Hvordan påvirker fyllstoffet krystalliseringsoppførselen til polymeren?

Oppdagelsen på 1980-tallet av de utmerkede egenskapene til nylon 6/leire-kompositter førte til mye forskning på fylte polymerkompositter og en fornyet forståelse av fyllstoffenes rolle i polymerer. Her er en titt på effekten av fyllstoffer på krystalliseringsatferden til polymerer.

Innflytelse av fyllstoffer på krystallmorfologien til polymerer

Tilsetning av fyllstoffer påvirker polymerens krystallinske morfologi:

Krystallinske polymerer danner forskjellige krystallinske former under forskjellige krystalliseringsforhold, og sfæriske krystaller er en av de vanligste karakteristiske formene for polymerkrystallisering. Under normale støpe- og prosesseringsforhold danner krystallinske polymerer vanligvis sfæriske krystallinske former.

Tilsetning av fyllstoffer spiller en rolle i heterogen kimdannelse og raffinering av korn:

Store og sparsomme sfæriske krystaller blir små og kompakte, og raffinering av sfæriske krystaller og forbedring av materialseighet er fordelaktig og kan være en effektiv metode for å herde polymerer.

Fyllstoffets kompatibilitet med harpiksmatrisen har også en effekt på den krystallinske morfologien:

For eksempel fant Qiao Fang et al. at den organiserte montmorillonitten ødelegger den sfæriske krystallstrukturen til nylon 6, hovedsakelig fordi nylon 6-molekylene har en sterk koblingseffekt med de organiserte montmorillonittpartiklene, slik at bevegelsen av nylon 6-molekylkjedesegmentene hindres i krystalliseringsprosessen, og det er vanskelig å vokse i et symmetrisk og regelmessig arrangement langs radial retning, slik at krystalliseringsvekstprosessen hindres, og dermed genereres ufullstendige krystaller.

Under støpeprosessen av fiberfylte polymerkompositter kan fibrene spille en kimdannelsesrolle, og de sfæriske krystallene har ikke lenger betingelsene for tredimensjonal vekst under vekstprosessen, som deretter tar form av søyleformet vekst, dvs. orientert endimensjonal vekst som produserer tverrgående krystaller.

Eksempler:

Kjernedannende stoffer er en klasse stoffer som kan endre krystalliseringsatferden til harpikser og endre den mikroskopiske morfologien til polymerer for å gi dem nye egenskaper og funksjoner, og er et hett tema for aktuell forskning i inn- og utland.

Virkningsmekanisme: I smeltet tilstand, etter hvert som kimdannelsesmidlet gir de nødvendige kjernene, endres polymeren fra homogen kimdannelse til heterogen kimdannelse, noe som akselererer krystalliseringshastigheten og forbedrer kornstrukturen, og forbedrer også produktets stivhet.

Kjernedannende midler kan hovedsakelig deles inn i uorganiske kjernedannende midler, organiske kjernedannende midler og polymere kjernedannende midler. Nanopartikkelkjernedannende midler har blitt et populært område for forskning på kjernedannende midler på grunn av deres mange aktive sentre på overflaten, som kan bindes tett til substratet og har bedre kompatibilitet, og partiklene løsner ikke lett fra hverandre når de utsettes for ytre krefter.

Effekt av fyllstoffer på polymerkrystalliseringskinetikk

Polymerkrystalliseringsprosessen består av to stadier: kimdannelse og vekst. Avrami-ligningen brukes vanligvis til å beskrive den isotermiske krystalliseringsprosessen for polymerer, og ved å finne Avrami-indeksen n og krystalliseringshastighetskonstanten K, kan vekstmekanismen til krystaller og veksthastigheten utledes.

Mucha M et al. fant i sin studie av krystalliseringskinetikken til karbonrøykfylt PP at det var et totrinns krystalliseringsfenomen: i den tidlige fasen av krystallisering relatert til den heterogene kimdannelsen av PP, kimdannelse på overflaten av karbonrøykpartikler, forekom ingen kollisjon av kjerner i den tidlige fasen av krystalliseringen, og veksten var ikke begrenset; etterfulgt av en langsom krystalliseringsfase hvor vekstraten ble bremset ned av gjensidig kollisjon mellom krystallene. I den tidlige fasen av krystalliseringen var n omtrent 2.0, mens i den senere fasen av krystalliseringen var n omtrent 3.0. Det ble også funnet at tilsetning av forskjellige mengder karbonrøyk hadde forskjellige effekter på verdiene av K og n. Ved samme krystalliseringstemperatur økte verdien av K med økningen av karbonrøyktilsetning.

I følge Avrami-ligningen skal n-verdien være et positivt heltall mindre enn eller lik 4. I praksis er n-verdien for krystallisasjonsprosessen til polymerer vanligvis et desimaltall og ser ut til å være lik 5, noe som indikerer at den faktiske krystallisasjonsprosessen avviker fra Avrami-ligningen, og fenomenet sekundærkrystallisasjon eller sfærisk krystallkollisjon oppstår.

Krystallinsk strukturmodell av fylte polymerer

I de siste tiårene har teori og eksperimenter fullt ut vist at det faktisk finnes en overgangssone mellom de krystallinske og amorfe områdene i krystallinsk materiale. polymerene, dvs. et mellomlag, kalt den krystallinske – amorfe mellomfasen.

Effekten av talkum på strukturen til den krystallinske regionen, den amorfe regionen og den mellomliggende fasen av lavdensitetspolyetylen (LDPE) ble analysert ved dynamisk todimensjonal infrarødspektroskopi. Resultatene viser at tilsetning av talkum forårsaker visse endringer i den krystallinske strukturmodellen til LDPE, og det konkluderes med at talkum er nært forbundet med den krystallinske regionen, men ikke med den amorfe fasen, noe som fører til det utledede strukturskjemaet.

Studiet av effekten av fyllstoffer på krystalliseringsatferden til polymerer kan føre til en bedre forståelse av krystalliseringsmekanismen og krystalliseringsmodellen til krystallinske polymerer. Dessuten kan krystalliseringsatferden til de fylte polymerene direkte påvirke komposittenes egenskaper, så dette bør man være oppmerksom på.

Selv om det har vært noe fremgang i studiet av effekten av fyllstoffer på de krystallinske egenskapene til polymerer, er det fortsatt en relativ mangel på mer dyptgående, systematiske og detaljerte studier, og hvis dette aspektet kan systematiseres, bør det føre til et høyere nivå av forskning innen materialforberedelse og egenskaper.