M4 Entropische Elastizität (Gummi-Elastizität)

Thema

Durch Dehnen dieses Elastomers, eines vernetzten Netzwerks aus Molekülketten dieses Polymers, wird jede einzelne Molekülkette innerhalb desselben Netzwerks über die spontan im Ruhezustand angenommene, geknäuelte und ungeordnete Konfiguration hinaus gedehnt. Dies führt zu einer Verringerung der Konformationsentropie jeder Molekülkette: Je weniger verschiedene geknäuelte Konfigurationen eine Molekülkette dieses Netzwerks einnehmen kann, desto stärker ist sie relativ zu ihrer Ruhekonfiguration gedehnt und desto geringer ist folglich ihre Konformationsentropie. Eine weitere Dehnung des Elastomers bewirkt eine noch stärkere Abnahme der Konformationsentropie seiner Molekülketten.

Es ist genau dieser Verlust an Konformationsentropie – und nicht etwa chemische Bindungsenergie zwischen den Atomen dieser Molekülketten, wie sie in einem kristallinen Festkörper auftreten würde –, der die Elastizität dieses Elastomers bedingt: Sobald das Elastomer nicht mehr gedehnt wird, nimmt jede Molekülkette dieses vernetzten Netzwerks spontan ihre geknäuelte Konfiguration wieder an und gewinnt dadurch die verlorene Konformationsentropie zurück. Es ist diese spontane Tendenz zur Wiederherstellung der Konformationsentropie, die die elastische Rückstellkraft dieses Elastomers erzeugt. Je größer der Verlust an Konformationsentropie bei stärkerer Dehnung des Elastomers ist, desto größer ist folglich auch die elastische Rückstellkraft.

Dieses Modell, das die Dehnung des vernetzten Netzwerks und die damit einhergehende entropische Elastizität berücksichtigt, besagt daher, dass die Vernetzungsdichte dieses Netzwerks – also die Anzahl der chemischen Vernetzungspunkte pro Volumeneinheit – den Netzwerkmodul des Elastomers bestimmt. Dieser Modul wird bereits durch ein anderes Modell dieser Art mittels der Neo-Hookeschen Spannungs-Dehnungs-Beziehung beschrieben: Je mehr Vernetzungspunkte die Molekülketten innerhalb dieses Netzwerks verbinden, desto kürzer ist im Durchschnitt das freie Molekülkettensegment zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vernetzungspunkten und desto weniger Konformationsentropie kann dieses Segment vor vollständiger Dehnung verlieren, was folglich den Netzwerkmodul erhöht. Die Tatsache, dass diese entropische Elastizität, für die es kein Analogon in einem kristallinen Festkörper wie einem Metall oder einem keramischen Werkstoff gibt, genau das ist, was dieses Elastomer auszeichnet, bedeutet, dass ebendiese entropische Elastizität letztendlich die Bedingung ist, die dieses Elastomer als solches definiert, im Gegensatz zu jedem anderen Zustand dieses Polymers.

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