¿Por qué los materiales se vuelven frágiles cuando se congelan?

Gracias por invitar. Me gustaría hablar un poco sobre polímeros.

Primero, me gustaría aclarar algunos términos según mi entendimiento (tal vez se asemeje al concepto en ciencia de materiales) para no dejar al lector en una masa. Según tengo entendido, la palabra ” congelado ” solo está bajando la temperatura del material, no el cambio de fase de líquido a sólido. La palabra ” quebradizo ” se refiere a una propiedad, es decir, cuando el material es golpeado o estirado, se agrietará sin mucha deformación, cuyo opuesto es ” tenaz “. No es igual a duro, lo que significa la propiedad de que se necesita una fuerza muy grande para cambiar la forma del material. Por ejemplo, muchos tipos de alimentos fritos no son duros sino quebradizos, y a temperatura ambiente, algunos plásticos, como el ABS, son duros pero tenaces.

En base a estos conceptos, podemos considerar la pregunta. Para empezar, me gustaría mencionar algunos conocimientos básicos sobre física de polímeros. Las moléculas de los polímeros son siempre como cadenas. Estas cadenas pueden enrollarse entre sí, así como a sí mismas. Puedes imaginar una imagen como la siguiente.
Por supuesto, cuanto más larga sea la unidad de cadena, más duras serán las cadenas. Existe un concepto similar en la ciencia de los polímeros, llamado segmento de cadena. Un segmento de cadena consta de varias unidades de monómero, y puede girar sin ninguna limitación de ángulo, al igual que una unidad de cadena de la cadena de hierro.

Tres estados mecánicos , temperatura de transición vítrea y temperatura de flujo
Sin embargo, la temperatura es un factor muy importante, que determina si los segmentos de la cadena pueden rotar fácilmente. A baja temperatura, los segmentos de la cadena no pueden rotar en absoluto, y el polímero está en estado vítreo . Cuando la temperatura se eleva a una temperatura característica, llamada temperatura de transición vítrea , la rotación de los segmentos de la cadena de repente se vuelve mucho más fácil y el polímero entra en el estado gomoso . En el estado gomoso, el polímero puede estirarse en gran medida, y cuando la fuerza disminuye, la deformación puede volver. Los gomosos que utilizamos están en este estado. Esto se explica porque aunque los segmentos de la cadena pueden rotar fácilmente, el deslizamiento entre las cadenas completas no puede ocurrir. Continuando para aumentar la temperatura, se producirá el deslizamiento entre las cadenas completas y el polímero se fundirá . La temperatura de transición entre el estado gomoso y la masa fundida se denomina temperatura de flujo . Lo que debe prestarse atención es que los polímeros en los tres estados mecánicos están en fase líquida .

¿Hay polímeros en fase sólida? Por supuesto. Cuando el polímero cristaliza, está en la fase sólida. Al igual que los cristales de moléculas pequeñas, el cristal de polímeros es duro y quebradizo. Además, hay una temperatura de fusión para el polímero, que generalmente es más alta que la temperatura de transición vítrea y, después de fundirse, la mayoría de los polímeros entran en estado gomoso. Sin embargo, generalmente los polímeros no pueden alinearse en la red como moléculas pequeñas. Cuando los segmentos son paralelos entre sí, el polímero cristalizará. Por lo tanto, es difícil obtener un polímero 100% cristalizado. Hay una cantidad llamada grado de cristalinidad para medir la fracción de cristal de una muestra de polímero. Si el grado de cristalinidad es bastante alto, generalmente solo puede ver el punto de fusión y la temperatura del flujo; no se observará transición vidriosa.

En diferentes estados mecánicos, los polímeros mostrarán diferentes propiedades. Generalmente, los polímeros en estado vítreo y los polímeros cristalizados serán muy duros, porque la rotación del segmento es limitada. Sin embargo, algunas unidades de movimiento menores, como la cadena lateral, pueden tener la oportunidad de rotar, lo que conduce a una muestra dura pero tenaz. La mayoría de los tipos de plásticos se encuentran en este estado, excepto algunos tipos con un alto grado de crioalinidad. La muestra en estado gomoso es suave y tenaz. Todo tipo de gomoso está en este estado. Y la masa fundida es un fluido muy viscoso. Principalmente, el polímero durante el procesamiento está en este estado.

Dos tipos de interacciones en polímeros
Esos son los enlaces químicos y algunas interacitones más débiles , como la fuerza de Van Der Waal y el enlace de hidrógeno. En general, las interacciones más débiles son más fáciles de superar. Pero estas interacciones débiles se pueden sumar, lo que puede alcanzar en un orden comparable al enlace químico.

Creo que los lectores pueden comenzar a sentirse cansados ​​de las teorías anteriores. Lo siguiente se concentrará en la respuesta a la pregunta .

Cuando baja continuamente la temperatura de una muestra de polímero, por ejemplo, una goma, primero, la rotación de los segmentos de la cadena se congelará, es decir, la muestra ingresa al estado vítreo (si la muestra no se cristaliza mucho). Se vuelve difícil. Luego, el movimiento de las unidades menores se congelará, se volverá quebradizo. La temperatura de transición se llama temperatura frágil, es más baja que la temperatura de transición vítrea. Para una muestra entre la temperatura frágil y la temperatura de transición vítrea, si la estira, se volverá más y más delgada y finalmente será tan delgada que tendrá que romperse. Desde el punto de vista del movimiento molecular, se debe a que la interacción mecánica obliga a las cadenas poliméricas completas a deslizarse. Puede observar todo el proceso cuando intenta estirar una goma suave y delgada. Sin embargo, cuando una muestra está por debajo de la temperatura frágil, cuando la estira, se agrietará antes de volverse más fina. Desde el punto de vista del movimiento molecular, se debe a que la interacción mecánica obliga a romper el enlace químico. Dará un plano muy suave en el lugar donde se agrieta la muestra.

¿Qué quieres decir con congelado? Cuando algo es sólido, se congela … por lo que muchos materiales no se vuelven frágiles cuando se congelan, por ejemplo, cobre {o, de hecho, cualquier material FCC}.
Pero hay algunos materiales que son dúctiles por encima de cierta temperatura pero se vuelven frágiles tan pronto como la temperatura cae por debajo de eso. Estos son de 2 tipos: polímeros y metales.

• Para el polímero, la temperatura de transición se llama Tg, es decir, temperatura de transición vítrea.
• Para metales no tienen estructura cristalina FCC. Se necesitan al menos 5 sistemas de deslizamiento, pero a una temperatura más baja, no todos los sistemas de deslizamiento están activos y, por lo tanto, se vuelven frágiles. {Llamada transición dúctil a frágil}

El último tipo de material restante es la cerámica, que en su mayoría es frágil.

ok, en mi opinión, “frágil” significa que los materiales tienen una fuerza intermolecular frágil y tienen una reacción más lenta contra la fuerza externa.
así que puedes ver que el vidrio es frágil por su reacción lenta y la arcilla es tenaz.
cuando reduces la temperatura estás reduciendo la velocidad de reacción al mismo tiempo.
¿Puedes encontrar la respuesta?
¡buena suerte!