A5 Körperliches Altern (Physical Aging)

Thema

Dieses Polymer, das unterhalb seiner Glasübergangstemperatur gehalten wird, verbleibt in einer Nichtgleichgewichtsstruktur. Seine hypothetische Temperatur – die Temperatur, bei der diese Struktur im Gleichgewicht vorliegen würde – ist höher als die tatsächliche Temperatur des Polymers. Diese Differenz zwischen hypothetischer und tatsächlicher Temperatur bewirkt gemäß dem Tool-Narayanaswamy-Mechanismus (detaillierter beschrieben in einem anderen Modell dieser Reihe) eine langsame Strukturrelaxation des Polymers hin zum Gleichgewicht. Diese Strukturrelaxation erfolgt ohne chemische Veränderung der Polymerketten. Wird das Polymer über einen längeren Zeitraum unterhalb seiner Glasübergangstemperatur gehalten, nähert sich diese hypothetische Temperatur zunehmend der tatsächlichen Gleichgewichtstemperatur an.

Mit fortschreitender Strukturrelaxation während der Lagerung des Polymers kommt es zu einer progressiven Verdichtung, einer immer kompakteren Packung seiner Molekülketten: Je näher sich diese hypothetische Temperatur durch diese Strukturrelaxation der tatsächlichen Gleichgewichtstemperatur annähert, desto geringer wird das freie Volumen zwischen den Ketten und desto stärker wird folglich die Verdichtung. Längere Lagerzeiten führen ebenfalls zu einer stärkeren Verdichtung dieses Polymers.

Dieses Modell, das mit der strukturellen Relaxation und Verdichtung beginnt, führt daher dazu, dass die Verdichtung den Modul des Polymers erhöht und es spröder macht. Dies liegt daran, dass die durch die Verdichtung bedingte kompaktere Packung der Molekülketten deren Beweglichkeit unter Belastung einschränkt. Diese physikalische Alterung steht somit im Gegensatz zur Degradation, die von einem anderen Modell dieser Gruppe beschrieben wird. Bei diesem Modell reduziert die zufällige Kettenspaltung das Molekulargewicht des Polymers durch chemischen Kettenbruch. Bei dieser physikalischen Alterung brechen jedoch keine Ketten. Es ist allein die langsame strukturelle Relaxation hin zum Gleichgewicht, die ohne chemische Veränderung diese Verdichtung, den Anstieg des Moduls und die Versprödung bewirkt. Da diese strukturelle Relaxation ohne chemische Veränderung der Polymerketten erfolgt, ist diese physikalische Alterung – im Gegensatz zur chemischen Degradation – prinzipiell reversibel, wenn das Polymer über seine Glasübergangstemperatur erhitzt wird.

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