重合体の特性
高分子の濃厚溶液やポリマーの溶融体をゆっくり流動させると、流体はわずかに変形するが、流れに沿った(流動方向に平行な)面だけに応力(剪断応力)が生じる。これは、流動方向の平行面と垂直面への応力がほとんど等しいためである。しかし、高速で流動させると流体は流れの方向へと伸長する。このとき、流体は元の形に戻ろうとし、張力が生じる。
高分子の濃厚溶液やポリマーの溶融体に棒の一部を浸して棒を回転させると、液面は棒の近くほど勾配的に上昇する。見掛け上、液体は棒に巻き付きながら這い上がる。この現象をワイセンベルク効果(英: Weissenberg effect)と呼ぶ。これは、棒の回転により液体が流動している部分では張力の合力は内向き(棒に向かう方向)に働くために起こる。ニュートン流体の場合、合力は外向き(棒から離れる方向)に働き、棒の近くほど液面はへこむ。
σ B ≈ 4 G ( ε B − 3 2 α ε C ) {\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }\approx 4G\left(\varepsilon _{\mathrm {B} }-{\frac {3}{2}}\alpha \varepsilon _{\mathrm {C} }\right)}
粘弾性緩和の原因は各温度で高分子鎖の分子運動 (molecular motion) が異なるためである。ガラス状領域では高分子のミクロブラウン運動は凍結している。ガラス転移時には、凍結されていた分子運動は局所的に開放され、セグメントのミクロブラウン運動が始まる。流動領域では高分子の絡み合いがほぐれ始め、分子鎖の運動が激しく起こる。分子鎖間の相対位置を変化させるマクロブラウン運動が起こり始め、ポリマーは流動性となる。
ガラス領域と転移領域における粘弾性の挙動は、分子量がある臨界値より大きければ分子量と分子量分布に依存しない。転移領域における速い緩和は、分子全体ではなく分子の一部分の運動に関連しているためである。一方、ゴム状平坦領域と流動領域における挙動は分子量と分子量分布の影響を受ける。分子量が低い非晶性ポリマーでは、転移領域から流動領域への遷移が急激である。架橋ポリマーではゴム弾性により弾性率は温度の増加で僅かに増加するが、架橋の熱分解が起こるまで架橋ポリマーは流動しない。熱分解まで弾性率の低下は観測されない。この分子量・分子量分布依存性は、転移領域から流動領域への遅い緩和が分子全体の運動に依存していることによる。
耐熱性材料
液晶高分子
ポリマーアロイ
鎖状高分子
導電性材料、磁性材料、光機能材料
光学材料 - 光ファイバー、光ディスク
分離材料、分子認識材料
有機エレクトロルミネッセンス
バイオマテリアル
高吸水性高分子
高分子ゲル
この特定温度と特定周波数の近傍でtan δとG′′は極大値を示す。一般に、G′′の極大はtan δの極大よりも低温で観測される。
この特定温度と特定周波数ではポリマーの局所的あるいは全体的な分子運動が活性化される。G′′の極大はエネルギーの吸収に対応するので、力学的吸収と呼ばれる。下表に、log G′の減少、tan δとG′′の極大が生じる温度での緩和機構を高温側から順に示す。
これらの緩和機構は動的粘弾性測定だけではなく、誘電緩和や核磁気共鳴でも観測することができる。このため、動的粘弾性はポリマーの緩和機構を解析することができる。以上のように動的粘弾性測定はポリマーの分子運動の挙動を明らかにする。さらに、ひずみの周波数fを変え、力学的吸収の温度(G′′が極大値をとる温度)の逆数とln fをプロットすると、その勾配から活性化エネルギーを算出することができる。
逆に一つ目のグループを二つ目に変化させることもできる。
一般的にポリマーでは、ある種の転移温度以上で別の衝撃限界速度が新たに出現する。例えば、ナイロン繊維では10°Cから170°Cの測定範囲では衝撃破壊エネルギーと速度は右図のような関係となり、温度により4つの衝撃限界速度のいずれかが観測される。10°CではI10とII10の2つの衝撃限界速度が観測される。30°CではI10は高速側の観測範囲外に移動して現れず、II10はII30へと高速側へ移動する。II30はII80→II100と高温になるにつれて高速側へと移動する。100°Cでは3つ目の衝撃限界速度が現れ、高温になるにつれてIII100→III125→III150→III170と移動する。125°Cでは4つ目の衝撃限界速度が観測され、IV125→IV150→IV170と移動する。同様の衝撃限界速度の転移現象は酢酸繊維素の繊維とフィルムで確認されている。
ポリマーにおいて衝撃限界速度 Vb は次式で求められる。
V b = A ′ e − C T b {\displaystyle V_{\mathrm {b} }=A'e^{-{\frac {C}{T_{\mathrm {b} }}}}}
ここで、A′ と C は定数、e はネイピア数、Tb は脆化温度である。上式は金属においても成り立ち、金属の場合において Tb は衝撃限界温度である。衝撃限界速度における破断点(衝撃限界時間)tb は次式で表される。