Diffusion-controlled stress-relaxation in polymers,I

Summary The “chemical” relaxation of stress either in Amilan (6-Nylon) or polyvinyl alcohol caused by penetration of water vapor was studied at 40% R. H. and temperatures 15, 30, and 50° C. A theory was presented of the chemical relaxation in a polymer which comprises penetrant-sensitive bonds as the crosslinkages between the molecular chains. This theory assumes the diffusion coefficient of penetrant in the polymer to he independent of concentration and any other factors. It was found that the system Amilan-water behaves in exact conformity with the theory over the ranges of elongation and temperature studied. The diffusion coefficient,D, of water in Amilan could thus be evaluated from the chemical relaxation data, using the theory presented, as functions of elongation and temperature. An ordinary sorption experiment was carried out for this system at 40% R. H. and 16.8° C and demonstrated that the diffusion of water in Amilan was Fickian with a constant diffusion coefficient. Both diffusion coefficients from the chemical relaxation data and the sorption. data were found to agree quite well when the former was extrapolated to zero-strain. The chemical relaxation behavior in the system polyvinyl alcohol-water was markedly different from that expected from the theory, suggesting primarily that the diffusion coefficient of water in this polymer was not constant. A parallel evidence for this fact was obtained from sorption measurements on this system, which demonstrated the diffusion in this system to be dependent both on concentration and time. From these results it may be concluded that the chemical relaxation technique, when combined properly with an adequate theory, can be used not only to evaluate the diffusion coefficient of penetrant in a given polymer solid but also to investigate, at least qualitatively, the type of sorption behavior characteristic of the system under given experimental conditions.

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Zusammenfassung Die chemische Spannungsrelaxation in Amilan (6-Nylon) und Polyvinylalkohol, verursacht durch Eindringen von Wasserdampf, wurde bei 40% r. F. und Temperaturen von 15, 30 und 50° C untersucht. Es wird eine Theorie der chemischen Relaxation von Polymeren vorgelegt, die als empfindliche Bindungen auf das eindringende Niedermolekulare die Vernetzungen zwischen den molekularen Ketten betrachtet. Diese Theorie setzt voraus, da? der Diffusionskoeffizient im Polymeren für die eindringende Substanz unabh?ngig von Konzentration und anderen Faktoren ist. Das System Amilan-Wasser benimmt sich vollkommen entsprechend dieser Theorie in den studierten Verstreckungs- und Temperaturbereiche. Der Diffusionskoeffizient von Wasser in Amilan konnte daher aus der chemischen Relaxation als Funktion von Dehnung und Temperatur ausgewertet werden. Ein normales Quellungsexperiment wurde für das System bei 40% r. F. und 16,8° C ausgeführt und zeigte, da? die Diffusion von Wasser in Amilan dem Fickschen Gesetz mit konstantem Diffusionskoeffizienten folgt. Beide Diffusionskoeffizienten, der aus chemischer Relaxation und der aus Quellungsdaten gewonnene, stimmten sehr gut überein, falls der erstere auf die Dehnung 0 extrapoliert wurde. Die chemische Relaxation des Systems Polyvinylalkohol-Wasser war merklich anders als nach der Theorie erwartet und lie? in erster Linie vermuten, da? der Diffusionskoeffizient von Wasser in diesem Polymeren nicht konstant ist. Eine entsprechende Andeutung wurde aus Quellungsmessungen an diesem System erhalten. Die Diffusion h?ngt von Konzentration und Zeit ab. Aus diesen Resultaten kann gefolgert werden, da? die Technik der Untersuchungen der chemischen Relaxation unter Verwendung einer geeigneten Theorie nicht nur dazu angewendet werden kann, Diffusionskoeffizienten von kleinen Molekülen in einem gegebenen festen Polymeren zu messen, sondern zumindest auch qualitativ den Typ des Quellungsverhaltens festzustellen, der das System unter den gegebenen experimentellen Bedingungen charakterisiert.