Physik der Kalthärtung von glasbildenden Polymeren

Einige glasartige Polymere mit hohem Molekulargewicht weisen bei großer Verformung eine Kalthärtung (strain hardening, SH) auf. Dieses Regime ist sehr wichtig, da SH die Duktilität von Polymergläsern begrenzt; somit ist ihr mikroskopisches Verständnis eine wichtige wissenschaftliche Herausforderung. Die Gruppe Long, einer der Antragsteller, hat eine mikroskopische Theorie für die Plastizität entwickelt, nach der die Relaxation durch Umstrukturierungen auf einer Skala von etwa 5 nm erfolgt. Die gespeicherte elastische Energie auf dieser Skala entspricht einer Verringerung der freien Energiebarrieren, die plastisches Fließen ermöglicht. Diese Gruppe hat ein begleitendes numerisches Werkzeug zur Berechnung des plastischen Fließens in 3D mit einer räumlichen Auflösung von 5 nm entwickelt, mit dem die Verteilung der Relaxationszeiten und ihre Entwicklung unter Belastung, während der Alterung bzw. der Verjüngung für jede thermomechanische Vorgeschichte berechnet werden kann. Es basiert auf einer dynamischen Gleichung für die Entwicklung eines tensoriellen Ordnungsparameters S auf der Monomerskala. Die Orientierung verbessert die Monomer-Monomer-Wechselwirkungen, was zu einer Erhöhung der freien Energiebarrieren führt. Die Reorientierungsdynamik auf der Monomerskala und ihre Relaxation sind vermutlich der Schlüssel zur Beschreibung der Physik von SH. In diesem Projekt wird ein gemeinsamer experimenteller und theoretischer Ansatz entwickelt, um die lokale Orientierung und ihr Relaxationsverhalten unter verschiedenen thermomechanischen Belastungsbedingungen mittels Röntgenstreuung, NMR und Differentialscanningkalorimetrie zu untersuchen. Die Festkörper-NMR spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle, da sie einen quantitativen Einblick in die Orientierungsordnung auf molekularer Ebene gibt.

Physics of strain hardening in glassy polymers

Some glassy polymers with high molecular weights exhibit a strain hardening (SH) regime at large deformation. This regime is very important because SH limits the ductility of polymer glasses, so its microscopic understanding is an important scientific challenge. The Long group, one of the applicants, has developed a microscopic theory for plasticity, according to which relaxation takes place by reorganizations on a scale of about 5 nm. The stored elastic energy on this scale corresponds to a reduction of free energy barriers which enables plastic flow. This group has developed a companion numerical tool for calculating plastic flow in 3D, with a spatial resolution the 5 nm scale which allows for calculating the distribution of relaxation times and its evolution under applied strain, during ageing and rejuvenation for any thermo-mechanical history. It is based upon a dynamical equation regarding the evolution of a tensorial order parameter S on the monomer scale. The orientation enhances the monomer-monomer interactions which leads to an increase of the free energy barriers. The reorientation dynamics on the monomer scale and its relaxation appear to be key for describing the physics of SH. In this project, a joint experimental and theoretical approach will be developed to study the local orientation and its relaxation behaviour under various thermo-mechanical loading histories by X-ray scattering, NMR and differential scanning calorimetry. Solid-state NMR plays an important role in this regard, as it will provide a quantitative insight into the orientational ordering at the molecular level.