On the viscoelastic properties of crystalline high polymers

Summary

As a result of the measurements of stress relaxations on isotropic polytrifluorochloroethylene, it has been found that in crystalline polymers the linear range of viscoelasticity is limited to the strain values of less than about 1.5%.

By the precise measurements of stress relaxation on polytrifluorochloroethylene, isotactic polypropylene, polytetrafluoroethylene and nylon 6, at several different temperatures, it has been revealed that the simple time-temperature superposition method is also available for the viscoelastic behaviors of these crystalline polymers, under several conditions. These conditions are, linear range of viscoelasticity, thoroughly preconditioned specimen and proper range of measuring temperature.

For the relaxation curves of polyethylene, some vertical translations along logE axis are necessary to superimpose them. Such vertical translations can be related with changes in the degree of crystallinity by the aid of extended principle of time-temperature superposition. The values of degree of crystallinity of polyethylene thus derived by the rheological method showed a good agreement with those calculated from dilatometric data.

As a result, relaxation time spectra of several crystalline polymers were obtained over a wide range of time scale. The relaxation time spectra of crystalline polymers seem to have some common features. On the basis of these common features of relaxation time spectra, and of the individual viscoelastic character of these materials, it is suggested that the viscoelastic properties of the crystalline polymers will be interpreted in relation with several structural factors of these materials.

Zusammenfassung

Aus Messungen der Spannungsrelaxation an isotropem Polytrifluorochloräthylen wird gefunden, daß der lineare Bereich der Viskoelastizität von kristallinen Polymeren hinsichtlich der Deformation auf Bereiche kleiner als etwa 1.5% begrenzt ist.

Durch genaue Messungen der Spannungsrelaxation von Polytrifluorochloräthylen, isotaktischem Polypropylen, Polytetrafluoräthylen und Nylon 6 bei verschiedenen Temperaturen läßt sich zeigen, daß die einfache Zeit-Temperatur-Superpositions-Methode auch für die viskoelastischen Eigenschaften dieser kristallinen Polymeren unter besonderen Bedingungen verwendbar ist. Diese Bedingungen sind: linearer Bereich der Viskoelastizität, geeignet vorbehandelte Probestücke und geeigneter Bereich der Meßtemperaturen.

Eine gewisse senkrechte Verschiebung entlang der logE- Achse ist notwendig, um die Relaxationskurven des Polyäthylen zu überlagern. Mit Hilfe eines erweiterten Prinzips der Zeit-Temperatur-Verschiebung können die senkrechten Verschiebungen in Beziehung mit der Änderung des Kristallisationsgrades gebracht werden. Die Werte des Kristallisationsgrades von Polyäthylen, die durch diese rheologische Methode erhalten werden, besitzen genügende Übereinstimmung mit den aus dilatometrischen Daten gewonnenen Werten.

Als Ergebnis werden die Relaxationszeit-Spektren einiger kristalliner Polymeren für einen breiten Zeitskalenbereich gewonnen. Die Relaxationszeit-Spektren dieser kristallinen Polymere scheinen ein allgemeines Verhalten anzudeuten. Auf Grund dieser Eigenschaft der Relaxationszeit-Spektren und der individuellen viskoelastischen Eigenschaften dieser Substanzen wird vorgeschlagen, daß das viskoelastische Verhalten der kristallinen Polymeren aus einigen strukturellen Faktoren dieser Materialien erklärt werden können.