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.