Dolgu maddesi polimerin kristalleşme davranışını nasıl etkiler?

1980'lerde naylon 6/kil kompozitlerinin mükemmel özelliklerinin keşfi, dolgulu polimer kompozitler üzerine birçok araştırmaya ve polimerlerde dolgu maddelerinin rolüne dair yeni bir anlayışa yol açtı. İşte dolgu maddelerinin polimerlerin kristalleşme davranışı üzerindeki etkisine bir bakış.

Dolgu maddelerinin polimerlerin kristal morfolojisi üzerindeki etkisi

Dolgu maddelerinin eklenmesi polimerin kristal yapısını etkiler:

Kristal polimerler, farklı kristalleşme koşulları altında farklı kristal formları oluşturur ve küresel kristaller, polimer kristalleşmesinin en yaygın karakteristik formlarından biridir. Normal kalıplama ve işleme koşulları altında, kristal polimerler genellikle küresel kristal formları oluşturur.

Dolgu maddelerinin eklenmesi, tanelerin heterojen çekirdeklenmesinde ve inceltilmesinde rol oynar:

Büyük ve seyrek küresel kristaller küçük ve kompakt hale gelir; küresel kristallerin inceltilmesi ve malzemenin dayanıklılığının artırılması faydalıdır ve polimerleri sertleştirmek için etkili bir yöntem olabilir.

Dolgu maddesinin reçine matrisiyle uyumluluğu da kristal yapısını etkiler:

Örneğin, Qiao Fang ve arkadaşları, organikleştirilmiş montmorillonitin naylon 6'nın küresel kristal yapısını bozduğunu bulmuşlardır; bunun temel nedeni, naylon 6 moleküllerinin organikleştirilmiş montmorillonit parçacıklarıyla güçlü bir bağlanma etkisine sahip olması, böylece naylon 6 moleküler zincir segmentlerinin hareketinin kristalleşme sürecinde engellenmesi ve radyal yönde simetrik ve düzenli bir şekilde büyümesinin zorlaşması, dolayısıyla kristalleşme büyüme sürecinin engellenmesi ve eksik kristallerin oluşmasıdır.

Lif dolgulu polimer kompozitlerin kalıplama işlemi sırasında, lifler çekirdeklenme rolü oynayabilir ve küresel kristaller büyüme süreci boyunca üç boyutlu büyüme için gerekli koşullara sahip olmayabilir; bu durumda büyüme, sütunlu büyüme, yani enine kristaller üreten yönlendirilmiş tek boyutlu büyüme şeklinde gerçekleşir.

Örnekler：

Çekirdeklenme ajanları, reçinelerin kristalleşme davranışını değiştirebilen ve polimerlerin mikroskobik morfolojisini değiştirerek onlara yeni özellikler ve işlevler kazandırabilen bir madde sınıfıdır ve hem yurt içinde hem de yurt dışında güncel araştırmaların önemli bir konusudur.

Etki mekanizması: Erimiş haldeyken, çekirdeklenme ajanı gerekli çekirdekleri sağladığında, polimer homojen çekirdeklenmeden heterojen çekirdeklenmeye geçer; bu da kristalleşme hızını hızlandırır, tane yapısını inceltir ve ürünün sertliğini artırır.

Çekirdeklenme ajanları temel olarak inorganik çekirdeklenme ajanları, organik çekirdeklenme ajanları ve polimer çekirdeklenme ajanları olarak sınıflandırılabilir. Nanoparçacık çekirdeklenme ajanları, yüzeylerinde çok sayıda aktif merkeze sahip olmaları, alt tabaka ile yakından bağlanabilmeleri ve daha iyi uyumluluk göstermeleri, ayrıca dış kuvvetlere maruz kaldıklarında parçacıkların toplu olarak kolayca ayrılmamaları nedeniyle çekirdeklenme ajanı araştırmalarında önemli bir ilgi odağı haline gelmiştir.

Dolgu maddelerinin polimer kristalleşme kinetiği üzerindeki etkisi

Polimer kristalleşme süreci iki aşamadan oluşur: çekirdeklenme ve büyüme. Polimerlerin izotermal kristalleşme sürecini tanımlamak için genellikle Avrami denklemi kullanılır ve Avrami indeksi n ve kristalleşme hızı sabiti K bulunarak kristallerin büyüme mekanizması ve büyüme hızı türetilebilir.

Mucha M ve arkadaşları, karbon siyahı dolgulu PP'nin kristalleşme kinetiği üzerine yaptıkları çalışmada, iki aşamalı bir kristalleşme olgusu olduğunu bulmuşlardır: PP'nin heterojen çekirdeklenmesiyle ilgili erken kristalleşme aşamasında, karbon siyahı parçacıklarının yüzeyinde çekirdeklenme meydana gelir, kristalleşmenin erken aşamasında çekirdekler arasında çarpışma olmaz ve büyüme sınırlı değildir; bunu takiben, kristaller arasındaki karşılıklı çarpışmalar nedeniyle büyüme hızının yavaşladığı yavaş bir kristalleşme aşaması gelir. Erken kristalleşme aşamasında n yaklaşık 2.0 iken, daha sonraki kristalleşme aşamasında n yaklaşık 3.0'dır. Ayrıca, farklı miktarlarda karbon siyahı ilavesinin K ve n değerleri üzerinde farklı etkileri olduğu bulunmuştur. Aynı kristalleşme sıcaklığında, karbon siyahı ilavesinin artmasıyla K değeri de artmıştır.

Avrami denklemine göre, n değeri 4'ten küçük veya 4'e eşit pozitif bir tam sayı olmalıdır. Uygulamada, polimerlerin kristalleşme sürecindeki n değeri genellikle ondalık bir sayıdır ve 5'e eşit görünmektedir; bu da gerçek kristalleşme sürecinin Avrami denkleminden saptığını ve ikincil kristalleşme veya küresel kristal çarpışması olgusunun meydana geldiğini gösterir.

Dolgulu polimerlerin kristal yapı modeli

Son yıllarda teori ve deneyler, kristal yapının kristal ve amorf bölgeleri arasında gerçekten bir geçiş bölgesinin bulunduğunu tam olarak göstermiştir. polimerlerYani, kristal-amorf ara faz olarak adlandırılan bir ara katman.

Düşük yoğunluklu polietilenin (LDPE) kristal bölgesi, amorf bölgesi ve ara fazının yapısı üzerindeki talkın etkisi, dinamik iki boyutlu kızılötesi spektroskopisi ile analiz edildi. Sonuçlar, talk ilavesinin LDPE'nin kristal yapı modelinde belirli değişikliklere yol açtığını ve talkın amorf faz ile değil, kristal bölge ile yakından ilişkili olduğu sonucuna varıldığını göstermektedir; bu da çıkarılan yapısal şemaya yol açmaktadır.

Dolgu maddelerinin polimerlerin kristalleşme davranışı üzerindeki etkisinin incelenmesi, kristal polimerlerin kristalleşme mekanizması ve kristalleşme modelinin daha iyi anlaşılmasına yol açabilir. Dahası, dolgulu polimerlerin kristalleşme davranışı kompozitlerin özelliklerini doğrudan etkileyebileceğinden, buna dikkat edilmelidir.

Dolgu maddelerinin polimerlerin kristal özelliklerine etkisi üzerine yapılan çalışmalarda bazı ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, daha derinlemesine, sistematik ve detaylı çalışmalar hala nispeten yetersizdir ve bu yön sistematize edilirse, malzeme hazırlama ve özellikleri konusunda daha yüksek bir araştırma seviyesine yol açacaktır.