როგორ მოქმედებს შემავსებელი პოლიმერის კრისტალიზაციის ქცევაზე?

1980-იან წლებში ნეილონ 6/თიხის კომპოზიტების შესანიშნავი თვისებების აღმოჩენამ გამოიწვია შევსებული პოლიმერული კომპოზიტების შესახებ მრავალი კვლევა და პოლიმერებში შემავსებლების როლის განახლებული გაგება. აქ მოცემულია შემავსებლების გავლენა პოლიმერების კრისტალიზაციის ქცევაზე.

შემავსებლების გავლენა პოლიმერების კრისტალურ მორფოლოგიაზე

შემავსებლების დამატება გავლენას ახდენს პოლიმერის კრისტალურ მორფოლოგიაზე:

კრისტალური პოლიმერები სხვადასხვა კრისტალიზაციის პირობებში ქმნიან სხვადასხვა კრისტალურ ფორმებს, ხოლო სფერული კრისტალები პოლიმერული კრისტალიზაციის ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული დამახასიათებელი ფორმაა. ნორმალური ჩამოსხმის და დამუშავების პირობებში, კრისტალური პოლიმერები, როგორც წესი, ქმნიან სფერულ კრისტალურ ფორმებს.

შემავსებლების დამატება მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მარცვლების ჰეტეროგენულ ბირთვწარმოქმნასა და დახვეწაში:

დიდი და იშვიათი სფერული კრისტალები პატარა და კომპაქტური ხდება, ხოლო სფერული კრისტალების დახვეწა და მასალის სიმტკიცის გაუმჯობესება სასარგებლოა და შეიძლება პოლიმერების გამაგრების ეფექტური მეთოდი იყოს.

შემავსებლის თავსებადობა ფისოვან მატრიცასთან ასევე გავლენას ახდენს კრისტალურ მორფოლოგიაზე:

მაგალითად, ქიაო ფანგმა და სხვებმა აღმოაჩინეს, რომ ორგანული მონტმორილონიტი ანადგურებს ნეილონ 6-ის სფერულ კრისტალურ სტრუქტურას, ძირითადად იმიტომ, რომ ნეილონ 6-ის მოლეკულებს აქვთ ძლიერი შეერთების ეფექტი ორგანული მონტმორილონიტის ნაწილაკებთან, რის გამოც ნეილონ 6-ის მოლეკულური ჯაჭვის სეგმენტების მოძრაობა შეფერხებულია კრისტალიზაციის პროცესში და ძნელია მისი სიმეტრიული და რეგულარული განლაგებით რადიალური მიმართულებით გაზრდა, რის გამოც კრისტალიზაციის ზრდის პროცესი შეფერხებულია, რაც იწვევს არასრული კრისტალების წარმოქმნას.

ბოჭკოვანი შევსებული პოლიმერული კომპოზიტების ჩამოსხმის პროცესში, ბოჭკოებმა შეიძლება ბირთვის წარმოქმნის როლი ითამაშონ და სფერულ კრისტალებს აღარ აქვთ სამგანზომილებიანი ზრდის პირობები ზრდის პროცესში, რომელიც შემდეგ იღებს სვეტოვანი ზრდის ფორმას, ანუ ორიენტირებულ ერთგანზომილებიან ზრდას, რომელიც წარმოქმნის განივი კრისტალებს.

მაგალითები:

ბირთვული აგენტები წარმოადგენენ ნივთიერებების კლასს, რომლებსაც შეუძლიათ შეცვალონ ფისების კრისტალიზაციის ქცევა და პოლიმერების მიკროსკოპული მორფოლოგია, რათა მათ ახალი თვისებები და ფუნქციები მიანიჭონ და მიმდინარე კვლევის ცხელ თემას წარმოადგენენ როგორც ქვეყნის შიგნით, ასევე მის ფარგლებს გარეთ.

მოქმედების მექანიზმი: გამდნარ მდგომარეობაში, როდესაც ბირთვის წარმოქმნის აგენტი უზრუნველყოფს საჭირო ბირთვებს, პოლიმერი ერთგვაროვანი ბირთვის წარმოქმნიდან ჰეტეროგენულ ბირთვის წარმოქმნაზე გადადის, რაც აჩქარებს კრისტალიზაციის სიჩქარეს და აუმჯობესებს მარცვლის სტრუქტურას, ასევე აუმჯობესებს პროდუქტის სიმყარეს.

ნუკლეაციის აგენტები ძირითადად შეიძლება დაიყოს არაორგანულ ნუკლეაციის აგენტებად, ორგანულ ნუკლეაციის აგენტებად და პოლიმერულ ნუკლეაციის აგენტებად. ნანონაწილაკების ნუკლეაციის აგენტები ნუკლეაციის აგენტების კვლევის ცხელ წერტილად იქცა ზედაპირზე არსებული მრავალი აქტიური ცენტრის გამო, რომლებიც მჭიდროდ არის დაკავშირებული სუბსტრატთან და აქვთ უკეთესი თავსებადობა, ხოლო ნაწილაკები ადვილად არ შორდება ერთობლიობაში გარე ძალების ზემოქმედებისას.

შემავსებლების გავლენა პოლიმერის კრისტალიზაციის კინეტიკაზე

პოლიმერის კრისტალიზაციის პროცესი ორი ეტაპისგან შედგება: ბირთვის წარმოქმნა და ზრდა. ავრამის განტოლება ჩვეულებრივ გამოიყენება პოლიმერების იზოთერმული კრისტალიზაციის პროცესის აღსაწერად და ავრამის ინდექსის n და კრისტალიზაციის სიჩქარის მუდმივას K-ს პოვნით, შესაძლებელია კრისტალების ზრდის მექანიზმისა და ზრდის სიჩქარის გამოყვანა.

მუჩა მ.-მ და სხვ. ნახშირბადის შავით შევსებული PP-ის კრისტალიზაციის კინეტიკის შესწავლისას აღმოაჩინეს, რომ არსებობდა ორეტაპიანი კრისტალიზაციის ფენომენი: კრისტალიზაციის ადრეულ ეტაპზე, რომელიც დაკავშირებულია PP-ის ჰეტეროგენულ ბირთვწარმოქმნასთან, ნახშირბადის შავი ნაწილაკების ზედაპირზე ბირთვწარმოქმნასთან, ბირთვების შეჯახება არ მომხდარა კრისტალიზაციის ადრეულ ეტაპზე და ზრდა არ იყო შეზღუდული; შემდეგ მოდიოდა ნელი კრისტალიზაციის ეტაპი, სადაც ზრდის ტემპი შენელდა კრისტალებს შორის ურთიერთშეჯახების გამო. კრისტალიზაციის ადრეულ ეტაპზე n დაახლოებით 2.0 იყო, ხოლო კრისტალიზაციის გვიანდელ ეტაპზე n დაახლოებით 3.0 იყო. ასევე აღმოჩნდა, რომ ნახშირბადის შავის სხვადასხვა რაოდენობის დამატებას განსხვავებული გავლენა ჰქონდა K და n-ის მნიშვნელობებზე. იმავე კრისტალიზაციის ტემპერატურაზე, K-ს მნიშვნელობა იზრდებოდა ნახშირბადის შავის დამატების ზრდასთან ერთად.

ავრამის განტოლების მიხედვით, n მნიშვნელობა უნდა იყოს დადებითი მთელი რიცხვი, რომელიც ნაკლებია ან ტოლია 4-ის. პრაქტიკაში, პოლიმერების კრისტალიზაციის პროცესის n მნიშვნელობა, როგორც წესი, ათობითი რიცხვია და, როგორც ჩანს, 5-ის ტოლია, რაც მიუთითებს, რომ ფაქტობრივი კრისტალიზაციის პროცესი გადახრილია ავრამის განტოლებიდან და ხდება მეორადი კრისტალიზაციის ან სფერული კრისტალის შეჯახების ფენომენი.

შევსებული პოლიმერების კრისტალური სტრუქტურის მოდელი

ბოლო ათწლეულების განმავლობაში, თეორიამ და ექსპერიმენტებმა სრულად აჩვენა, რომ კრისტალური კრისტალური და ამორფული რეგიონებს შორის მართლაც არსებობს გარდამავალი ზონა. პოლიმერები, ანუ შუალედური ფენა, რომელსაც კრისტალურ-ამორფული შუალედური ფაზა ეწოდება.

ტალკის გავლენა დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენის (LDPE) კრისტალური რეგიონის, ამორფული რეგიონისა და შუალედური ფაზის სტრუქტურაზე გაანალიზდა დინამიური ორგანზომილებიანი ინფრაწითელი სპექტროსკოპიის გამოყენებით. შედეგები აჩვენებს, რომ ტალკის დამატება გარკვეულ ცვლილებებს იწვევს LDPE-ის კრისტალური სტრუქტურის მოდელში და დაასკვნეს, რომ ტალკი მჭიდრო კავშირშია კრისტალურ რეგიონთან, მაგრამ არა ამორფულ ფაზასთან, რაც იწვევს სტრუქტურული სქემის გამოტანას.

პოლიმერების კრისტალიზაციის ქცევაზე შემავსებლების გავლენის შესწავლამ შეიძლება უკეთ გავიგოთ კრისტალური პოლიმერების კრისტალიზაციის მექანიზმი და კრისტალიზაციის მოდელი. უფრო მეტიც, შევსებული პოლიმერების კრისტალიზაციის ქცევას შეუძლია პირდაპირ გავლენა მოახდინოს კომპოზიტების თვისებებზე, ამიტომ ამას ყურადღება უნდა მიექცეს.

მიუხედავად იმისა, რომ პოლიმერების კრისტალურ თვისებებზე შემავსებლების გავლენის შესწავლაში გარკვეული პროგრესია მიღწეული, ჯერ კიდევ შედარებით ნაკლებია უფრო სიღრმისეული, სისტემატური და დეტალური კვლევები და თუ ამ ასპექტის სისტემატიზაცია შესაძლებელია, ეს მასალების მომზადებისა და თვისებების კვლევის უფრო მაღალ დონემდე უნდა მიგვიყვანოს.