление. Существуют несколько теорий стеклования: кинетическая, теория локальных межмолекулярных связей, статистическая термодинамическая теория Адама и Гиббса, теория свободного объёма. Одновременное существование различных теорий стеклования указывает на то, что ни одна из них не даёт всестороннего и исчерпывающего описания закономерностей изменения структуры и свойств при стекловании. Каждая теория вносит свой вклад в понимание процесса стеклования в целом и поэтому имеет право на самостоятельное существование. Рассмотрим теорию свободного объёма.
Понятие о свободном объеме:
Это разность между реальным объемом при данной То  и занятым объемом (при плотно упакованном слое - без дефектов, с шахматным использованием пустот).
Слайд 12

Свободный объем

Свободный объем

Слайд 13

Свободный объем в жидкостях

Свободный объем в жидкостях

Слайд 14

Свободный объем в жидкостях

Свободный объем в жидкостях

Слайд 15

Свободный объем в жидкостях vh

Свободный объем в жидкостях

vh

Слайд 16

Свободный объем в жидкостях

Свободный объем в жидкостях

Слайд 17

Свободный объем в жидкостях Флуктуационный свободный объем определяется как суммарный объем

Свободный объем в жидкостях

Флуктуационный свободный объем определяется как
суммарный объем дырок
vf=vh·exp{(Eh+p·vh)/RT}
vh

- минимальный объем дырки
Eh - энергия образования дырки
Френкель Я.И., Кинетическая теория жидкостей, 1959
Слайд 18

Подвижность молекул жидкости Движение частицы осуществляется, когда по соседству с ней

Подвижность молекул жидкости

Движение частицы осуществляется, когда по соседству с ней появляется

«дырка», размером не меньше диффундирующей молекулы:
η=a·exp(γ·vh/vf)
Коэн – Тарнбалл – Дулитл, 1959
С учетом энергетического барьера скачка молекулы:
lnη=А+E0/RT+γ·vh/vf
Слайд 19

Свободный объем в аморфных полимерах

Свободный объем в аморфных полимерах

Слайд 20

Дилато-метричес-кий метод А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Дилато-метричес-кий метод

А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Слайд 21

T>Tg

T>Tg

Слайд 22

T>Tg Vf

T>Tg

Vf

Слайд 23

T>Tg Vf

T>Tg

Vf

Слайд 24

T Vf

T

Vf

Слайд 25

Термодинамическое определение свободного объема полимера

Термодинамическое определение свободного объема полимера

Слайд 26

Геометрическое определение свободного объема Vf=Vsp-Voc (Vsp=1/ρ); f=Vf/Vsp (f=FFV=1-Voc/Vsp) Пустой объем Vempty=Vsp-Vw; K=Vw/Vsp; fempty=1-K

Геометрическое определение свободного объема

Vf=Vsp-Voc (Vsp=1/ρ);
f=Vf/Vsp (f=FFV=1-Voc/Vsp)
Пустой объем
Vempty=Vsp-Vw;
K=Vw/Vsp;
fempty=1-K

Слайд 27

Коэффициенты упаковки в конденсированных средах

Коэффициенты упаковки в конденсированных средах

Слайд 28

Свободный объем Vw Vf Vw Vsp Пустой объем Vempty=Vsp-Vw Свободный объем Vf=Vsp-Voc Voc=Vw+Vdead Vdead

Свободный объем

Vw

Vf

Vw

Vsp

Пустой объем
Vempty=Vsp-Vw

Свободный объем
Vf=Vsp-Voc

Voc=Vw+Vdead

Vdead

Слайд 29

Геометрическое определение свободного объема Vf=Vsp-Voc; f=Vf/Vsp Свободный объем (при диффузии) Voc=Vw+Vdead;

Геометрическое определение свободного объема

Vf=Vsp-Voc; f=Vf/Vsp
Свободный объем (при диффузии)
Voc=Vw+Vdead;
Vdead=Vempty (плотноупакованной

части матрицы);
Voc=Vw/K;
Vf=Vsp-VW/K; f=1-Vw/(Vsp·K)
Vf=Vsp-1,3·VW (Бонди)
Слайд 30

Теория свободного объема M.Cohen, T.Turnbull, 1959 D=A·exp(-B·vh/vf) А, B, T=const vf

Теория
свободного объема

M.Cohen, T.Turnbull, 1959
D=A·exp(-B·vh/vf)

А, B, T=const

vf – свободный

объем

vh – минимальный объем «дырки»,
достаточный для перемещения
диффундирующей молекулы

Слайд 31

Теория свободного объема M.Cohen, T.Turnbull, 1959 D=A·exp(-B/vf) А, B, T=const vf=vsp-voc

Теория
свободного объема

M.Cohen, T.Turnbull, 1959
D=A·exp(-B/vf)

А, B, T=const

vf=vsp-voc

vf – свободный

объем

=1/ρ

Занятый объем

Расчетная величина

Слайд 32

Термодинамическое определение свободного объема полимера Стеклообразное Высокоэластическое T Tg 0 vsp

Термодинамическое определение свободного объема полимера

Стеклообразное

Высокоэластическое

T

Tg

0

vsp

vg

v0

кристалл

полимер

vf=vg+vgα(T-Tg)

fg=0,025 - 0,13

Симха

– Бойер

Уравнение Вильямса – Лэндела – Ферри (ВЛФ)

Слайд 33

Тепловое расширение выше Тс определяется изменением свободного объема: он более чувствителен

Тепловое расширение выше Тс определяется изменением свободного объема: он более чувствителен

к Тс, и чем выше Т, тем больше Vf  (до температуры стеклования). В области Т<Тс свободный объем принимает постоянное значение и дальше не меняется. Это позволяет объяснить состояние стеклования изменением свободного объема.
α = (5·10-4 ÷1·10-3) – коэффициент объемного расширения для свободного объема выше Тс очень большой.
При Тс  стеклообразных состояниях в первом приближении замораживается один и тот же объем:

где fc  - объемная доля свободного пространства.
Таким образом, при охлаждении жидкой системы, когда fc =2.5%, система переходит в стеклообразное состояние (при fc >2.5% возможно перемещение сегмента под действием теплового движения).

Слайд 34

Эмпирическое соотношение Дулиттла: , где -- вязкость, А и В—константы тогда:

Эмпирическое соотношение Дулиттла:

, где

-- вязкость, А и В—константы


тогда:

но

происходит изменение доли свободного пространства зависимости от температуры:


,
fc – доля свободного объема при температуре стеклования
Тогда соответственно:

Для температуры стеклования (ниже ее не работает):

отсюда

Из этого эксперимента можно получить:
αf = 4.8·10-4  [К -1], -  коэффициент сдвига или перемещения по шкале температур
В первом приближении эти константы характерны для всех стеклообразных систем. При Тс вязкость для этих систем считается 1013 Пз (как только достигает такого значения, то значит тело перешло в стеклообразное состояние
Получаем уравнение, названное уравнением Вильямса-Лендела-Ферри:

Формула применима при температуре: Тc < T < Tc + 100˚С

Слайд 35

Уравнение Вильямса – Лэндела – Ферри (ВЛФ)

Уравнение Вильямса – Лэндела – Ферри (ВЛФ)

Слайд 36

Связь вязкости и скорости сдвига Ньютоновская жидкость Неньютоновская жидкость

Связь вязкости и скорости сдвига

Ньютоновская жидкость

Неньютоновская жидкость

Слайд 37

Наибольшая ньютоновская вязкость Вязкость, при которой жидкость ЕЩЕ ведет себя как

Наибольшая ньютоновская вязкость

Вязкость, при которой жидкость ЕЩЕ ведет себя как ньютоновская

Уравнение

Дулитла

Уравнение Коэна - Тарнбалла

Слайд 38

Зависимость наибольшей ньютоновской вязкости от молекулярной массы А.А. Тагер. Физико-химия полимеров Критическая молекулярная масса

Зависимость наибольшей ньютоновской вязкости от молекулярной массы

А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Критическая молекулярная

масса
Слайд 39

Следствия уравнения Вильямса – Лэндела – Ферри (ВЛФ)

Следствия уравнения Вильямса – Лэндела – Ферри (ВЛФ)

Слайд 40

Для газов: D=AD·exp(-BD/vf) P=D·S D – меняется на порядки S –

Для газов:

D=AD·exp(-BD/vf)
P=D·S
D – меняется на порядки
S – мало зависит от свойств

полимера
P=AP·exp(-BP/vf)
Слайд 41

Слайд 42

Методы оценки свободного объема. Vf=Vsp-k·Vw Метод Бонди k=1,3 Vw расчет МГВ

Методы оценки свободного объема.

Vf=Vsp-k·Vw

Метод Бонди
k=1,3
Vw расчет МГВ

Vf=Vsp-Voc

Vf=Nhole·Vhole

Voc
по отношению к газу.
Расчетные

методы:
аддитивные, МД, МК

Зондовые методы

Слайд 43

Корреляции со свободным объемом по Бонди P=A·exp(-B/Vf) Vf=Vsp-1,3·Vw Полиарилаты Pixton, Paul,

Корреляции со свободным объемом по Бонди

P=A·exp(-B/Vf)

Vf=Vsp-1,3·Vw

Полиарилаты

Pixton, Paul,
in: “Polymeric Gas
Separation

Membranes”
Paul, Yampolskii Eds,
CRC Press, 1994.

FFV=Vf/Vsp

Слайд 44

Корреляции со свободным объемом по Бонди D=A·exp(-B/Vf) Vf=Vsp-1,3·Vw Полиимиды Hirayama, et. al., J. Membr. Sci., 1996

Корреляции со свободным объемом по Бонди

D=A·exp(-B/Vf)

Vf=Vsp-1,3·Vw

Полиимиды

Hirayama, et. al.,
J. Membr.

Sci., 1996
Слайд 45

Связь газопроницаемости и диэлектрических свойств

Связь газопроницаемости и диэлектрических свойств

Слайд 46

Связь коэффициентов диффузии CO2 и механических свойств полиимидов

Связь коэффициентов диффузии CO2 и механических свойств полиимидов

Слайд 47

Методы оценки свободного объема. Vf=Vsp-k·Vw Метод Бонди k=1,3 Vw расчет МГВ

Методы оценки свободного объема.

Vf=Vsp-k·Vw

Метод Бонди
k=1,3
Vw расчет МГВ

Vf=Vsp-Voc

Vf=Nhole·Vhole

Voc
по отношению к газу.
Расчетные

методы:
аддитивные, МД, МК

Зондовые методы

Слайд 48

Свободный объем D.N. Theodorou, in: “Diffusion in Polymers”, 1996 Занятый объем

Свободный объем D.N. Theodorou, in: “Diffusion in Polymers”, 1996

Занятый объем

Доступный

объем

Недоступный объем

Свободный объем

Слайд 49

Методы оценки свободного объема. Vf=Vsp-k·Vw Метод Бонди k=1,3 Vw расчет МГВ

Методы оценки свободного объема.

Vf=Vsp-k·Vw

Метод Бонди
k=1,3
Vw расчет МГВ

Vf=Vsp-Voc

Vf=Nhole·Vhole

Voc
по отношению к газу.
Расчетные

методы:
аддитивные, МД, МК

Зондовые методы

Слайд 50

Зондовые методы 1. Методы с переменным размером зонда: Сорбция газов и

Зондовые методы

1. Методы с переменным размером зонда:
Сорбция газов и паров (CH’)
Обращенная

газовая хроматография
Спиновые зонды
Фотохромные зонды
Электрохромные зонды
Конформационные зонды (ИК)
Проницаемость и диффузия газов
2. Методы с постоянным размером зонда
Аннигиляция позитронов
129Xe-ЯМР
Слайд 51

Метод аннигиляции позитронов Спектр времен жизни e+ Размеры o-Ps 1.06 Ǻ

Метод аннигиляции позитронов

Спектр времен жизни e+

Размеры o-Ps 1.06 Ǻ
Время жизни o-Ps

в вакууме 140 нс

τi = f(Ri)
vfi=4/3(πRi3)
FFVi=Nivfi

Слайд 52

Средние размеры «дырок» в полимерах

Средние размеры «дырок» в полимерах

Слайд 53

Концентрация «дырок» в полимерах N ·1020 см-3

Концентрация «дырок» в полимерах N ·1020 см-3

Слайд 54

Подвижность «дырок» Изменение характеристик пленки с изменением ее толщины Следствие релаксационных

Подвижность «дырок»

Изменение характеристик пленки с изменением ее толщины

Следствие релаксационных процессов в

полимерах (процессов старения)

Масштабный эффект

Слайд 55

Слайд 56

Связь Тст с жесткостью цепи 1,4-цис-полиизопрен 1,4-транс-полиизопрен 3,4-полиизопрен

Связь Тст с жесткостью цепи

1,4-цис-полиизопрен

1,4-транс-полиизопрен

3,4-полиизопрен

Слайд 57

Связь Тст с жесткостью цепи Взаимосвязь величин Tg − C∞ для полиимидов

Связь Тст с жесткостью цепи

Взаимосвязь величин Tg − C∞ для полиимидов


Слайд 58

Связь Тст с молекулярной массой

Связь Тст с молекулярной массой

Слайд 59

Пластификация Термодинамическая совместимость с полимером (истинный раствор) Следовательно, «разбавление» раствора, увеличение

Пластификация

Термодинамическая совместимость с полимером (истинный раствор)
Следовательно, «разбавление» раствора, увеличение подвижности цепей

и снижение Тс
Отсутствие «сильных» взаимодействий с функциональными группами полимера
Следовательно, ВСЕГДА снижение Тс и увеличение пластичности материала
Для пластификаторов пластмасс важно: нелетучесть (в условиях эксплуатации), отсутствие «выпотевания», нетоксичность, химическая стойкость, температура разложения ниже температуры переработки полимера
Слайд 60

Слайд 61

Изменения свойств полимера при пластификации ПВХ: дибутилфталат, трифенилфосфат…

Изменения свойств полимера при пластификации

ПВХ: дибутилфталат, трифенилфосфат…

Слайд 62

Фазовая диаграмма полимер (П) – пластификатор (Пл) В области полной совместимости

Фазовая диаграмма полимер (П) – пластификатор (Пл)

В области полной совместимости –

пластификатор
В области расслоения – м.б. дисперсная (эмульсионная) фаза Пл – жидкий наполнитель
Слайд 63

Антипластификация Термодинамическая совместимость с полимером (истинный раствор) Следовательно, «разбавление» раствора, увеличение

Антипластификация

Термодинамическая совместимость с полимером (истинный раствор)
Следовательно, «разбавление» раствора, увеличение подвижности цепей

и снижение Тс
Наличие «сильных» взаимодействий с функциональными группами полимера
Следовательно, увеличение Тс и увеличение жесткости материала
Поэтому, антипластификация может приводить как к снижению, так и к увеличению Тс, а, следовательно, к возможности управления свойствами пластмасс.
Вопрос изучен мало
Слайд 64

Термомеханическая кривая аморфного полимера Tg Tm T ε Стеклообразное Высокоэластическое Вязко- текучее Деформация

Термомеханическая кривая аморфного полимера

Tg

Tm

T

ε

Стеклообразное

Высокоэластическое

Вязко-
текучее

Деформация

Слайд 65

Термомеханические свойства

Термомеханические свойства

Слайд 66

Дифференциальная сканирующая калориметрия Exo↓ Тс – стеклование Ткр – кристаллизация Тпл

Дифференциальная сканирующая калориметрия

Exo↓

Тс – стеклование
Ткр – кристаллизация
Тпл - плавление

Температура

базовая линия

Тс

Ткр

Тпл

Слайд 67

Скачок теплоемкости А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Скачок теплоемкости

А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Слайд 68

Типы стеклования Структурное стеклование – при охлаждении ниже Тс. Механическое стеклование

Типы стеклования

Структурное стеклование – при охлаждении ниже Тс.
Механическое стеклование – при

воздействии механического поля высокой частоты выше Тс.
Слайд 69

Релаксационные процессы ниже температуры стеклования полиметилметакрилат

Релаксационные процессы ниже температуры стеклования

полиметилметакрилат

Слайд 70

Итак: «Дырки» в стеклообразном полимере – физические объекты, характерный размер и

Итак:

«Дырки» в стеклообразном полимере – физические объекты, характерный размер и подвижность

которых определяется физическими методами
Средний размер «дырок» в стеклообразном полимере определяет его газопроницаемость
Средняя концентрация «дырок» в стеклообразном полимере – величина постоянная
Слайд 71

Увеличение плотности с уменьшением толщины пленки В.Г.Ростиашвили, В.И.Иржак, Б.А.Розенберг, Стеклование полимеров, Л., Химия, 1987, ПММА

Увеличение плотности с уменьшением толщины пленки

В.Г.Ростиашвили, В.И.Иржак, Б.А.Розенберг,
Стеклование полимеров, Л.,

Химия, 1987,

ПММА

Слайд 72

Снижение коэффициентов диффузии с уменьшением толщины пленки Shishatskii S.M., Yampolskii Yu.P.,

Снижение коэффициентов диффузии с уменьшением толщины пленки

Shishatskii S.M., Yampolskii Yu.P., Peinemann

K.-V. J. Membr. Sci., 1996.
Слайд 73

Снижение проницаемости с уменьшением толщины пленки K. Dorkenoo, P. Pfromm, J.Polym.Sci., B. 37, 2239 (1999)

Снижение проницаемости с уменьшением толщины пленки

K. Dorkenoo, P. Pfromm, J.Polym.Sci., B.

37, 2239 (1999)
Слайд 74

M.McCaig, D.Paul, Polymer, 41(2), 629 (2000) В.Г.Ростиашвили, В.И.Иржак, Б.А.Розенберг, Стеклование полимеров,

M.McCaig, D.Paul, Polymer, 41(2), 629 (2000)

В.Г.Ростиашвили, В.И.Иржак, Б.А.Розенберг,
Стеклование полимеров,

Л., Химия, 1987,

Диффузия «дырок» (элементов свободного объема) к поверхности образца (пленка, мембрана)

Причины масштабного эффекта

По скорости старения и профилю плотности определяется коэффициент диффузии «дырок» в стеклообразных полимерах
D = 10-14 – 10-16 см2/с

Слайд 75

Термомеханическая кривая аморфного полимера Tg Tm T ε Стеклообразное Высокоэластическое Вязко- текучее Деформация

Термомеханическая кривая аморфного полимера

Tg

Tm

T

ε

Стеклообразное

Высокоэластическое

Вязко-
текучее

Деформация

Слайд 76

Свободный объем и реология полимеров

Свободный объем и реология полимеров

Слайд 77

Вязкоупругие системы Течение – это деформация сдвига.

Вязкоупругие системы

Течение – это деформация сдвига.

Слайд 78

А.А. Тагер. Физико-химия полимеров Деформация высоко-эластических полимеров Постоянная скорость сдвига

А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Деформация высоко-эластических полимеров

Постоянная скорость сдвига

Слайд 79

Деформация высокоэластических полимеров А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Деформация высокоэластических полимеров

А.А. Тагер. Физико-химия полимеров

Слайд 80

Ползучесть Элемент Бингама

Ползучесть

Элемент Бингама

Слайд 81

Высокоэластичность вязкотекучего состояния При определенных значениях напряжения сдвига вязкая жидкость проявляет высокоэластические свойства

Высокоэластичность вязкотекучего состояния

При определенных значениях напряжения сдвига вязкая жидкость проявляет высокоэластические

свойства
Слайд 82

Высокоэластичность вязкотекучего состояния Эффект Вейсенберга При больших скоростях деформирования вязкоупругие жидкости

Высокоэластичность вязкотекучего состояния

Эффект Вейсенберга

При больших скоростях деформирования вязкоупругие жидкости способны к

большим обратимым высокоэластическим деформациям
Слайд 83

Циклические нагрузки Вязкий элемент Упругий элемент

Циклические нагрузки

Вязкий элемент

Упругий элемент

Слайд 84

Тангенс угла механических потерь E’ E” Eкомпл упругий вязкий (( tgδ=E”/E’

Тангенс угла механических потерь

E’

E”

Eкомпл

упругий

вязкий

((

tgδ=E”/E’

δ

tgδ = f (T, ω) – дает спектр

времен релаксации при t=τ.
Слайд 85

Итак: Аморфные полимеры – это жидкости с большой вязкостью и большим

Итак:

Аморфные полимеры – это жидкости с большой вязкостью и большим временем

релаксации
Понимание физических свойств полимеров немыслимо без изучения их деформационных и реологических характеристик
Слайд 86

Релаксационные состояния аморфных полимеров Стеклообразное (механически-твердое, но структурно-жидкое) Высокоэластическое (структурно-жидкое с

Релаксационные состояния аморфных полимеров

Стеклообразное (механически-твердое, но структурно-жидкое)
Высокоэластическое (структурно-жидкое с огромными обратимыми

деформациями)
Вязкотекучее (механически и структурно-жидкое с необратимыми деформациями)
Слайд 87

Сегментальная подвижность

Сегментальная подвижность

Слайд 88

Энергия активации сегментальной подвижности

Энергия активации сегментальной подвижности

Слайд 89

Стеклообразное состояние

Стеклообразное состояние

Слайд 90

Стеклообразное состояние

Стеклообразное состояние

Слайд 91

Стеклообразное состояние

Стеклообразное состояние

Слайд 92

Фазовое состояние полимеров Кристаллическое Жидкокристаллическое Аморфное Изотропный расплав (раствор)

Фазовое состояние полимеров

Кристаллическое
Жидкокристаллическое
Аморфное
Изотропный расплав (раствор)

Слайд 93

Жидкие кристаллы нематик смектик холестерик Гребнеобразные полимеры

Жидкие кристаллы

нематик

смектик

холестерик

Гребнеобразные полимеры

Слайд 94

Структура фаз гребнеообразных полимеров Изотропный расплав нематик смектик

Структура фаз гребнеообразных полимеров

Изотропный расплав

нематик

смектик

Слайд 95

Холестерическая спираль

Холестерическая спираль