Як наповнювач впливає на кристалізаційні властивості полімеру?

Відкриття у 1980-х роках чудових властивостей композитів нейлон 6/глина призвело до численних досліджень наповнених полімерних композитів та оновлення розуміння ролі наповнювачів у полімерах. Нижче розглянемо вплив наповнювачів на кристалізаційну поведінку полімерів.

Вплив наповнювачів на кристалічну морфологію полімерів

Додавання наповнювачів впливає на кристалічну морфологію полімеру:

Кристалічні полімери утворюють різні кристалічні форми за різних умов кристалізації, а сферичні кристали є однією з найпоширеніших характерних форм кристалізації полімерів. За нормальних умов формування та обробки кристалічні полімери зазвичай утворюють сферичні кристалічні форми.

Додавання наповнювачів відіграє певну роль у гетерогенному зародженні та подрібненні зерен:

Великі та розріджені сферичні кристали стають малими та компактними, а подрібнення сферичних кристалів та покращення в'язкості матеріалу є корисними та можуть бути ефективним методом зміцнення полімерів.

Сумісність наповнювача з матрицею смоли також впливає на кристалічну морфологію:

Наприклад, Цяо Фан та ін. виявили, що організований монтморилоніт руйнує сферичну кристалічну структуру нейлону 6, головним чином тому, що молекули нейлону 6 мають сильний ефект зчеплення з частинками організованого монтморилоніту, внаслідок чого рух сегментів молекулярного ланцюга нейлону 6 ускладнюється в процесі кристалізації, і важко рости в симетричному та регулярному розташуванні вздовж радіального напрямку, що перешкоджає процесу росту кристалізації, утворюючи таким чином неповні кристали.

Під час процесу формування волокнистих полімерних композитів волокна можуть відігравати роль зародкоутворення, і сферичні кристали більше не мають умов для тривимірного росту під час процесу росту, який потім набуває форми стовпчастого росту, тобто орієнтованого одновимірного росту, що призводить до утворення поперечних кристалів.

Приклади:

Нуклеуючі агенти – це клас речовин, які можуть змінювати кристалізаційну поведінку смол та змінювати мікроскопічну морфологію полімерів, надаючи їм нових властивостей та функцій, і є гарячою темою сучасних досліджень у країні та за кордоном.

Механізм дії: У розплавленому стані, коли зародкоутворювач забезпечує необхідні зародки, полімер переходить від гомогенної нуклеації до гетерогенної, що прискорює швидкість кристалізації та покращує зернисту структуру, а також покращує жорсткість продукту.

Нуклеуючі агенти можна в основному розділити на неорганічні, органічні та полімерні нуклеуючі агенти. Наночастинкові нуклеуючі агенти стали гарячою точкою дослідження нуклеуючих агентів завдяки їхній численній кількості активних центрів на поверхні, які можуть бути щільно зв'язані з підкладкою та мати кращу сумісність, а частинки нелегко відокремлюються разом під впливом зовнішніх сил.

Вплив наповнювачів на кінетику кристалізації полімерів

Процес кристалізації полімеру складається з двох стадій: зародження та росту. Рівняння Аврамі зазвичай використовується для опису ізотермічного процесу кристалізації полімерів, і знаходячи індекс Аврамі n та константу швидкості кристалізації K, можна визначити механізм росту кристалів та швидкість росту.

Муха М. та ін. у своєму дослідженні кінетики кристалізації поліпропілену, наповненого сажею, виявили, що існує двостадійне явище кристалізації: на ранній стадії кристалізації, пов'язаної з гетерогенним зародженням поліпропілену, зародження на поверхні частинок сажі не відбувалося, зіткнення зародків не обмежувалося; після чого слідувала стадія повільної кристалізації, де швидкість росту сповільнювалася через взаємне зіткнення між кристалами. На ранній стадії кристалізації n становило близько 2.0, тоді як на пізній стадії кристалізації n становило близько 3.0. Також було виявлено, що додавання різної кількості сажі мало різний вплив на значення K та n. За тієї ж температури кристалізації значення K збільшувалося зі збільшенням додавання сажі.

Згідно з рівнянням Аврамі, значення n має бути додатним цілим числом, меншим або рівним 4. На практиці значення n процесу кристалізації полімерів зазвичай є десятковим числом і, здається, дорівнює 5, що вказує на те, що фактичний процес кристалізації відхиляється від рівняння Аврамі та відбувається явище вторинної кристалізації або зіткнення сферичних кристалів.

Модель кристалічної структури наповнених полімерів

В останні десятиліття теорія та експерименти повністю продемонстрували, що дійсно існує перехідна зона між кристалічною та аморфною областями кристалічної речовини. полімери, тобто проміжний шар, який називають кристалічно-аморфною проміжною фазою.

Вплив тальку на структуру кристалічної області, аморфної області та проміжної фази поліетилену низької щільності (ПЕНЩ) було проаналізовано за допомогою динамічної двовимірної інфрачервоної спектроскопії. Результати показують, що додавання тальку вносить певні зміни в модель кристалічної структури ПЕНЩ, і зроблено висновок, що тальк тісно пов'язаний з кристалічною областю, але не з аморфною фазою, що призводить до отриманої структурної схеми.

Вивчення впливу наповнювачів на кристалізаційну поведінку полімерів може призвести до кращого розуміння механізму кристалізації та моделі кристалізації кристалічних полімерів. Більше того, кристалізаційна поведінка наповнених полімерів може безпосередньо впливати на властивості композитів, тому на це слід звернути увагу.

Хоча у вивченні впливу наповнювачів на кристалічні властивості полімерів досягнуто певного прогресу, все ще існує відносна нестача більш поглиблених, систематичних та детальних досліджень, і якщо цей аспект можна буде систематизувати, це має призвести до вищого рівня досліджень у підготовці та властивостях матеріалів.