Сферулит (физика полимеров) - Википедия - Spherulite (polymer physics)

Эта статья о полимерах. Для использования в других целях см. сферулит.

В физика полимеров, сферолиты (с греческого Sphaira = мяч и литос = камень) являются сферический полукристаллический регионов внутри не-разветвленный линейные полимеры. Их образование связано с кристаллизация полимеров из расплава и регулируется несколькими параметрами, такими как количество центров зародышеобразования, структура молекул полимера, скорость охлаждения и т. д. В зависимости от этих параметров диаметр сферолита может варьироваться в широком диапазоне от нескольких микрометров до миллиметров. Сферулиты состоят из высокоупорядоченных ламелей, что приводит к более высокой плотности, твердости, но также и к хрупкости по сравнению с неупорядоченными областями в полимере. Ламели соединены аморфными участками, которые обеспечивают эластичность и ударопрочность. Выравнивание молекул полимера внутри ламелей приводит к двулучепреломление создание множества цветных узоров, в том числе Мальтийский крест, при просмотре сферолитов между пересеченными поляризаторы в оптический микроскоп.

Формирование

Принцип образования ламелей при кристаллизации полимеров. Стрелка показывает направление температурного градиента.[1]

Если расплавленный линейный полимер (например, полиэтилен ) быстро охлаждается, тогда ориентация его молекул, которые выровнены случайным образом, искривлены и запутаны, остается замороженной, и твердое тело имеет неупорядоченную структуру. Однако при медленном охлаждении некоторые полимерные цепи приобретают определенное упорядоченная конфигурация: они выстраиваются в пластины, называемые кристаллические ламели.[2]

Схематическая модель сферолита. Черные стрелки указывают направление молекулярного выравнивания

Рост из расплава будет следовать температурному градиенту (см. Рисунок). Например, если градиент направлен перпендикулярно направлению выравнивания молекул, ламелла вырастает в сторону в плоский кристаллит. Однако в отсутствие температурного градиента рост происходит радиально во всех направлениях, что приводит к образованию сферических агрегатов, то есть сферолитов. Наибольшие поверхности ламелей оканчиваются молекулярными изгибами и изгибами, и рост в этом направлении приводит к появлению неупорядоченных участков. Следовательно, сферолиты имеют полукристаллическую структуру, в которой высокоупорядоченные пластинки ламелей прерываются аморфный регионы.[2][3]

Размер сферолитов колеблется в широких пределах от микрометра до 1 сантиметра.[4] и контролируется зародышеобразованием. Сильное переохлаждение или преднамеренное добавление зародышей кристаллизации приводит к относительно большому количеству центров зародышеобразования; затем сферолиты многочисленны и малы и взаимодействуют друг с другом при росте. В случае меньшего количества центров зародышеобразования и медленного охлаждения создаются несколько более крупных сферолитов.[5][6]

Зерна могут быть вызваны примесями, пластификаторами, наполнителями, красителями и другими веществами, добавленными для улучшения других свойств полимера. Этот эффект плохо изучен и носит нерегулярный характер, поэтому одна и та же добавка может способствовать зародышеобразованию в одном полимере, но не в другом. Многие из хороших зародышеобразователей представляют собой металлические соли органических кислот, которые сами по себе являются кристаллическими при температуре затвердевания полимера.[1]

Характеристики

Механический

Деформация при разрушении в зависимости от размера сферолита.[7]

Образование сферолитов влияет на многие свойства полимерного материала; в частности, кристалличность, плотность, предел прочности и Модуль для младших полимеров увеличиваются во время сферизации. Это увеличение связано с долей ламелей внутри сферолитов, где молекулы упакованы более плотно, чем в аморфной фазе. Более сильное межмолекулярное взаимодействие внутри ламелей объясняет повышенную твердость, но также и более высокую хрупкость. С другой стороны, аморфные области между пластинами внутри сферолитов придают материалу определенную эластичность и ударопрочность.[2]

Однако изменения механических свойств полимеров при образовании сферолитов сильно зависят от размера и плотности сферолитов. На рисунке показан характерный пример, демонстрирующий, что деформация при разрушении быстро уменьшается с увеличением размера сферолитов и, следовательно, с уменьшением их количества в изотактический полипропилен. Аналогичные тенденции наблюдаются для прочности на разрыв, предела текучести и вязкости.[7] Увеличение общего объема сферолитов приводит к их взаимодействию, а также к усадке полимера, который становится хрупким и легко растрескивается под нагрузкой по границам между сферолитами.[7]

Оптический

Сферулит в мозаике мезоген между скрещенными поляризаторами.

Выравнивание молекул полимера внутри ламелей приводит к двулучепреломление создание разнообразных цветных узоров при просмотре сферолитов между скрещенными поляризаторы в оптический микроскоп. В частности, так называемый "Мальтийский крест "часто присутствует", который состоит из четырех темных перпендикулярных конусов, расходящихся от начала координат (см. рисунок справа), иногда с ярким центром (рисунок спереди). Его образование можно объяснить следующим образом. Линейные полимерные цепи можно рассматривать как линейные поляризаторы. Если их направление совпадает с направлением одного из скрещенных поляризаторов, то пропускается мало света; пропускание увеличивается, когда цепи образуют ненулевой угол с обоими поляризаторами, а индуцированное пропускание зависит от длины волны, отчасти из-за абсорбционных свойств полимера.[8][9]

Схема образования мальтийского креста

Этот эффект приводит к темным перпендикулярным конусам (Мальтийский крест ) и окрашенные более яркие области между ними на переднем и правом изображениях. Это показывает, что молекулярная ось молекул полимера в сферулах либо перпендикулярна, либо перпендикулярна поверхности. радиус-вектор, т.е. ориентация молекул однородна при движении по линии от центра сферолита к его краю по радиусу. Однако эта ориентация меняется с изменением угла поворота.[8][9] Рисунок может быть различным (светлым или темным) для центра сферолитов, что указывает на разориентацию молекул в зародыше зарождения отдельных сферолитов. Любые темные или светлые пятна зависят от угла, под которым расположен поляризатор, что приводит к симметричному изображению из-за сферической формы.

Сферулиты, встроенные в мозаику мезоген между скрещенными поляризаторами.

Когда сферолиты вращались в своей плоскости, соответствующие мальтийские кресты не менялись, что указывает на то, что молекулярное расположение однородно по сравнению с полярным углом. С точки зрения двойного лучепреломления сферолиты могут быть положительными или отрицательными. Это различие зависит не от ориентации молекул (параллельно или перпендикулярно радиальному направлению), а от ориентации основного показателя преломления молекулы относительно радиального вектора. Полярность сферолита зависит от составляющих молекул, но также может меняться с температурой.[4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Георг Менгес, Эдмунд Хаберстро, Вальтер Михаэли, Эрнст Шмахтенберг: Пластмассовое материаловедение Hanser Verlag, 2002 г., ISBN  3-446-21257-4
  2. ^ а б c Чарльз Э. Каррахер; Раймонд Бенедикт Сеймур (2003). Химия полимеров Сеймура / Каррахера. CRC Press. С. 44–45. ISBN  0-8247-0806-7.
  3. ^ Эренштейн и Терио, стр.78,81 Рис. 4.15, 4.19
  4. ^ а б Корнелия Василе (2000). Справочник полиолефинов. CRC Press. п. 183. ISBN  0-8247-8603-3.
  5. ^ Линда С. Сойер; Дэвид Т. Грабб; Грегори Ф. Мейерс (2008). Полимерная микроскопия. Springer. п. 5. ISBN  0-387-72627-6.
  6. ^ Эренштейн и Терио, стр.67,83
  7. ^ а б c Эренштейн и Терио с.84
  8. ^ а б Эренштейн и Терио с.81
  9. ^ а б Дэвид И. Бауэр (2002). Введение в физику полимеров. Издательство Кембриджского университета. С. 133–136. ISBN  0-521-63721-X.

Библиография