रबर लोच: Difference between revisions
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रबड़ लोच क्रॉसलिंक्ड रबड़ की संपत्ति को संदर्भित करता है: इसे अपनी मूल लंबाई से 10 के कारक तक बढ़ाया जा सकता है और जब प्रस्तुत किया जाता है, तो इसकी मूल लंबाई के समीपस्थ वापस कर लिया जाता है। इसे कई बार दोहराया जा सकता है और रबर में कोई स्पष्ट कमी नहीं होती है। रबर सामग्री के बड़े वर्ग का सदस्य है जिसे इलास्टोमर्स कहा जाता है और उनके आर्थिक और तकनीकी महत्व को कम आंकना कठिन है। इलास्टोमर्स ने 20वीं सदी में नई विधियों के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका | '''रबड़ लोच''' क्रॉसलिंक्ड रबड़ की संपत्ति को संदर्भित करता है: इसे अपनी मूल लंबाई से 10 के कारक तक बढ़ाया जा सकता है और जब प्रस्तुत किया जाता है, तो इसकी मूल लंबाई के समीपस्थ वापस कर लिया जाता है। इसे कई बार दोहराया जा सकता है और रबर में कोई स्पष्ट कमी नहीं होती है। रबर सामग्री के बड़े वर्ग का सदस्य है जिसे इलास्टोमर्स कहा जाता है और उनके आर्थिक और तकनीकी महत्व को कम आंकना कठिन है। इलास्टोमर्स ने 20वीं सदी में नई विधियों के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका है और वैश्विक अर्थव्यवस्था में महत्वपूर्ण योगदान दिया है। रबर लोच कई जटिल आणविक प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होता है और इसकी व्याख्या के लिए उन्नत गणित, रसायन विज्ञान और सांख्यिकीय भौतिकी, विशेष रूप से एन्ट्रापी की अवधारणा के ज्ञान की आवश्यकता होती है। [[एंट्रॉपी]] को तापीय ऊर्जा के माप के रूप में माना जा सकता है जो अणु में संग्रहीत होता है। | ||
सामान्य रबर, जैसे कि पॉलीब्यूटाडाइन और पॉलीसोप्रीन (जिसे प्राकृतिक रबर भी कहा जाता है), पोलीमराइज़ेशन नामक प्रक्रिया द्वारा निर्मित होते हैं। बहुत लंबे अणु (बहुलक) रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से छोटी आणविक रीढ़ की इकाइयों को जोड़कर क्रमिक रूप से निर्मित होते हैं। रबर बहुलक तीन आयामों में यादृच्छिक, ज़िगज़ैग पथ का अनुसरण करता है, जो कई अन्य रबर अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करता है। सल्फर जैसे क्रॉस लिंकिंग अणु के कुछ प्रतिशत को जोड़कर इलास्टोमेर बनाया जाता है। गर्म होने पर, क्रॉसलिंकिंग अणु प्रतिक्रिया का कारण बनता है जो रासायनिक रूप से रबर के दो अणुओं को साथ (एक क्रॉसलिंक) साथ जोड़ता है। क्योंकि रबर के अणु इतने लंबे होते हैं, प्रत्येक निरंतर आणविक नेटवर्क बनाने वाले कई अन्य रबर अणुओं के साथ कई क्रॉसलिंक्स में भाग लेता है। | सामान्य रबर, जैसे कि पॉलीब्यूटाडाइन और पॉलीसोप्रीन (जिसे प्राकृतिक रबर भी कहा जाता है), [[पोलीमराइज़ेशन]] नामक प्रक्रिया द्वारा निर्मित होते हैं। इस प्रकार बहुत लंबे अणु (बहुलक) रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से छोटी आणविक रीढ़ की इकाइयों को जोड़कर क्रमिक रूप से निर्मित होते हैं। रबर बहुलक तीन आयामों में यादृच्छिक, ज़िगज़ैग पथ का अनुसरण करता है, जो कई अन्य रबर अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करता है। इस प्रकार सल्फर जैसे क्रॉस लिंकिंग अणु के कुछ प्रतिशत को जोड़कर इलास्टोमेर बनाया जाता है। इस स्थिति में गर्म होने पर, क्रॉसलिंकिंग अणु प्रतिक्रिया का कारण बनता है जो रासायनिक रूप से रबर के दो अणुओं को साथ (एक क्रॉसलिंक) साथ जोड़ता है। क्योंकि रबर के अणु इतने लंबे होते हैं, प्रत्येक निरंतर आणविक नेटवर्क बनाने वाले कई अन्य रबर अणुओं के साथ कई क्रॉसलिंक्स में भाग लेता है। | ||
इस प्रकार जैसे ही रबर बैंड को प्रसारित किया जाता हैं, कुछ नेटवर्क चेन को सीधा होने के लिए विवश किया जाता है और इससे उनकी एंट्रॉपी में कमी आ जाती हैं। यह एन्ट्रापी में कमी है जो नेटवर्क श्रृंखलाओं में लोचदार बल को जन्म देती है। | इस प्रकार जैसे ही रबर बैंड को प्रसारित किया जाता हैं, कुछ नेटवर्क चेन को सीधा होने के लिए विवश किया जाता है और इससे उनकी एंट्रॉपी में कमी आ जाती हैं। यह एन्ट्रापी में कमी है जो नेटवर्क श्रृंखलाओं में लोचदार बल को जन्म देती है। | ||
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उन्नीसवीं शताब्दी के मध्य तक, [[ऊष्मप्रवैगिकी]] के सिद्धांत का विकास हो रहा था और इस ढांचे के भीतर, अंग्रेजी गणितज्ञ और भौतिक विज्ञानी [[लॉर्ड केल्विन]]<ref>Lord Kelvin, Quarterly J. Math., 1, 57 (1857)</ref> दिखाया कि रबर के नमूने को फैलाने के लिए आवश्यक यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन तापमान में वृद्धि के समानुपाती होना चाहिए। बाद में, यह [[एन्ट्रापी]] में परिवर्तन से जुड़ा होगा। ऊष्मप्रवैगिकी का संबंध 1859 में मजबूती से स्थापित हो गया था जब अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी [[जेम्स जौल]] ने रबर के नमूने के रूप में होने वाली तापमान वृद्धि का पहला सावधानीपूर्वक माप प्रकाशित किया था।<ref>Joule JP. On thermodynamic properties of solids. Phil Trans R Soc Lond. 1859;149:91–131.</ref> इस कार्य ने लॉर्ड केल्विन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की गई हैं। | उन्नीसवीं शताब्दी के मध्य तक, [[ऊष्मप्रवैगिकी]] के सिद्धांत का विकास हो रहा था और इस ढांचे के भीतर, अंग्रेजी गणितज्ञ और भौतिक विज्ञानी [[लॉर्ड केल्विन]]<ref>Lord Kelvin, Quarterly J. Math., 1, 57 (1857)</ref> दिखाया कि रबर के नमूने को फैलाने के लिए आवश्यक यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन तापमान में वृद्धि के समानुपाती होना चाहिए। बाद में, यह [[एन्ट्रापी]] में परिवर्तन से जुड़ा होगा। ऊष्मप्रवैगिकी का संबंध 1859 में मजबूती से स्थापित हो गया था जब अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी [[जेम्स जौल]] ने रबर के नमूने के रूप में होने वाली तापमान वृद्धि का पहला सावधानीपूर्वक माप प्रकाशित किया था।<ref>Joule JP. On thermodynamic properties of solids. Phil Trans R Soc Lond. 1859;149:91–131.</ref> इस कार्य ने लॉर्ड केल्विन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की गई हैं। | ||
1838 में अमेरिकी आविष्कारक [[चार्ल्स गुडइयर]] ने पाया कि कुछ प्रतिशत सल्फर मिला कर प्राकृतिक रबर के लोचदार गुणों में अत्यधिक सुधार किया जा सकता है। शॉर्ट सल्फर चेन ने आसन्न पॉलीसोप्रीन अणुओं के बीच रासायनिक क्रॉस-लिंक का निर्माण | 1838 में अमेरिकी आविष्कारक [[चार्ल्स गुडइयर]] ने पाया कि कुछ प्रतिशत सल्फर मिला कर प्राकृतिक रबर के लोचदार गुणों में अत्यधिक सुधार किया जा सकता है। शॉर्ट सल्फर चेन ने आसन्न पॉलीसोप्रीन अणुओं के बीच रासायनिक क्रॉस-लिंक का निर्माण किया था। इससे पहले कि यह क्रॉस-लिंक्ड हो, तरल प्राकृतिक रबर में बहुत लंबे बहुलक अणु होते हैं, जिसमें हजारों [[ आइसोप्रेन |आइसोप्रेन]] बैकबोन इकाइयां होती हैं, जो सिर से पूंछ तक जुड़ी होती हैं जिसमें सामान्यतः चेन के रूप में संदर्भित की गई हैं। प्रत्येक श्रृंखला बहुलक तरल के माध्यम से यादृच्छिक, तीन आयामी पथ का अनुसरण करती है। इस प्रकार हजारों अन्य आस-पास की श्रृंखलाओं के संपर्क में है। जब लगभग 150C तक गर्म किया जाता है, तो प्रतिक्रियाशील क्रॉस-लिंकर अणु, जैसे कि सल्फर या डाइक्यूमिल पेरोक्साइड, विघटित हो सकते हैं और बाद की रासायनिक प्रतिक्रियाएँ आसन्न श्रृंखलाओं के बीच [[रासायनिक बंध]]न उत्पन्न करती हैं। क्रॉसलिंक को 'X' अक्षर के रूप में देखा जा सकता है, लेकिन इसकी कुछ भुजाएँ विमान से बाहर की ओर इंगित करती हैं। परिणामस्वरूप तीन आयामी आण्विक नेटवर्क प्राप्त होते हैं। पॉलीसोप्रीन के सभी अणु इन रासायनिक बंधों (नेटवर्क नोड्स) द्वारा कई बिंदुओं पर साथ जुड़े होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विशाल अणु होता है और इस प्रकार मूल लंबे [[ पॉलीमर |पॉलीमर]] के बारे में सभी जानकारी विलुप्त हो जाती हैं। रबड़ बैंड अणु है, जैसा कि लेटेक्स दस्ताने है, जो दो आसन्न क्रॉस-लिंक्स के बीच पॉलीसोप्रीन के वर्गों को नेटवर्क चेन कहा जाता है और इसमें कई सौ आइसोप्रीन इकाइयां हो सकती हैं। प्राकृतिक रबड़ में, प्रत्येक क्रॉस-लिंक नेटवर्क नोड उत्पन्न करता है जिसमें से चार श्रृंखलाएं निकलती हैं। यह वह नेटवर्क है जो लोचदार गुणों को जन्म देता है। | ||
रबर के विशाल आर्थिक और तकनीकी महत्व के कारण, यह भविष्यवाणी करना कि कैसे आणविक नेटवर्क यांत्रिक उपभेदों पर प्रतिक्रिया करता है, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए स्थायी रुचि रही है। रबर के लोचदार गुणों को समझने के लिए, सैद्धांतिक रूप से, आणविक स्तर पर होने वाले दोनों भौतिक तंत्रों को जानना आवश्यक है और बहुलक श्रृंखला की यादृच्छिक-चलना प्रकृति नेटवर्क को कैसे परिभाषित करती है। बहुलक श्रृंखलाओं के छोटे वर्गों के भीतर होने वाले भौतिक तंत्र लोचदार बलों का उत्पादन करते हैं और नेटवर्क आकृति विज्ञान यह निर्धारित करता है कि ये बल मैक्रोस्कोपिक [[तनाव (यांत्रिकी)]] का उत्पादन करने के लिए कैसे गठबंधन करते हैं, जिसे हम रबड़ के नमूने के विकृत होने पर देखते हैं, उदाहरण के लिए इसे [[विरूपण (यांत्रिकी)]] के अधीन माना जाता हैं। | रबर के विशाल आर्थिक और तकनीकी महत्व के कारण, यह भविष्यवाणी करना कि कैसे आणविक नेटवर्क यांत्रिक उपभेदों पर प्रतिक्रिया करता है, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए स्थायी रुचि रही है। रबर के लोचदार गुणों को समझने के लिए, सैद्धांतिक रूप से, आणविक स्तर पर होने वाले दोनों भौतिक तंत्रों को जानना आवश्यक है और बहुलक श्रृंखला की यादृच्छिक-चलना प्रकृति नेटवर्क को कैसे परिभाषित करती है। बहुलक श्रृंखलाओं के छोटे वर्गों के भीतर होने वाले भौतिक तंत्र लोचदार बलों का उत्पादन करते हैं और नेटवर्क आकृति विज्ञान यह निर्धारित करता है कि ये बल मैक्रोस्कोपिक [[तनाव (यांत्रिकी)]] का उत्पादन करने के लिए कैसे गठबंधन करते हैं, जिसे हम रबड़ के नमूने के विकृत होने पर देखते हैं, उदाहरण के लिए इसे [[विरूपण (यांत्रिकी)]] के अधीन माना जाता हैं। | ||
== आण्विक स्तर के मॉडल == | == आण्विक स्तर के मॉडल == | ||
वास्तव में कई भौतिक तंत्र हैं जो नेटवर्क श्रृंखलाओं के भीतर लोचदार बल उत्पन्न करते हैं क्योंकि रबड़ का नमूना फैला हुआ है। इनमें से दो एन्ट्रापी परिवर्तन से उत्पन्न होते हैं और चेन बैकबोन के साथ आणविक बंधन कोणों की विकृति से जुड़ा होता है। ये तीन तंत्र तुरंत स्पष्ट होते हैं जब मध्यम मोटे रबर के नमूने को मौलिक रूप से खींचा जाता है। प्रारंभ में, रबर अधिक कठोर महसूस होता है, अर्थात तनाव के संबंध में बल को उच्च दर से बढ़ाया जाना चाहिए। मध्यवर्ती उपभेदों पर, समान मात्रा में खिंचाव उत्पन्न करने के लिए बल में आवश्यक वृद्धि बहुत कम होती है। अंत में, जैसे ही नमूना ब्रेकिंग पॉइंट तक पहुंचता है, इसकी कठोरता स्पष्ट रूप से बढ़ जाती है। प्रेक्षक जो देख रहा है वह [[लोच के मापांक]] में परिवर्तन है जो विभिन्न आणविक तंत्रों के कारण होता है। इन क्षेत्रों को चित्र 1 में देखा जा सकता है, प्राकृतिक रबर के लिए विशिष्ट तनाव की माप की जाती हैं। जिसमें तीन तंत्र (लेबल Ia, Ib और II) मुख्य रूप से भूखंड पर दिखाए गए क्षेत्रों के अनुरूप होते हैं। एंट्रॉपी [[सांख्यिकीय यांत्रिकी]] की अवधारणा हमारे पास गणितीय भौतिकी के क्षेत्र से आती है जिसे सांख्यिकीय यांत्रिकी कहा जाता है जो बड़े तापीय प्रणालियों के अध्ययन से संबंधित है, उदाहरण के लिए कमरे के तापमान पर रबर नेटवर्क इसका मुख्य उदाहरण हैं। यद्यपि घटक श्रृंखलाओं का विस्तृत व्यवहार यादृच्छिक है और व्यक्तिगत रूप से अध्ययन करने के लिए बहुत जटिल है, हम बड़े नमूने के सांख्यिकीय यांत्रिकी विश्लेषण से उनके 'औसत' व्यवहार के बारे में बहुत उपयोगी जानकारी प्राप्त कर सकते हैं। इस प्रकार हमारे दैनिक अनुभवों में एंट्रॉपी परिवर्तन कैसे बल उत्पन्न कर सकते हैं इसका कोई अन्य उदाहरण नहीं है। बहुलक शृंखलाओं में एंट्रोपिक बलों को तापीय टक्करों से उत्पन्न होने वाला माना जा सकता है जो उनके घटक परमाणुओं को इसके समीप की सामग्री के साथ अनुभव करते हैं। यह निरंतर धक्का-मुक्की है जो जंजीरों में प्रतिरोधी (लोचदार) बल उत्पन्न करती है क्योंकि उन्हें सीधा होने के लिए विवश किया जाता है। रबर के नमूने को खींचना लोच का सबसे सरल उदाहरण है, यह तब भी होता है जब रबर को संकुचित किया जाता है। संपीड़न को दो आयामी विस्तार के रूप में माना जा सकता है जब गुब्बारा फुलाया जाता है। लोचदार बल उत्पन्न करने वाले आणविक तंत्र सभी प्रकार के तनाव के लिए समान हैं। | वास्तव में कई भौतिक तंत्र हैं जो नेटवर्क श्रृंखलाओं के भीतर लोचदार बल उत्पन्न करते हैं क्योंकि रबड़ का नमूना फैला हुआ है। इनमें से दो एन्ट्रापी परिवर्तन से उत्पन्न होते हैं और चेन बैकबोन के साथ आणविक बंधन कोणों की विकृति से जुड़ा होता है। ये तीन तंत्र तुरंत स्पष्ट होते हैं जब मध्यम मोटे रबर के नमूने को मौलिक रूप से खींचा जाता है। प्रारंभ में, रबर अधिक कठोर महसूस होता है, अर्थात तनाव के संबंध में बल को उच्च दर से बढ़ाया जाना चाहिए। मध्यवर्ती उपभेदों पर, समान मात्रा में खिंचाव उत्पन्न करने के लिए बल में आवश्यक वृद्धि बहुत कम होती है। अंत में, जैसे ही नमूना ब्रेकिंग पॉइंट तक पहुंचता है, इसकी कठोरता स्पष्ट रूप से बढ़ जाती है। प्रेक्षक जो देख रहा है वह [[लोच के मापांक]] में परिवर्तन है जो विभिन्न आणविक तंत्रों के कारण होता है। इन क्षेत्रों को चित्र 1 में देखा जा सकता है, [[प्राकृतिक रबर]] के लिए विशिष्ट तनाव की माप की जाती हैं। जिसमें तीन तंत्र (लेबल Ia, Ib और II) मुख्य रूप से भूखंड पर दिखाए गए क्षेत्रों के अनुरूप होते हैं। एंट्रॉपी [[सांख्यिकीय यांत्रिकी]] की अवधारणा हमारे पास गणितीय भौतिकी के क्षेत्र से आती है जिसे सांख्यिकीय यांत्रिकी कहा जाता है जो बड़े तापीय प्रणालियों के अध्ययन से संबंधित है, उदाहरण के लिए कमरे के तापमान पर रबर नेटवर्क इसका मुख्य उदाहरण हैं। यद्यपि घटक श्रृंखलाओं का विस्तृत व्यवहार यादृच्छिक है और व्यक्तिगत रूप से अध्ययन करने के लिए बहुत जटिल है, हम बड़े नमूने के सांख्यिकीय यांत्रिकी विश्लेषण से उनके 'औसत' व्यवहार के बारे में बहुत उपयोगी जानकारी प्राप्त कर सकते हैं। इस प्रकार हमारे दैनिक अनुभवों में एंट्रॉपी परिवर्तन कैसे बल उत्पन्न कर सकते हैं इसका कोई अन्य उदाहरण नहीं है। बहुलक शृंखलाओं में एंट्रोपिक बलों को तापीय टक्करों से उत्पन्न होने वाला माना जा सकता है जो उनके घटक परमाणुओं को इसके समीप की सामग्री के साथ अनुभव करते हैं। यह निरंतर धक्का-मुक्की है जो जंजीरों में प्रतिरोधी (लोचदार) बल उत्पन्न करती है क्योंकि उन्हें सीधा होने के लिए विवश किया जाता है। रबर के नमूने को खींचना लोच का सबसे सरल उदाहरण है, यह तब भी होता है जब रबर को संकुचित किया जाता है। संपीड़न को दो आयामी विस्तार के रूप में माना जा सकता है जब गुब्बारा फुलाया जाता है। लोचदार बल उत्पन्न करने वाले आणविक तंत्र सभी प्रकार के तनाव के लिए समान हैं। | ||
जब इन लोचदार बल मॉडल को नेटवर्क के जटिल आकारिकी के साथ जोड़ दिया जाता है, तो मैक्रोस्कोपिक तनाव की भविष्यवाणी करने के लिए सरल विश्लेषणात्मक सूत्र प्राप्त करना संभव नहीं होता है। यह केवल कंप्यूटरों पर संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से है कि रबर के नमूने के तनाव और अंतिम विफलता की भविष्यवाणी करने के लिए आणविक बलों और नेटवर्क आकृति विज्ञान के बीच जटिल वार्तालाभ को पकड़ना संभव है क्योंकि यह तनावपूर्ण है। | जब इन लोचदार बल मॉडल को नेटवर्क के जटिल आकारिकी के साथ जोड़ दिया जाता है, तो मैक्रोस्कोपिक तनाव की भविष्यवाणी करने के लिए सरल विश्लेषणात्मक सूत्र प्राप्त करना संभव नहीं होता है। यह केवल कंप्यूटरों पर संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से है कि रबर के नमूने के तनाव और अंतिम विफलता की भविष्यवाणी करने के लिए आणविक बलों और नेटवर्क आकृति विज्ञान के बीच जटिल वार्तालाभ को पकड़ना संभव है क्योंकि यह तनावपूर्ण है। | ||
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[[File:Fig_3_Probability_distribution_for_typical_network_chain.jpg|thumb|माध्य क्रॉस-लिंक नोड रिक्ति (2.9 एनएम) की इकाइयों में औसत नेटवर्क श्रृंखला बनाम एंड-टू-एंड दूरी के लिए संभावना घनत्व, एन = 52, बी = 0.96 एनएम।]] | [[File:Fig_3_Probability_distribution_for_typical_network_chain.jpg|thumb|माध्य क्रॉस-लिंक नोड रिक्ति (2.9 एनएम) की इकाइयों में औसत नेटवर्क श्रृंखला बनाम एंड-टू-एंड दूरी के लिए संभावना घनत्व, एन = 52, बी = 0.96 एनएम।]] | ||
एक प्राकृतिक रबर नेटवर्क की जटिल आकृति विज्ञान को चित्र 3 में देखा जा सकता है, जो 'औसत' श्रृंखला के लिए प्रायिकता घनत्व बनाम एंड-टू-एंड दूरी (औसत नोड रिक्ति की इकाइयों में) को दर्शाता है। इस प्रकार 4x10<sup>19</sup> सेमी<sup>-3</sup> के सामान्य प्रयोगात्मक क्रॉस-लिंक घनत्व के लिए, औसत श्रृंखला में लगभग 116 आइसोप्रीन इकाइयाँ (52 कुह्न लंबाई) होती हैं, इसकी समोच्च लंबाई लगभग 50 एनएम होती है। चित्र 3 से पता चलता है कि जंजीरों का महत्वपूर्ण अंश कई नोड स्पेसिंग फैलाता है, अर्थात, श्रृंखला समाप्त अन्य नेटवर्क श्रृंखलाओं को ओवरलैप करती है। प्राकृतिक रबर, डाइक्यूमिल पेरोक्साइड के साथ क्रॉस-लिंक्ड, टेट्रा-फंक्शनल क्रॉस-लिंक्स हैं, अर्थात प्रत्येक क्रॉस-लिंक नोड में 4 नेटवर्क चेन निकलती हैं। इस प्रकार तनाव अक्ष के संबंध में उनकी प्रारंभिक वक्रता और उनके समापन बिंदुओं के उन्मुखीकरण के आधार पर, सक्रिय क्रॉस-लिंक नोड से जुड़ी प्रत्येक श्रृंखला में अलग लोचदार हुक का नियम हो सकता है क्योंकि यह लागू तनाव का विरोध करता है। प्रत्येक क्रॉस-लिंक नोड पर बल संतुलन (शून्य शुद्ध बल) को संरक्षित करने के लिए, नोड को श्रृंखला विस्तार के लिए उच्चतम बल स्थिरांक वाली श्रृंखला के साथ मिलकर चलने के लिए विवश किया जा सकता है। इस प्रकार यह जटिल नोड गति है, जो नेटवर्क आकृति विज्ञान की यादृच्छिक प्रकृति से उत्पन्न होती है, जो रबर नेटवर्क के यांत्रिक गुणों के अध्ययन को इतना कठिन बना देती है। जैसे-जैसे नेटवर्क तनावपूर्ण होता है, इन अधिक विस्तारित श्रृंखलाओं से बने पथ उभर कर सामने आते हैं जो पूरे नमूने को फैलाते हैं, और यही वे रास्ते हैं जो अधिकांश तनाव को उच्च तनाव में ले जाते हैं। | एक प्राकृतिक रबर नेटवर्क की जटिल आकृति विज्ञान को चित्र 3 में देखा जा सकता है, जो 'औसत' श्रृंखला के लिए प्रायिकता घनत्व बनाम एंड-टू-एंड दूरी (औसत नोड रिक्ति की इकाइयों में) को दर्शाता है। इस प्रकार 4x10<sup>19</sup> सेमी<sup>-3</sup> के सामान्य प्रयोगात्मक क्रॉस-लिंक घनत्व के लिए, औसत श्रृंखला में लगभग 116 आइसोप्रीन इकाइयाँ (52 कुह्न लंबाई) होती हैं, इसकी समोच्च लंबाई लगभग 50 एनएम होती है। चित्र 3 से पता चलता है कि जंजीरों का महत्वपूर्ण अंश कई नोड स्पेसिंग फैलाता है, अर्थात, श्रृंखला समाप्त अन्य नेटवर्क श्रृंखलाओं को ओवरलैप करती है। प्राकृतिक रबर, डाइक्यूमिल पेरोक्साइड के साथ क्रॉस-लिंक्ड, टेट्रा-फंक्शनल क्रॉस-लिंक्स हैं, अर्थात प्रत्येक क्रॉस-लिंक नोड में 4 नेटवर्क चेन निकलती हैं। इस प्रकार तनाव अक्ष के संबंध में उनकी प्रारंभिक वक्रता और उनके समापन बिंदुओं के उन्मुखीकरण के आधार पर, सक्रिय क्रॉस-लिंक नोड से जुड़ी प्रत्येक श्रृंखला में अलग लोचदार हुक का नियम हो सकता है क्योंकि यह लागू तनाव का विरोध करता है। प्रत्येक क्रॉस-लिंक नोड पर बल संतुलन (शून्य शुद्ध बल) को संरक्षित करने के लिए, नोड को श्रृंखला विस्तार के लिए उच्चतम बल स्थिरांक वाली श्रृंखला के साथ मिलकर चलने के लिए विवश किया जा सकता है। इस प्रकार यह जटिल नोड गति है, जो नेटवर्क आकृति विज्ञान की यादृच्छिक प्रकृति से उत्पन्न होती है, जो रबर नेटवर्क के यांत्रिक गुणों के अध्ययन को इतना कठिन बना देती है। जैसे-जैसे नेटवर्क तनावपूर्ण होता है, इन अधिक विस्तारित श्रृंखलाओं से बने पथ उभर कर सामने आते हैं जो पूरे नमूने को फैलाते हैं, और यही वे रास्ते हैं जो अधिकांश तनाव को उच्च तनाव में ले जाते हैं। | ||
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Latest revision as of 11:09, 10 March 2023
रबड़ लोच क्रॉसलिंक्ड रबड़ की संपत्ति को संदर्भित करता है: इसे अपनी मूल लंबाई से 10 के कारक तक बढ़ाया जा सकता है और जब प्रस्तुत किया जाता है, तो इसकी मूल लंबाई के समीपस्थ वापस कर लिया जाता है। इसे कई बार दोहराया जा सकता है और रबर में कोई स्पष्ट कमी नहीं होती है। रबर सामग्री के बड़े वर्ग का सदस्य है जिसे इलास्टोमर्स कहा जाता है और उनके आर्थिक और तकनीकी महत्व को कम आंकना कठिन है। इलास्टोमर्स ने 20वीं सदी में नई विधियों के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका है और वैश्विक अर्थव्यवस्था में महत्वपूर्ण योगदान दिया है। रबर लोच कई जटिल आणविक प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित होता है और इसकी व्याख्या के लिए उन्नत गणित, रसायन विज्ञान और सांख्यिकीय भौतिकी, विशेष रूप से एन्ट्रापी की अवधारणा के ज्ञान की आवश्यकता होती है। एंट्रॉपी को तापीय ऊर्जा के माप के रूप में माना जा सकता है जो अणु में संग्रहीत होता है।
सामान्य रबर, जैसे कि पॉलीब्यूटाडाइन और पॉलीसोप्रीन (जिसे प्राकृतिक रबर भी कहा जाता है), पोलीमराइज़ेशन नामक प्रक्रिया द्वारा निर्मित होते हैं। इस प्रकार बहुत लंबे अणु (बहुलक) रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से छोटी आणविक रीढ़ की इकाइयों को जोड़कर क्रमिक रूप से निर्मित होते हैं। रबर बहुलक तीन आयामों में यादृच्छिक, ज़िगज़ैग पथ का अनुसरण करता है, जो कई अन्य रबर अणुओं के साथ परस्पर क्रिया करता है। इस प्रकार सल्फर जैसे क्रॉस लिंकिंग अणु के कुछ प्रतिशत को जोड़कर इलास्टोमेर बनाया जाता है। इस स्थिति में गर्म होने पर, क्रॉसलिंकिंग अणु प्रतिक्रिया का कारण बनता है जो रासायनिक रूप से रबर के दो अणुओं को साथ (एक क्रॉसलिंक) साथ जोड़ता है। क्योंकि रबर के अणु इतने लंबे होते हैं, प्रत्येक निरंतर आणविक नेटवर्क बनाने वाले कई अन्य रबर अणुओं के साथ कई क्रॉसलिंक्स में भाग लेता है।
इस प्रकार जैसे ही रबर बैंड को प्रसारित किया जाता हैं, कुछ नेटवर्क चेन को सीधा होने के लिए विवश किया जाता है और इससे उनकी एंट्रॉपी में कमी आ जाती हैं। यह एन्ट्रापी में कमी है जो नेटवर्क श्रृंखलाओं में लोचदार बल को जन्म देती है।
इतिहास
15वीं शताब्दी के अंत में नई दुनिया से यूरोप में इसकी प्रारंभ के बाद, प्राकृतिक रबर (पॉलीसोप्रीन) को ज्यादातर आकर्षक जिज्ञासा के रूप में माना जाता था। इसका सबसे उपयोगी अनुप्रयोग कागज पर पेंसिल के निशान को रगड़ कर मिटाने की क्षमता थी, इसलिए इसका यह नाम रखा गया था। इसके सबसे विशिष्ट गुणों में से तापमान में साधारण (लेकिन पता लगाने योग्य) वृद्धि है जो तब होती है जब रबर का नमूना खींचा जाता है। यदि इसे जल्दी से वापस लेने की अनुमति दी जाती है, तो इस प्रकार समान मात्रा में शीतलन देखा जाता है। इस प्रकार इस घटना ने अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जॉन गफ (प्राकृतिक दार्शनिक) का ध्यान आकर्षित किया हैं। 1805 में उन्होंने इस विशेषता पर कुछ गुणात्मक टिप्पणियों को प्रकाशित किया और यह भी बताया कि तापमान के साथ आवश्यक तनन बल कैसे बढ़ता है।[1]
उन्नीसवीं शताब्दी के मध्य तक, ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांत का विकास हो रहा था और इस ढांचे के भीतर, अंग्रेजी गणितज्ञ और भौतिक विज्ञानी लॉर्ड केल्विन[2] दिखाया कि रबर के नमूने को फैलाने के लिए आवश्यक यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन तापमान में वृद्धि के समानुपाती होना चाहिए। बाद में, यह एन्ट्रापी में परिवर्तन से जुड़ा होगा। ऊष्मप्रवैगिकी का संबंध 1859 में मजबूती से स्थापित हो गया था जब अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जेम्स जौल ने रबर के नमूने के रूप में होने वाली तापमान वृद्धि का पहला सावधानीपूर्वक माप प्रकाशित किया था।[3] इस कार्य ने लॉर्ड केल्विन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की गई हैं।
1838 में अमेरिकी आविष्कारक चार्ल्स गुडइयर ने पाया कि कुछ प्रतिशत सल्फर मिला कर प्राकृतिक रबर के लोचदार गुणों में अत्यधिक सुधार किया जा सकता है। शॉर्ट सल्फर चेन ने आसन्न पॉलीसोप्रीन अणुओं के बीच रासायनिक क्रॉस-लिंक का निर्माण किया था। इससे पहले कि यह क्रॉस-लिंक्ड हो, तरल प्राकृतिक रबर में बहुत लंबे बहुलक अणु होते हैं, जिसमें हजारों आइसोप्रेन बैकबोन इकाइयां होती हैं, जो सिर से पूंछ तक जुड़ी होती हैं जिसमें सामान्यतः चेन के रूप में संदर्भित की गई हैं। प्रत्येक श्रृंखला बहुलक तरल के माध्यम से यादृच्छिक, तीन आयामी पथ का अनुसरण करती है। इस प्रकार हजारों अन्य आस-पास की श्रृंखलाओं के संपर्क में है। जब लगभग 150C तक गर्म किया जाता है, तो प्रतिक्रियाशील क्रॉस-लिंकर अणु, जैसे कि सल्फर या डाइक्यूमिल पेरोक्साइड, विघटित हो सकते हैं और बाद की रासायनिक प्रतिक्रियाएँ आसन्न श्रृंखलाओं के बीच रासायनिक बंधन उत्पन्न करती हैं। क्रॉसलिंक को 'X' अक्षर के रूप में देखा जा सकता है, लेकिन इसकी कुछ भुजाएँ विमान से बाहर की ओर इंगित करती हैं। परिणामस्वरूप तीन आयामी आण्विक नेटवर्क प्राप्त होते हैं। पॉलीसोप्रीन के सभी अणु इन रासायनिक बंधों (नेटवर्क नोड्स) द्वारा कई बिंदुओं पर साथ जुड़े होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विशाल अणु होता है और इस प्रकार मूल लंबे पॉलीमर के बारे में सभी जानकारी विलुप्त हो जाती हैं। रबड़ बैंड अणु है, जैसा कि लेटेक्स दस्ताने है, जो दो आसन्न क्रॉस-लिंक्स के बीच पॉलीसोप्रीन के वर्गों को नेटवर्क चेन कहा जाता है और इसमें कई सौ आइसोप्रीन इकाइयां हो सकती हैं। प्राकृतिक रबड़ में, प्रत्येक क्रॉस-लिंक नेटवर्क नोड उत्पन्न करता है जिसमें से चार श्रृंखलाएं निकलती हैं। यह वह नेटवर्क है जो लोचदार गुणों को जन्म देता है।
रबर के विशाल आर्थिक और तकनीकी महत्व के कारण, यह भविष्यवाणी करना कि कैसे आणविक नेटवर्क यांत्रिक उपभेदों पर प्रतिक्रिया करता है, वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए स्थायी रुचि रही है। रबर के लोचदार गुणों को समझने के लिए, सैद्धांतिक रूप से, आणविक स्तर पर होने वाले दोनों भौतिक तंत्रों को जानना आवश्यक है और बहुलक श्रृंखला की यादृच्छिक-चलना प्रकृति नेटवर्क को कैसे परिभाषित करती है। बहुलक श्रृंखलाओं के छोटे वर्गों के भीतर होने वाले भौतिक तंत्र लोचदार बलों का उत्पादन करते हैं और नेटवर्क आकृति विज्ञान यह निर्धारित करता है कि ये बल मैक्रोस्कोपिक तनाव (यांत्रिकी) का उत्पादन करने के लिए कैसे गठबंधन करते हैं, जिसे हम रबड़ के नमूने के विकृत होने पर देखते हैं, उदाहरण के लिए इसे विरूपण (यांत्रिकी) के अधीन माना जाता हैं।
आण्विक स्तर के मॉडल
वास्तव में कई भौतिक तंत्र हैं जो नेटवर्क श्रृंखलाओं के भीतर लोचदार बल उत्पन्न करते हैं क्योंकि रबड़ का नमूना फैला हुआ है। इनमें से दो एन्ट्रापी परिवर्तन से उत्पन्न होते हैं और चेन बैकबोन के साथ आणविक बंधन कोणों की विकृति से जुड़ा होता है। ये तीन तंत्र तुरंत स्पष्ट होते हैं जब मध्यम मोटे रबर के नमूने को मौलिक रूप से खींचा जाता है। प्रारंभ में, रबर अधिक कठोर महसूस होता है, अर्थात तनाव के संबंध में बल को उच्च दर से बढ़ाया जाना चाहिए। मध्यवर्ती उपभेदों पर, समान मात्रा में खिंचाव उत्पन्न करने के लिए बल में आवश्यक वृद्धि बहुत कम होती है। अंत में, जैसे ही नमूना ब्रेकिंग पॉइंट तक पहुंचता है, इसकी कठोरता स्पष्ट रूप से बढ़ जाती है। प्रेक्षक जो देख रहा है वह लोच के मापांक में परिवर्तन है जो विभिन्न आणविक तंत्रों के कारण होता है। इन क्षेत्रों को चित्र 1 में देखा जा सकता है, प्राकृतिक रबर के लिए विशिष्ट तनाव की माप की जाती हैं। जिसमें तीन तंत्र (लेबल Ia, Ib और II) मुख्य रूप से भूखंड पर दिखाए गए क्षेत्रों के अनुरूप होते हैं। एंट्रॉपी सांख्यिकीय यांत्रिकी की अवधारणा हमारे पास गणितीय भौतिकी के क्षेत्र से आती है जिसे सांख्यिकीय यांत्रिकी कहा जाता है जो बड़े तापीय प्रणालियों के अध्ययन से संबंधित है, उदाहरण के लिए कमरे के तापमान पर रबर नेटवर्क इसका मुख्य उदाहरण हैं। यद्यपि घटक श्रृंखलाओं का विस्तृत व्यवहार यादृच्छिक है और व्यक्तिगत रूप से अध्ययन करने के लिए बहुत जटिल है, हम बड़े नमूने के सांख्यिकीय यांत्रिकी विश्लेषण से उनके 'औसत' व्यवहार के बारे में बहुत उपयोगी जानकारी प्राप्त कर सकते हैं। इस प्रकार हमारे दैनिक अनुभवों में एंट्रॉपी परिवर्तन कैसे बल उत्पन्न कर सकते हैं इसका कोई अन्य उदाहरण नहीं है। बहुलक शृंखलाओं में एंट्रोपिक बलों को तापीय टक्करों से उत्पन्न होने वाला माना जा सकता है जो उनके घटक परमाणुओं को इसके समीप की सामग्री के साथ अनुभव करते हैं। यह निरंतर धक्का-मुक्की है जो जंजीरों में प्रतिरोधी (लोचदार) बल उत्पन्न करती है क्योंकि उन्हें सीधा होने के लिए विवश किया जाता है। रबर के नमूने को खींचना लोच का सबसे सरल उदाहरण है, यह तब भी होता है जब रबर को संकुचित किया जाता है। संपीड़न को दो आयामी विस्तार के रूप में माना जा सकता है जब गुब्बारा फुलाया जाता है। लोचदार बल उत्पन्न करने वाले आणविक तंत्र सभी प्रकार के तनाव के लिए समान हैं।
जब इन लोचदार बल मॉडल को नेटवर्क के जटिल आकारिकी के साथ जोड़ दिया जाता है, तो मैक्रोस्कोपिक तनाव की भविष्यवाणी करने के लिए सरल विश्लेषणात्मक सूत्र प्राप्त करना संभव नहीं होता है। यह केवल कंप्यूटरों पर संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से है कि रबर के नमूने के तनाव और अंतिम विफलता की भविष्यवाणी करने के लिए आणविक बलों और नेटवर्क आकृति विज्ञान के बीच जटिल वार्तालाभ को पकड़ना संभव है क्योंकि यह तनावपूर्ण है।
रबर लोच के लिए आणविक किंक प्रतिमान[4]
प्राकृतिक रबर नेटवर्क के लिए तनाव तथा तन्यता तनाव के बीच के अन्तर की व्याख्या की जाती हैं। इस प्रकार ट्रेलोअर (ठोस नीला), सैद्धांतिक सिमुलेशन (धराशायी लाल) द्वारा प्रायोगिक डेटा का उपयोग किया जाता हैं।
मॉलिक्यूलर किंक प्रतिमान सहज धारणा से आगे बढ़ता है कि प्राकृतिक रबर (आइसोप्रीन) नेटवर्क बनाने वाली आणविक श्रृंखलाएं 'ट्यूब' के भीतर रहने के लिए आसपास की जंजीरों से विवश हैं। श्रृंखला में उत्पन्न लोचदार बल, कुछ लागू तनाव के परिणामस्वरूप, इस ट्यूब के भीतर श्रृंखला समोच्च के साथ प्रचारित होते हैं। चित्र 2 प्रत्येक छोर पर अतिरिक्त कार्बन परमाणु के साथ चार-कार्बन आइसोप्रीन बैकबोन इकाई का प्रतिनिधित्व दिखाता है, जो श्रृंखला पर आसन्न इकाइयों से इसके कनेक्शन को इंगित करता है। इसमें तीन सिंगल C-C बॉन्ड और डबल बॉन्ड होता है। यह मुख्य रूप से सीसी सिंगल बॉन्ड के बारे में घूर्णन करके है कि पॉलीसोप्रीन श्रृंखला यादृच्छिक रूप से इसकी संभावित अनुरूपताओं की पड़ताल करती है। इस प्रकार दो और तीन आइसोप्रीन इकाइयों के बीच वाली श्रृंखला के खंडों में पर्याप्त लचीलापन है कि उन्हें दूसरे से सांख्यिकीय रूप से असंबद्ध माना जा सकता है। यही है, इस दूरी से अधिक दूरी के लिए श्रृंखला के साथ कोई दिशात्मक संबंध नहीं है, जिसे कुह्न लंबाई कहा जाता है। ये गैर-सीधे क्षेत्र 'किंक्स' की अवधारणा को उद्घाटित करते हैं और वास्तव में रैंडम वॉक हायर डायमेंशन या रैंडम-वॉक प्रकृति की श्रृंखला की अभिव्यक्ति हैं। चूँकि इस प्रकार किंक कई आइसोप्रीन इकाइयों से बना होता है, जिनमें से प्रत्येक में तीन कार्बन-कार्बन सिंगल बॉन्ड होते हैं, किंक के लिए कई संभावित अनुरूपताएँ उपलब्ध होती हैं, जिनमें से प्रत्येक में अलग ऊर्जा और अंत-टू-एंड दूरी होती है। सेकंड से लेकर मिनट तक के समय के पैमाने पर, श्रृंखला के केवल इन अपेक्षाकृत छोटे वर्गों, अर्थात किंक, में उनके संभावित घूर्णी अनुरूपताओं के बीच स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त मात्रा है। ऊष्मीय इंटरैक्शन किंक को निरंतर प्रवाह की स्थिति में रखते हैं, क्योंकि वे अपने सभी संभावित घूर्णी अनुरूपताओं के बीच संक्रमण करते हैं। क्योंकि किंक ऊष्मीय संतुलन में हैं, संभावना है कि किसी घूर्णी रचना में किंक रहता है, बोल्ट्जमान वितरण द्वारा दिया जाता है और हम एंट्रॉपी सांख्यिकीय यांत्रिकी को इसकी एंड-टू-एंड दूरी के साथ जोड़ सकते हैं। कुह्न लंबाई के अंत से अंत तक की दूरी के लिए संभाव्यता वितरण लगभग सामान्य वितरण है और प्रत्येक स्थिति (घूर्णी रचना) के लिए बोल्ट्जमान संभाव्यता कारकों द्वारा निर्धारित किया जाता है। जैसा कि रबर नेटवर्क फैला हुआ है, कुछ