Simultaneous measurements of stress and infrared dichroism on polymers

Summary A method for simultaneous measurements of stress and infrared dichroism as time-dependent behavior of polymer films was devised by using a double beam infrared spectrometer. The film sample held between clamps of a stretching device was placed just in front of the entrance slit of the spectrometer where the sample and reference beams came alternately. Two polarizers were used, one in the sample beam and the other in the reference beam. Thus the sample and reference beams were polarized to have the electric vectors parallel and perpendicular to the stretching direction of the sample, respectively. With this arrangement the spectrometer responded only to the difference in the transmittance of the two beams. Setting the spectrometer at one of the wavenumbers of the absorption band maxima, we could record continuously the change in its dichroism during mechanical treatments which gave rise to the molecular orientation in the sample. The stress was recorded automatically by means of a couple of strain gages pasted on the cantilever beam of the stretching device.By theoretical considerations, a simple relationship was found to exist between the quantity recorded on the spectrometer by this method and the orientation function of transition moment of a vibrational absorption band with respect to the stretching direction.The method was applied to the stress relaxation experiments of vulcanized natural rubber carried out at different elongations less than 600% and at the room temperature. Changes of infrared dichroism were measured for five absorption bands at 1664, 1380, 1361, 1129, and 844 cm^–1, of which the last one is a crystalline band. From the results of this study, it was concluded that the stress relaxation observed was ascribed mainly to the amorphous orientation rather than to the crystalline orientation, which was completed almost immediately after elongation.

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Zusammenfassung Eine Methode für gleichzeitige Messungen von Spannungs-und Infrarot-Dichroismus von Polymerenfolien in AbhÄngigkeit von der Zeit wurde unter Verwendung eines Zweistrahlen-Infrarotspektrometers entwickelt. Die Filmproben, zwischen Klemmen in einer Verstreckungsanordnung gehalten, sind am Ort des Eintrittsspaltes des Spektrometers justiert, an dem der die Probe durchlaufende und der Referenzstrahl alternierend eintreten. Zwei Polarisationen, eine im Probestrahl, die andere im Referenzstrahl, wurden verwendet. So sind der Probe-und Referenzstrahl mit dem elektrischen Vektor parallel bzw. senkrecht zur Streckrichtung der Probe polarisiert. Mit dieser Anordnung am Spektrometer wird nur die Differenz der DurchlÄssigkeit der Probe für beide Strahlen gemessen. Wenn man das Spektrometer auf die Wellenzahl eines Absorptionsmaximums der Probe einstellt, lÄt sich also kontinuierlich unmittelbar die Änderung des Dichroismus wÄhrend der mechanischen Verformung verfolgen, die aus molekularer Orientierung in der Probe resultiert. Die Spannung wurde automatisch mit Hilfe von Verlagerungsaufnehmern aufgezeichnet.Theoretische Betrachtungen lassen eine einfache Beziehung zwischen den Spektrometerkurven und der Orientierungsfunktion für die verschiedenen Absorptionsbanden in Bezug auf die Streckrichtung finden.Die Methode wurde auf Spannungsrelaxation in vulkanisiertem Naturkautschuk für verschiedene Strekkungen kleiner als 600% bei Raumtemperatur angewendet. Die Messungen der Änderung des InfrarotDichroismus fanden für die 5 Absorptionsbanden bei 1664, 1380, 1361, 1129 und 844 cm^–1 statt, wobei die letztere eine kristalline Bande ist. Aus den Ergebnissen wird geschlossen, da die beobachtete Spannungsrelaxation in der Hauptsache Orientierung im Amorphen und nicht einer Kristallit-Orientierung zuzuordnen ist. Letztere ist offensichtlich schon unmittelbar nach der Streckung fast vollstÄndig ausgebildet.