Dynamical simulated annealing for assessing the high performance nature of poly(ethersulfone)s

Abstract

In order to assess the high performance nature of poly(ethersulfone) or to provide an understanding of its molecular origin, stress-strain measurements were carried out as a function of temperature for neat poly(ethersulfone) as well as its glass-and carbon-reinforced composites. It was observed that the modulus of these samples has not dramatically changed when changing the temperature; instead, the tensile strength values changed on the expense of the elongation at break as to keep the modulus constant. Close inspection of the molecular-level behavior of the material using molecular simulation techniques revealed that the distribution of the dihedral angles around the oxygen and sulfur atoms did not drastically change below the heat deflection temperature, possibly due to the rigidity of the polymeric chains. However, above that temperature the conformational change was evident as the chains exhibited more of the higher energy conformations. Young's modulus predicted for the polymer indicated a good agreement with the experimental observations thus suggesting the validity of the model to describe the real system. Other key elastic constants of the polymer, such as the Poisson values, Lame constants and the compressibility were also evaluated. ZUSAMMENFASSUNG: AlsBeitrag zum Verständnis des molekularen Ursprungs der hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Polyethersulfonen wurden Zugversuche sowohl an reinem als auch an glasund carbonfaserverstärktem Polyethersulfon bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt. Dabei wurde beobachtet, daß der E-Modul der Proben sich mit der Temperatur nicht dramatisch ändert; statt dessen ändert sich die Zugfestigkeit auf Kosten der Bruchdehnung, wobei der E-Modul annähernd konstant bleibt. Simulationsrechnungen auf molekularer Ebene zeigen, daß sich die Verteilung der Diederwinkel um die Sauerstoffund Schwefelatome unterhalb der Temperaturgrenze der Wärmeformbeständigkeit nicht drastisch ändert, vermutlich wegen der Kettensteifheit. Oberhalb dieser Grenztemperatur sind jedoch Konformationsänderungen erkennbar, da die Ketten zunehmend in höherenergetischen Konformationen vorliegen. Die Ü bereinstimmung des aus den Modellrechnungen vorhergesagten E-Moduls mit den experimentell erhaltenen Werten zeigt, daß sich mit dem Modell ein reales System beschreiben läßt. Andere Elastizitätscharakteristika des Polymeren, wie Poisson-Werte, Lame-Konstanten und die Kompressibilität, wurden ebenfalls ermittelt.