Как наполнитель влияет на кристаллизационное поведение полимера?

Открытие в 1980-х годах превосходных свойств композитов нейлон 6/глина привело к большому количеству исследований наполненных полимерных композитов и обновленному пониманию роли наполнителей в полимерах. Вот взгляд на влияние наполнителей на поведение кристаллизации полимеров.

Влияние наполнителей на морфологию кристаллов полимеров

Добавление наполнителей влияет на кристаллическую морфологию полимера：

Кристаллические полимеры образуют различные кристаллические формы при различных условиях кристаллизации, и сферические кристаллы являются одной из наиболее распространенных характерных форм кристаллизации полимеров. При нормальных условиях формования и обработки кристаллические полимеры обычно образуют сферические кристаллические формы.

Добавление наполнителей играет роль в гетерогенном зародышеобразовании и измельчении зерен：

Крупные и редкие сферические кристаллы становятся мелкими и компактными, а измельчение сферических кристаллов и повышение прочности материала являются полезными и могут быть эффективным методом повышения прочности полимеров.

Совместимость наполнителя с матрицей смолы также влияет на кристаллическую морфологию:

Например, Цяо Фан и др. обнаружили, что организированный монтмориллонит разрушает сферическую кристаллическую структуру нейлона 6, главным образом потому, что молекулы нейлона 6 обладают сильным связывающим эффектом с частицами организированного монтмориллонита, так что движение сегментов молекулярной цепи нейлона 6 затрудняется в процессе кристаллизации, и ему трудно расти в симметричном и регулярном расположении вдоль радиального направления, так что процесс роста кристаллизации затрудняется, тем самым генерируя неполные кристаллы.

В процессе формования волокнистых наполненных полимерных композитов волокна могут играть роль зародышеобразователей, и сферические кристаллы в процессе роста уже не имеют условий для трехмерного роста, который затем принимает форму столбчатого роста, т. е. ориентированного одномерного роста, приводящего к образованию поперечных кристаллов.

Примеры：

Нуклеирующие агенты — это класс веществ, которые могут изменять поведение кристаллизации смол и изменять микроскопическую морфологию полимеров, придавая им новые свойства и функции, и являются актуальной темой современных исследований в стране и за рубежом.

Механизм действия: В расплавленном состоянии, поскольку зародышеобразователь обеспечивает необходимые зародыши, полимер переходит от гомогенного зародышеобразования к гетерогенному зародышеобразованию, что ускоряет скорость кристаллизации и улучшает структуру зерна, а также повышает жесткость продукта.

Зародышеобразователи можно в основном разделить на неорганические зародышеобразователи, органические зародышеобразователи и полимерные зародышеобразователи. Зародышеобразователи наночастиц стали горячей точкой для исследований зародышеобразователей из-за их многочисленных активных центров на поверхности, которые могут быть тесно связаны с подложкой и иметь лучшую совместимость, а частицы не так легко отделяются вместе при воздействии внешних сил.

Влияние наполнителей на кинетику кристаллизации полимеров

Процесс кристаллизации полимеров состоит из двух стадий: зародышеобразование и рост. Уравнение Аврами обычно используется для описания изотермического процесса кристаллизации полимеров, и, найдя индекс Аврами n и константу скорости кристаллизации K, можно вывести механизм роста кристаллов и скорость роста.

Mucha M et al. в своем исследовании кинетики кристаллизации ПП, наполненного техническим углеродом, обнаружили, что существует двухэтапное явление кристаллизации: на ранней стадии кристаллизации, связанной с гетерогенным зародышеобразованием ПП, зародышеобразованием на поверхности частиц технического углерода, на ранней стадии кристаллизации не происходило столкновения зародышей, и рост не был ограничен; за которым следовала медленная стадия кристаллизации, на которой скорость роста замедлялась взаимным столкновением кристаллов. На ранней стадии кристаллизации n составляло около 2.0, тогда как на поздней стадии кристаллизации n составляло около 3.0. Было также обнаружено, что добавление различных количеств технического углерода по-разному влияло на значения K и n. При одной и той же температуре кристаллизации значение K увеличивалось с увеличением добавления технического углерода.

Согласно уравнению Аврами, значение n должно быть положительным целым числом, меньшим или равным 4. На практике значение n процесса кристаллизации полимеров обычно является десятичным числом и, по-видимому, равно 5, что указывает на то, что фактический процесс кристаллизации отклоняется от уравнения Аврами и происходит явление вторичной кристаллизации или столкновения сферических кристаллов.

Модель кристаллической структуры наполненных полимеров

За последние десятилетия теория и эксперименты полностью продемонстрировали, что действительно существует переходная зона между кристаллическими и аморфными областями кристаллического вещества. полимеры, т. е. промежуточный слой, называемый кристаллическо-аморфной промежуточной фазой.

Влияние талька на структуру кристаллической области, аморфной области и промежуточной фазы полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) было проанализировано с помощью динамической двумерной инфракрасной спектроскопии. Результаты показывают, что добавление талька вносит определенные изменения в модель кристаллической структуры ПЭНП, и делается вывод, что тальк тесно связан с кристаллической областью, но не с аморфной фазой, что приводит к выведенной структурной схеме.

Изучение влияния наполнителей на кристаллизационное поведение полимеров может привести к лучшему пониманию механизма кристаллизации и модели кристаллизации кристаллических полимеров. Более того, кристаллизационное поведение наполненных полимеров может напрямую влиять на свойства композитов, поэтому на это следует обратить внимание.

Несмотря на определенный прогресс в изучении влияния наполнителей на кристаллические свойства полимеров, все еще наблюдается относительный недостаток более глубоких, систематических и детальных исследований, и если этот аспект удастся систематизировать, это должно привести к более высокому уровню исследований в области подготовки и свойств материалов.