Kako punilo utiče na ponašanje polimera pri kristalizaciji?

Otkriće odličnih svojstava kompozita najlon 6/glina tokom 1980-ih dovelo je do brojnih istraživanja punjenih polimernih kompozita i obnovljenog razumijevanja uloge punila u polimerima. Evo pogleda na uticaj punila na ponašanje kristalizacije polimera.

Utjecaj punila na kristalnu morfologiju polimera

Dodavanje punila utiče na kristalnu morfologiju polimera:

Kristalni polimeri formiraju različite kristalne oblike pod različitim uslovima kristalizacije, a sferni kristali su jedan od najčešćih karakterističnih oblika kristalizacije polimera. Pod normalnim uslovima oblikovanja i obrade, kristalni polimeri obično formiraju sferne kristalne oblike.

Dodavanje punila igra ulogu u heterogenom nukleiranju i pročišćavanju zrna:

Veliki i rijetki sferni kristali postaju mali i kompaktni, a pročišćavanje sfernih kristala i poboljšanje žilavosti materijala su korisni i mogu biti učinkovita metoda za ojačavanje polimera.

Kompatibilnost punila sa smolnom matricom također utječe na kristalnu morfologiju:

Na primjer, Qiao Fang i saradnici su otkrili da organizirani montmorilonit uništava sfernu kristalnu strukturu najlona 6, uglavnom zato što molekule najlona 6 imaju snažan efekat spajanja s česticama organiziranog montmorilonita, tako da je kretanje segmenata molekularnog lanca najlona 6 otežano u procesu kristalizacije, te je teško rasti u simetričnom i pravilnom rasporedu duž radijalnog smjera, što otežava proces rasta kristalizacije, stvarajući tako nepotpune kristale.

Tokom procesa oblikovanja vlaknasto punjenih polimernih kompozita, vlakna mogu igrati ulogu nukleacije i sferni kristali više nemaju uslove za trodimenzionalni rast tokom procesa rasta, koji tada poprima oblik stupčastog rasta, tj. orijentiranog jednodimenzionalnog rasta koji proizvodi poprečne kristale.

Primjeri:

Nukleacijski agensi su klasa supstanci koje mogu promijeniti ponašanje kristalizacije smola i promijeniti mikroskopsku morfologiju polimera kako bi im dale nova svojstva i funkcije, te su vruća tema trenutnih istraživanja u zemlji i inostranstvu.

Mehanizam djelovanja: U rastopljenom stanju, kako nukleacijski agens osigurava potrebne nukleuse, polimer se mijenja iz homogene nukleacije u heterogenu nukleaciju, što ubrzava brzinu kristalizacije i pročišćava strukturu zrna, a također poboljšava krutost proizvoda.

Nukleacijski agensi se uglavnom mogu podijeliti na neorganske nukleacijske agense, organske nukleacijske agense i polimerne nukleacijske agense. Nukleacijski agensi nanočestica postali su žarište za istraživanje nukleacijskih agensa zbog svojih brojnih aktivnih centara na površini, koji se mogu čvrsto vezati za podlogu i imaju bolju kompatibilnost, a čestice se ne odvajaju lako zajedno kada su izložene vanjskim silama.

Utjecaj punila na kinetiku kristalizacije polimera

Proces kristalizacije polimera sastoji se od dvije faze: nukleacije i rasta. Avramijeva jednačina se obično koristi za opisivanje izotermnog procesa kristalizacije polimera, a pronalaženjem Avramijevog indeksa n i konstante brzine kristalizacije K, može se izvesti mehanizam rasta kristala i brzina rasta.

Mucha M i saradnici su u svojoj studiji kinetike kristalizacije PP-a punjenog ugljičnim crnilom otkrili da postoji fenomen kristalizacije u dva koraka: u ranoj fazi kristalizacije, povezanoj s heterogenom nukleacijom PP-a, nukleacijom na površini čestica ugljičnog crnila, nije došlo do sudara jezgara u ranoj fazi kristalizacije i rast nije bio ograničen; nakon čega slijedi faza spore kristalizacije gdje je brzina rasta usporena međusobnim sudarima između kristala. U ranoj fazi kristalizacije, n je bio oko 2.0, dok je u kasnijoj fazi kristalizacije n bio oko 3.0. Također je utvrđeno da dodavanje različitih količina ugljičnog crnila ima različite učinke na vrijednosti K i n. Na istoj temperaturi kristalizacije, vrijednost K se povećavala s povećanjem dodavanja ugljičnog crnila.

Prema Avramijevoj jednačini, vrijednost n treba biti pozitivan cijeli broj manji ili jednak 4. U praksi, vrijednost n procesa kristalizacije polimera obično je decimalni broj i čini se da je jednaka 5, što ukazuje na to da stvarni proces kristalizacije odstupa od Avramijeve jednačine i da dolazi do fenomena sekundarne kristalizacije ili sudara sfernih kristala.

Model kristalne strukture punjenih polimera

U posljednjim decenijama, teorija i eksperimenti su u potpunosti pokazali da zaista postoji prelazna zona između kristalnih i amorfnih područja kristalnih... polimeri, tj. međusloj, koji se naziva kristalno-amorfna međufaza.

Utjecaj talka na strukturu kristalnog područja, amorfnog područja i međufaze polietilena niske gustoće (LDPE) analiziran je dinamičkom dvodimenzionalnom infracrvenom spektroskopijom. Rezultati pokazuju da dodatak talka uzrokuje određene promjene u modelu kristalne strukture LDPE-a, te je zaključeno da je talk blisko povezan s kristalnim područjem, ali ne i s amorfnom fazom, što dovodi do izvedene strukturne sheme.

Proučavanje utjecaja punila na ponašanje polimera pri kristalizaciji može dovesti do boljeg razumijevanja mehanizma kristalizacije i modela kristalizacije kristalnih polimera. Štaviše, ponašanje kristalizacije punjenih polimera može direktno utjecati na svojstva kompozita, pa na to treba obratiti pažnju.

Iako je postignut određeni napredak u proučavanju utjecaja punila na kristalna svojstva polimera, još uvijek postoji relativni nedostatak dubljih, sistematskih i detaljnijih studija, a ako se ovaj aspekt može sistematizirati, to bi trebalo dovesti do višeg nivoa istraživanja u pripremi i svojstvima materijala.