Dynamic mechanical properties of irradiated polyvinyl chloride

Summary Effects of gamma radiation on the dynamic mechanical properties of polyvinyl chloride (PVC) have been studied at audio frequencies from 80 K to 450 K for doses up to 1400 megarads. Two damping peaks were observed between 80 K and 400 K. The onset of main relaxation near 350 K shifted to lower temperatures at low doses, and then shifted to higher temperatures at a dose of 1400 megarads. Only slight changes are discernible in the damping peak near 250 K upon irradiation, but definite variations are noted in the modulus curves. Upon irradiation to 270 megarads an additional damping peak appeared near 150 K accompanied by an increase in modulus at lower temperatures. The height of this peak increased with increasing radiation dose.Crosslinking was confirmed from rubber elastic behavior, swelling, and solvent extraction studies. Some tentative explanations for the changes occurring in the dynamic mechanical properties of irradiated PVC are given in terms of crosslinking, loss of crystallinity, and dehydrochlorination followed by the formation of conjugated series of double bonds.

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Zusammenfassung Es wurde die Wirkung von-Strahlung auf die dynamisch-mechanischen Eigenschaften von Polyvinylchlorid (PVC) bei Hörfrequenzen von 80 K bis 450 K für Dosen bis zu 1400 Megarad untersucht. Zwei Dämpfungspiks zeigen sich zwischen 80 und 400 K. Das Einsetzen der Hauptrelaxation nahe 350 K verlagert sich zu tieferen Temperaturen bei kleineren Dosen, um dann zu höheren Temperaturen bei einer Dosis von 1400 Megarad hinaufzugehen. Nur leichte änderungen sind im Dämpfungspik nahe 250 K durch die Strahlung zu beobachten; aber in der Modulkurve werden definierte Variationen erkennbar. Nach Bestrahlung mit 270 Megarad erscheint ein zusätzlicher Dämpfungspik nahe 150 K, begleitet durch ein Anwachsen des Moduls zu tieferen Temperaturen. Die Höhe dieses Piks wächst mit wachsender Strahlungsdosis.Die Vernetzung wurde aus dem gummielastischen Verhalten, der Quellung und aus Lösungsmittel-Extraktionen bestimmt. Die im dynamisch-mechanischen Verhalten durch die Strahlung des PVC auftretenden änderungen werden auf Grund der Vernetzung, der Abnahme an Kristallinität, der Dehydrochlorierung — gefolgt durch die Bildung von Serien konjugierter Doppelbildungen — erklärt.

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This work was supported in part by the National Science Foundation and the National Aeronautics and Space Administration.     

The viscoelasticity and structure of fibrous proteins

Summary DynamicYoung's moduli of wool fibres in water have been measured over a range of two decades in rate of extension and at temperatures from 0 to 90 C. Small displacements were used, corresponding to extensions of 0.1%. These were imposed upon mean extensions of (a) 1%, (b) 15% and (c) 40%, representative of the three main extension regions of-keratin. The results obtained show great differences from the slopes of the corresponding regions of the force-extension curve carried out at the same temperature and rate of extension.Comparison of the small-strain dynamic moduli in the three regions (a), (b) and (c) indicate that there is a component of the modulus in (a) amounting to 1.3×10¹⁰ dynes/cm² which is associated with intact-helical filaments, and which is substantially constant up to at least 70 C.Approximate superposition of the dynamic moduli at different rates was achieved using theWilliams-Landel-Ferry (WFL) equation with a reference temperature of 35 C. It is thereby concluded that under the present conditions-keratin has an effective glasstransition in the vicinity of –15 C. Above 60–70 C the WLF relation was not obeyed, indicating the presence of a relaxing process with a different temperature-dependence from that of the normal viscoelastic mechanisms; it is suggested that this process may consist in the fission and re-formation of cystine groups.

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Zusammenfassung Die dynamischenYoung-Moduln von Wollfasern in Wasser wurden über einen Bereich von zwei Dekaden der Streckgeschwindigkeit und Temperaturen zwischen 0 und 90 gemessen. Die maximal verwendeten Auslenkungen entsprechen einer Ausdehnung von 0,1%. Diese wurden den mittleren Dehnungen von (a) 1%, (b) 15% und (c) 40% überlagert entsprechend den drei Hauptbereichen der Dehnung von-Keratin. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen gro\e Differenzen für die Steigungen der entsprechenden Bereiche Kraft-Dehnungs-Diagramm für gleiche Temperaturen und gleiche Dehnungsgeschwindigkeit.Ein Vergleich der Dehn-Moduln für kleine Dehnungen in den drei Bereichen (a), (b) und (c) zeigen, da\ in (a) eine Komponente des Moduls von etwa 1,3×10¹⁰dyn/ cm² enthalten ist, verbunden mit den intakten-Helices der Moleküle. Und diese bleiben im wesentlichen unverändert bis zu Temperaturen von wenigstens 70 C.Näherungsweise Superposition der dynamischen Moduln bei verschiedenen Dehngeschwindigkeiten konnte mit Hilfe derWilliams-Landel-Ferry (WLF)-Gleichung hinsichtlich einer Referenz-Temperatur von 35 C erreicht werden. Hieraus folgt, da\ unter den angewandten Bedingungen das-Keratin eine effektive Glasübergangstemperatur in der Nachbarschaft von –15C besitzt. Oberhalb von 60 bis 70 C wird die WLP-Gleichung nicht befolgt. Das zeigt die Mitwirkung von Relaxations-Prozessen mit einer unterschiedlichen Temperatur-Abhängigkeit von der der normalen viscoelastischen Mechanismen an. Es ist zu vermuten, da\ dieser Proze\ auf der Aufspaltung und Wiederbildung von Cystin-Gruppen beruht.

     

Measurement of specific heat and energetic characterization of materials up to high temperatures

A new DSC system has been developed which not only allows quantitative results in the temperature of –160C to 700C, but also allows the quantitative determination of a variety of material properties up to 1500C. For example, the specific heat of materials can be measured to at least 1400C, while enthalpies, etc. can be measured to 1500C.

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Zusammenfassung Ein neuartiges DSC Messystem (Netzsch DSC 404) wurde entwickelt, das sich durch hohe Reproduzierbarkeit der Basislinie, grosse Empfindlichkeit und breiten Temperaturanwendungsbereich (–160C bis 700C resp. bis 1500C) auszeichnet. Die Messanordnung ermöglicht die Verwendung von unterschiedlichen GasatmosphÄren als auch Messungen im Vakuum. Es werden Beispiele der Bestimmung von SchmelzvorgÄngen, der Glasumwandlungstemperatur, der KristallinitÄt und der spezifischen WÄrme, sowohl für Polymere als auch für anorganische Materialien dargestellt und diskutiert.

     

Dissipative structures in solidifying solutions

Structure formation during polymerization of polyacrylamide and gelatinization of gelatine in aqueous solutions are described. In both cases dissipative dynamic structures occur in the solutions due to convective flows and manifest in macroscopically visible structure patterns after solidification. Adverse vertical temperature gradients of maximal 2C for polymer solutions and 1C for gelatine solutions are assumed to be responsible for the instability of the systems and thus for their dynamic behaviour.

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Zusammenfassung Die Bildung von geordneten Strukturen wÄhrend der Polymerisation von Polyacrylamid und der Gelatinisierung von wÄsserigen Gelatinelösungen wird beschrieben. Diese sogenannten dissipativen Strukturen entstehen bei beiden Prozessen durch Konvektionen in der flüssigen Phase, die sich nach der Verfestigung als makroskopisch sichtbare Muster darstellen. Die Konvektion beruht auf vertikalen Temperaturgradienten, die unter den hier vorgegebenen Bedingungen mit 1 bis 2C aus den exothermen ReaktionswÄrmen abgeschÄtzt werden können.

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We are greatly indebted to B. Hahlbrauck for carrying out the first gelatinization experiments.     

Analytische Dichtegradienten-Zentrifugation bei Temperaturen zwischen +4?C und +40?C

Zusammenfassung Es wird gezeigt, da\ die bei der analytischen Dichtegradienten-Zentrifugation benötigten Parameter, die von Hearst u. Mitarb. tabelliert wurden, auch für andere Temperaturen als 25C gültig sind. Das ist von gro\er Wichtigkeit, da hochempfindliche Enzyme nur bei Temperaturen um + 4C lÄnger als 24 h nativ bleiben. Man ist deshalb auf eine Zentrifugation bei dieser Temperatur angewiesen. Weil man oft nur sehr wenig Substanz isolieren kann, bleibt nur die Dichtegradienten-Zentrifugation als Methode der Wahl. Ein Vergleich der gemessenen Molekulargewichte bei 6C und 25C zeigt keine Abweichungen, die über die Me\genauigkeit hinausgehen.

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Analytical density gradient centrifugation at temperatures between +4C and +40 C

It is shown that all the parameters needed for analytical density gradient centrifugation tabulated by Hearst et al. for 25C are valid for other temperatures, too. This will be important in the investigation of highly sensitive enzymes which are only stable at temperatures near +4C over a period of 24 h. Comparison of molecular weights determined at 6C und 25C shows no difference greater than 2%, which will be within the experimental error.

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Das Bundesministerium für Bildung und Wissenschaft hat diese Arbeiten gro\zügig unterstützt.     

Thermal study of synthesis of cryptohalite

The present work represents a thermal study of synthesis of cryptohalite (Ammonium silicon hexafluoride) by sintering of quartz with ammonium fluoride using a derivatograph. The reaction products were identified microscopically and by using a Siemens Crystalloflex diffractometer. The DTA curves indicate that the intensive formation of cryptohalite takes place at 125–155C by an endothermic reaction. Cryptohalite is unstable and dissociates at 320–335C as represented by the sharp and large endothermic peaks at these temperatures.The resulted cryptohalite is colorless in thin sections and crystallizes in cubic system, in the form of octahedral crystals with perfect (111) cleavage. The dimorph bararite is not detected in all runs.

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Zusammenfassung Mittels eines Derivatographen wurde die Synthese von Kryptohalit (Ammoniumsiliziumhexafluorid) durch Sintern von Quarz mit Ammoniumfluorid thermisch untersucht. Die Reaktionsprodukte wurden mikroskopisch und mit Hilfe eines Siemens-Crystalloflex Diffraktometers identifiziert. Die DTA-Kurven zeigen, da\ die intensive Bildung von Kryptohalit in einer endothermen Reaktion bei 125–155C abläuft. Wie durch die scharfen und intensiven endothermen Peaks bei 320–335C gezeigt wird, ist Kryptohalit bei dieser Temperatur instabil und dissoziiert.Das erhaltene Kryptohalit ist in dünnen Schnitten farblos und kristallisiert im kubischen System in der Form von oktaedrischen Kristallen mit perfekter (111) Spaltbarkeit. Das dimorphe Bararit konnte in keinem der Versuche beobachtet werden.

     

Polymer characterization using thermomechanical analysis

The purpose of the work was to characterize the thermomechanical behaviour of two well-known and widely-used thermoplastic polymers. Both dynamic and constant load measurements were made for high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE) and amorphous polystyrene (PS). The results of these measurements yield valuable information which can aid in both design applications and material processing.

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Zusammenfassung Die Thermomechanische Analyse (TMA) wurde zur Untersuchung der thermoplastischen Polymere HDPE, LDPE und PS angewandt. Die Messungen an HDPE und LDPE wurden dynamisch im Temperaturbereich von –90C bis ca. +140C durchgeführt. PS wurde von –190C bis ca. + 130C statisch gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigen deutlich die hervorragende Eignung der TMA bei der Bestimmung von Glasübergangs- und Schmelztemperaturen, der Charakterisierung der elastischen Eigenschaften sowie der Ausdehnungskoeffizienten. Zur Charakterisierung können weitere thermoanalytische Methoden (z. B. TG, DSC) herangezogen werden, wodurch zusÄtzliche Informationen erhalten und die TMA-Ergebnisse erhÄrtet werden können.

     

Relaxation during internal rotation ethane and hydrogen peroxyde

An ab initio SCF-LCAO-MO study of the relaxation process during internal rotation has been performed for ethane and hydrogen peroxyde. A large gaussian basis set has been used, with polarization functions. The total energy has been optimized with respect to the bond lengths and bond angles. The computed barrier for the ethane molecule is 3.07 kcal/mole with the optimized geometry (experimental 2.93 kcal/mole). For hydrogen peroxyde, this yields a cis-barrier of 10.9 kcal/mole (experimental 7.0 kcal/mole) and a trans barrier of 0.6 kcal/mole (experimental 1.1 kcal/mole), with a dihedral angle equal to 123 (experimental 111–120). The eclipsed or cis conformations are found to have more open structures than the staggered or equilibrium conformations.

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Zusammenfassung Der Relaxationsproze\ wÄhrend der inneren Rotation wurde für Äthan und Wasserstoffperoxid mit Hilfe einer ab initio SCF-LCAO-MO-Rechnung untersucht. Dabei wurde eine gro\e Basis von Gau\funktionen mit Polarisationsfunktionen benutzt. Die Gesamtenergie wurde unter Variation der BindungslÄnge und Bindungswinkel optimiert. Die berechnete Rotationsbarriere mit der optimalen Geometrie betrÄgt 3,07 kcal/Mol für Äthan (experimentell 2,93 kcal/Mol). Für Wasserstoffperoxid ergibt sich eine cis-Barriere von 10,9 kcal/Mol (experimentell 7,0 kcal/Mol) und eine trans-Barriere von 0,6 kcal/Mol (experimentell 1,1 kcal/Mol) sowie ein Verdrillungswinkel von 123 (experimentell 111–120). Die verdeckten oder cis-Konformationen besitzen mehr offene Strukturen als die gestaffelten oder die Gleichgewichtskonformationen.

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Résumé Une étude des phénomènes de relaxation liés à la rotation interne a été effectuée pour l'ethane et l'eau oxygénée par la méthode ab initio SCF-LCAO-MO. Avec une base étendue de fonctions gaussiennes comprenant des fonctions de polarisation, on minimise l'énergie par rapport aux longueurs et aux angles des liaisons. La barrière calculée pour l'ethane est de 3,07 kcal/mole (valeur expérimentale 2,93 kcal/mole). Pour l'eau oxygénée, on trouve pour les barrières cis 10,9 kcal/mole, trans 0,6 kcal/mole et pour l'angle dièdre 123 (values expérimentales 7,0 et 1,1 kcal/mole et 111–120). Les conformations éclipsée ou cis possèdent des structures plus «ouvertes» que les conformations en étoile ou trans.

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Quantum Mechanical Calculations on Barriers to Internal Rotation. Part VI. Preceding paper, Ref. [35].     

DTA identification of polycaprolactone

Polycaprolactone (PCL) is a new material used in orthopedics. It is characterized by an endothermic melting peak at about 61C, an endothermic decomposition peak at about 380C and an exothermic peak at about 453C. These three observed phenomena and the corresponding thermodynamic data made it easily possible to identify PCL among the other polymers previously examined with Differential Thermal Analysis (DTA).

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Zusammenfassung Polycaprolacton ist ein neuartiger Kunststoff, der in der OrthopÄdie als Knochenersatz Verwendung findet. Die Charakterisierung und Identifizierung kann durch thermoanalytische Messungen (DTA) auf Grund von endothermen VorgÄngen bei 61 und 380C und eines exothermen Vorgangs bei 453C erfolgen.

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The authors thank A. Crestin for technical contribution.     

Extended Hückel MO calculations of the conformation of several amino acids

The conformation of the amino acid residues, glycine, alanine, proline, and phenylalanine have been predicted from molecular orbital calculations of appropriate model compounds. Using the current main chain rotation convention (, ) the principle conformations were found to be glycine (0, 0), alanine (240, 240), proline (120, 330) and phenylalanine (30, 330). Several secondary conformations were also found for glycine. A comparison of the predicted conformations is in good agreement with experimental data on comparable residues or model compounds.Supported by National Institutes of Health Grants No. FR 5409-07 and GM 16312-01.Recipient of a Public Health Service Research Career Development Award AM 1159-01.