Unit 4 phase behavior of polymers

Упражнение 1. Прочитайте текст вслух.

Consider a polymer which is slowly cooling down. At a certain temperature, the average kinetic energy of macromolecules no longer exceeds the binding energy between neighbouring molecules and the growth of organized solid crystal begins. Formation of an ordered system takes a certain amount of time since the molecules must move from their current location to energetically preferred points at crystal nodes.

As temperature falls, molecular motion slows down further and, if the cooling rate is fast enough, molecules never reach their destination — the substance enters dynamic arrest and a disordered, glassy solid (or supercooled liquid) forms. Such arrest apparently takes place at a certain temperature, which is called the glass transition temperature.

Above Tg, the secondary, non-covalent bonds between the polymer chains become weak in comparison to thermal motion, and the polymer becomes rubbery and capable of elastic or plastic deformation without fracture.

Polymer macromolecules start to reform due to thermal motion. Application of a stress favors some conformations over others, so the molecules of the polymer will gradually “flow” into the favored conformations over time. This state of a polymer is called a viscous flow state.

Therefore the phase behavior of polymer materials is more complex in comparison with low molecular weight substances. Although crystalline fragments have a melting point, the amorphous structures have a glass transition temperature separating glass and rubber states.

Упражнение 2. Подберите из текста английские эквиваленты к следующим словосочетаниям и выучите их наизусть.

медленно охлаждающийся
определенное время
замедление движения
динамическая блокировка
сверхохлажденная жидкость
нековалентная связь
приложение нагрузки
пластическая деформация
разлом
с течением времени
вязкотекучее состояние
фазовые свойства
стеклование
разупорядоченный
стеклообразное состояние

Упражнение 3. Подберите русские эквиваленты к следующим словосочетаниям и выучите их наизусть.

binding energy
neighbouring molecules
organized solid crystal
ordered system
energetically preferred points
crystal node
glassy solid
glass transition temperature
thermal motion
stress
viscous flow state
favored conformation
melting point
elastic deformation
rubber state

Упражнение 4. Передайте на английском языке основное содержание текста упражнения 1.

Упражнение 5. Передайте устно на английском языке основное содержание текста.

К термопластичным материалам или термопластам относятся полимеры, которые при нагревании из стеклообразного состояния в высокоэластическое и вязкотекучее). В зависимости от температуры аморфные термопласты имеют 3 физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее.

Переход из высокоэластического состояния в стеклообразное происходит в некотором диапазоне температур, центр которого называют температурой стеклования.

При повышении температуры термопластичный материал переходит из высокоэластического состояния в вязкотекучее. Температура такого перехода называется температурой текучести. Выше температуры текучести в полимере проявляются необратимые деформация вязкого течения.

В кристаллизующихся термопластах аморфная фаза может приобретать описанные выше физические состояния. При нагревании кристаллическая фаза плавится. Температура этого фазового перехода называется температурой плавления.

Упражнение 6. Переведите с листа на русский язык следующий отрывок:

The glass transition temperature corresponds to the temperature where when you heat to and above this temperature, the polymer goes from a hard glassy material to a rubbery material. On a plot of strength vs. temperature, as you go through the glass transition temperature you lose mechanical strength.

A material’s glass transition temperature is the temperature below which molecules have little relative mobility is usually applicable to wholly or partially amorphous phases.

Above the glass transition temperature, a motion started at one point on a polymer chain will produce results, say 50 atoms along the chain away from where the initial disturbance occurred.

Thermoplastic (non-crosslinked) polymers are proved to be complex because, in addition to a melting temperature, Tm, above which all their crystalline structure disappears, such plastics have a second, lower Tg below which they become rigid and brittle, and can crack and shatter under stress.

Упражнение 7. Переведите на слух по предложению следующий отрывок.

Polymer bulk properties are strongly dependent upon their structure and mesoscopic behavior. A number of qualitative relationships between structure and properties are known.

Increasing chain length tends to decrease chain mobility, increase strength and toughness, and increase the glass transition temperature (Tg). This is a result of the increase in chain interactions such as Van der Waals attractions and entanglements that come with increased chain length. These interactions tend to fix the individual chains more strongly in position and resist deformations and matrix breakup, both at higher stresses and higher temperatures.

Crosslinking tends to increase Tg and increase strength and toughness because crosslinking includes formation of chemical bonds between chains.

Inclusion of plasticizers tends to lower Tg and increase polymer flexibility. Plasticizers are generally small molecules that are chemically similar to the polymer and create gaps between polymer chains for greater mobility and reduced interchain interactions.

Упражнение 8. Переведите письменно на русский язык следующие определения:

1. The glass transition temperature is the temperature below which the physical properties of amorphous materials vary in a manner similar to those of a solid phase.

2. Proteins also possess a glass transition temperature below which both anharmonic motions and long-range correlated motion within a single molecule occur.

3. When a stress is applied to a viscoelastic material such as a polymer, parts of the long polymer chain change position.

4. Polymers remain a solid material even when these parts of their chains are rearranging in order to accompany the stress, and as this occurs, it creates a back stress in the material.

5. Vitrification (glass formation below the melting point) can occur when starting with a liquid such as water, usually through very rapid cooling or the introduction of agents that suppress the formation of ice crystals.

6. If a plastic with some desirable properties has a Tg which is too high, it can sometimes be combined with another in a copolymer or composite material with a Tg below the temperature of intended use.

7. The Space Shuttle Challenger disaster was caused by rubber O-rings that were below their glass transition temperature on an unusually cold Florida morning, and thus could not flex adequately to form proper seals between sections of the two solid-fuel rocket boosters.

8. The term “melting point” when applied to polymers suggests not a solid-liquid phase transition but a transition from a crystalline or semi-crystalline phase to a solid amorphous phase.

9. The boiling point of a polymer substance is never defined due to the fact that polymers will decompose before reaching theoretical boiling temperatures.

10. Thermosetting polymers will decompose at high temperatures rather than melt.

Упражнение 9. Переведите письменно на английский язык следующие предложения.

1. Свойства кристаллизующихся полимеров зависят от содержания кристаллической фазы.

2. Переход из высокоэластического состояния в вязкотекучее происходит в определенном интервале температур.

3. Полимер в высокоэластическом состоянии способен к большим обратимым деформациям, достигающим сотен и более %.

4. При нагревании аморфного материала обычно визуально наблюдается нефазовый переход, напоминающий процесс плавления для кристаллизующихся термопластов.

5. Большинство промышленных полимеров используются в высокоэластическом или стеклообразном состояниях

6. Реактопласты отверждаются при переработке и не способны далее переходить в жидкое агрегатное состояние.

7. Есть материалы, которые могут быть аморфными или кристаллизоваться в зависимости от условий переработки..

8. Пигменты и другие добавки, действуя как нуклеаторы (центры кристаллизации), могут значительно изменять структуру и свойства кристаллизующихся материалов.

9. В зависимости от метода определения температура стеклования может значительно изменяться.

10. При повышении температуры стекловании повышается температура эксплуатации аморфного материала.

Упражнение 10. Переведите на слух в быстром темпе следующие словосочетания

binding energy — с течением времени — замедление движения — glass transition temperature — organized solid crystal — пластическая деформация — crystal node — медленно охлаждающийся — фазовые свойства — thermal motion — нековалентная связь — neighboring molecules — определенное время — сверхохлажденная жидкость — energetically preferred points — динамическая блокировка — favored conformation — elastic deformation — стеклообразное состояние — thermoplastic polymers — приложение нагрузки — viscous flow state — melting point — glassy solid — вязкотекучее состояние — rubber state — разупорядоченный — stress — стеклование — ordered system — разлом — термореактивные полимеры

Упражнение 11. Ответьте на вопросы по содержанию текстов данного урока.

1. Is there any difference between glass transition and crystallizing?

2. Describe three types of amorphous polymer phase states.

3. What structure of a polymer body corresponds to glass state?

4. Does glass-transition temperature correspond to a single temperature point or temperature range?

5. Can we take a crystal (even a low molecular weight one) and transform it into a glass state body?

Упражнение 12. Передайте основное содержание текстов урока на русском и английском языках.