Kuidas mõjutab täiteaine polümeeri kristallisatsioonikäitumist?

1980. aastatel avastatud nailon-6/savi komposiitide suurepärased omadused viisid ulatusliku uurimistööni täidetud polümeerkomposiitide kohta ja uue arusaamani täiteainete rollist polümeerides. Siin on ülevaade täiteainete mõjust polümeeride kristalliseerumiskäitumisele.

Täiteainete mõju polümeeride kristallilisele morfoloogiale

Täiteainete lisamine mõjutab polümeeri kristallilist morfoloogiat：

Kristallilised polümeerid moodustavad erinevates kristallisatsioonitingimustes erinevaid kristallilisi vorme ja sfäärilised kristallid on üks levinumaid polümeeri kristallisatsiooni iseloomulikke vorme. Tavapärastes vormimis- ja töötlemistingimustes moodustavad kristallilised polümeerid tavaliselt sfäärilisi kristallilisi vorme.

Täiteainete lisamine mängib rolli terade heterogeenses tuumastumises ja rafineerimises ：

Suured ja hõredad sfäärilised kristallid muutuvad väikesteks ja kompaktseteks ning sfääriliste kristallide täiustamine ja materjali sitkuse parandamine on kasulikud ja võivad olla tõhusaks meetodiks polümeeride karastamiseks.

Täiteaine ühilduvus vaigumaatriksiga mõjutab ka kristallilist morfoloogiat ：

Näiteks leidsid Qiao Fang jt, et orgaaniline montmorilloniit hävitab nailon 6 sfäärilise kristallstruktuuri, peamiselt seetõttu, et nailon 6 molekulidel on tugev sidestusmõju orgaaniliste montmorilloniidi osakestega, mistõttu nailon 6 molekulaarse ahela segmentide liikumine kristalliseerumisprotsessis on takistatud ning radiaalsuunas sümmeetrilise ja korrapärase paigutuse saavutamine on keeruline, mistõttu kristalliseerumise kasvuprotsess on takistatud, tekitades seega mittetäielikke kristalle.

Kiudtäidisega polümeerkomposiitide vormimisprotsessi käigus võivad kiud mängida tuumastavat rolli ja sfäärilistel kristallidel ei ole kasvuprotsessi käigus enam kolmemõõtmelise kasvu tingimusi, mis seejärel toimub sammaskasvuna, st orienteeritud ühemõõtmelise kasvuna, mis tekitab põikkristalle.

Näited:

Nukleerivad ained on ainete klass, mis võivad muuta vaikude kristalliseerumiskäitumist ja muuta polümeeride mikroskoopilist morfoloogiat, andes neile uusi omadusi ja funktsioone, ning on praeguste uuringute kuum teema nii kodu- kui ka välismaal.

Toimemehhanism: Sula olekus, kui tuumastav aine annab vajalikud tuumad, muutub polümeer homogeensest tuumastumisest heterogeenseks tuumastumiseks, mis kiirendab kristallisatsioonikiirust ja täpsustab terastruktuuri ning parandab ka toote jäikust.

Nukleerivaid aineid saab peamiselt jagada anorgaanilisteks, orgaanilisteks ja polümeerseteks tuumastavateks aineteks. Nanopartiklite tuumastavad ained on muutunud tuumastavate ainete uurimise kuumaks teemaks, kuna neil on pinnal palju aktiivseid keskusi, mis saavad tihedalt substraadiga siduda ja omavad paremat ühilduvust ning osakesed ei eraldu väliste jõudude mõjul kergesti kollektiivselt.

Täiteainete mõju polümeeri kristalliseerumise kineetikale

Polümeeri kristalliseerumisprotsess koosneb kahest etapist: tuumastumine ja kasv. Polümeeride isotermilise kristalliseerumisprotsessi kirjeldamiseks kasutatakse tavaliselt Avrami võrrandit ning Avrami indeksi n ja kristalliseerumiskiiruse konstandi K leidmise abil saab tuletada kristallide kasvumehhanismi ja kasvukiiruse.

Mucha M jt. leidsid oma uuringus süsinikmustaga täidetud PP kristallisatsioonikineetika kohta, et toimus kaheastmeline kristallisatsiooninähtus: kristallisatsiooni algstaadiumis, mis oli seotud PP heterogeense tuumastumisega, süsinikmusta osakeste pinnal tuumastumisega, ei toimunud kristallisatsiooni algstaadiumis tuumade kokkupõrget ja kasv ei olnud piiratud; sellele järgnes aeglane kristallisatsioonietapp, kus kasvukiirus aeglustus kristallide vastastikuse kokkupõrke tõttu. Kristallisatsiooni algstaadiumis oli n umbes 2.0, samas kui kristallisatsiooni hilisemas etapis oli n umbes 3.0. Samuti leiti, et erineva koguse süsinikmusta lisamine mõjutas K ja n väärtusi erinevalt. Samal kristallisatsioonitemperatuuril suurenes K väärtus süsinikmusta lisamise suurenemisega.

Avrami võrrandi kohaselt peaks n väärtus olema positiivne täisarv, mis on väiksem või võrdne 4-ga. Praktikas on polümeeride kristalliseerumisprotsessi n väärtus tavaliselt kümnendarv ja näib olevat võrdne 5-ga, mis näitab, et tegelik kristalliseerumisprotsess kaldub kõrvale Avrami võrrandist ja toimub sekundaarse kristalliseerumise või sfäärilise kristalli kokkupõrke nähtus.

Täidetud polümeeride kristalse struktuuri mudel

Viimastel aastakümnetel on teooria ja katsed täielikult näidanud, et kristallilise materjali kristallilise ja amorfse piirkonna vahel on tõepoolest olemas üleminekutsoon. polümeerid, st vahekiht, mida nimetatakse kristallilis-amorfseks vahefaasiks.

Talki mõju madaltihedusega polüetüleeni (LDPE) kristallilise piirkonna, amorfse piirkonna ja vahefaasi struktuurile analüüsiti dünaamilise kahemõõtmelise infrapunaspektroskoopia abil. Tulemused näitavad, et talki lisamine põhjustab LDPE kristallilise struktuuri mudelis teatud muutusi ning järeldatakse, et talk on tihedalt seotud kristallilise piirkonnaga, kuid mitte amorfse faasiga, mis viibki järeldatud struktuuriskeemini.

Täiteainete mõju uurimine polümeeride kristalliseerumiskäitumisele võib viia kristalliliste polümeeride kristalliseerumismehhanismi ja kristalliseerumismudeli parema mõistmiseni. Lisaks võib täidetud polümeeride kristalliseerumiskäitumine otseselt mõjutada komposiitide omadusi, seega tuleks sellele tähelepanu pöörata.

Kuigi täiteainete mõju uurimisel polümeeride kristallilistele omadustele on tehtud teatavaid edusamme, on põhjalikumaid, süstemaatilisemaid ja detailsemaid uuringuid endiselt suhteliselt vähe ning kui see aspekt suudetakse süstematiseerida, peaks see viima materjalide ettevalmistamise ja omaduste uurimise kõrgema tasemeni.