אדריכלות מוסתרת של תוספת פולימרים

תוספות פולימרים מקיפים אותנו כמעט בכל היבט של החיים המודרניים, מן שקיות פוליאתילן נושאות דגנים סיבי פוליפרופילן ברכיבי רכב ואת קצף פוליסטרין המשמש אינסטלציה, בעוד ההרכב הכימי של חומרים אלה מקבל תשומת לב משמעותית, ההסדר הפיזי של רשתות פולימריות ברמה המולקולרית ו-mash; ה-theirFLT:0crysalsalsalus תכונות דינמיות אשר לארגן באופן ישיר של חומרים אופטיים ו-firphicialstomlin.

מאמר זה בוחן כיצד גבישי משפיע על התכונות המכאניות והאופטיות של פולימרים נוספים, חוקר את הגורמים השולטים בתוכן גבישי, ומספק הדרכה מעשית למינוף מערכות יחסים פרוספקטיביות בעיצוב חומרי.על ידי הבנת עקרונות אלה, יצרנים יכולים לנוע מעבר למבחר פולימרים גנרי לעבר חומרים מותאמים אשר איזון דרישות נכסים מתחרים.

מה הם תוספת פולימרים?

תוספות פולימרים, הידוע גם בשם פולימרים פילניים, הם מקרומולקולטים שנוצרו על ידי תוספת של יחידות מונומר על פני אג"ח כפול פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן ללא חיסול של כל תוצרים. מנגנון זה מבחין אותם מפולימרים condensation, אשר משחרר מולקולות קטנות כגון מים במהלך פולימריזציה.התהליך בדרך כלל מתקדם באמצעות רדיקלי, אנלוגי, תיאום או תיאום עם תכונות פולימרניות עמוקות של השפעה.

דוגמאות נפוצות ואדריכלות מולקולרית

פוליאתילן (PE), תוספת פולימרטנית הפשוטה והמסחרית ביותר, מורכבת מיחידות אמיתלין חוזרות (CHFLT:0203FLT:1-CHFLT:2FLT 3) ו-IIFLT 3), אך מידת השרשרת השרשרת בפוליאתיללין באופן ביקורתי קובעת את גבישי שלה: רגישות גבוהה פולית (HD) מכילה מינימלית ו- 70 קבריקנות;

The Amorphous Versus Crystalline Distinction

לא תוספת פולימרית היא גבישית מושלמת.מערכות פולימרי אמיתי הם חציקליסטל, המכילה את שני אזורי קריסטל מסודרים הורה (קריסטאלטים) ותחומים amorphous.אזורים קריסטלים כוללים שרשראות פולימרים מתקפלים לתוך lamellae בדרך כלל 10 – 20 ננומטרים עבה, אשר לארגן עוד לתוך קשקשים גלויים תחת מיקרוסקופיות מקוטבות בין אזורים אלה.

Crystallinity in Polymers: A Deeper View

קריסטלנות בנוסף פולימרים עולה מן הנטייה של רשתות פולימרים לאמץ קונפורציות המאפשרות אריזה יעילה לתוך מנוף תקופתי.בניגוד גבישים מולקולה קטנה, גבישים פולימרים הם תמיד בלתי מושלמים ומכילים הפרעה משמעותית.אזורי גביש הם בדרך כלל מאורגנים כמו lamellae מכוסה שרשרת כי גדל קורנלי מנקודות ניקוי כדי ליצור מבנים pherlytic בקנה מידה מיקרומטר.

Thermodynamics of Polymer Crystallization

קריסטליזציה מתרחשת כאשר רשתות פולימרים במצב מלוטש מאבדים מספיק אנרגיה תרמית כדי להתגבר על העונש האנטרופי של סדר.כוח הנהיגה התרמודדינמי הוא הבדל האנרגיה החופשי בין ההיתוך לבין מצב הקריסטל, בין אם הומוגני (ספונטני) או heterogeneous (מצטבר על ידי משטחים או תוספים), מתפתח קריסטלים.

גורמים המשפיעים על Crystallinity

גורמים מרובים אינטראקציה כדי לקבוע את הקריסטליניות האפשריות במערכת פולימר נתונה:

תכונות Polymer Structural

  • (FLT:0) stereoregularity:FLT:1 אסטקטי ו syndiotactic תצורה מאפשרת קריסטליזציה; תצורה אטקטית בדרך כלל למנוע את זה.לדוגמה, פוליפרופיללין מאסטקטי משיג גבישים מעל 60 אחוזים, בעוד פוליפרופילן אטקטי נשאר מלא.
  • (FLT:0) צ'סטין מארגן: FLT:1 הזרועות לפעול כפגמים המפריעים אריזה שרשרת. HDPE עם פחות מזרוע אחת ל-1,000 אטומי פחמן מחלחלים באופן נרחב, בעוד LDPE עם 20 ונדריש; 30 סניפים ל-1,000 פחמן משיג רק 40 ונדריש; 60 אחוזים גבישי.
  • (FLT:0)Commoner משלב: FLT:1 Copolymerization משבש סדירות. Linear נמוך-density פוליאתילן (LLDPE) משלב את Hexene או octene Commoners כדי להפחית באופן מכוון את הקריסטליניות ולשפר גמישות.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (ה') ,[דרוש מקור], ו[דרוש מקור], ו[דרוש מקור] [15], ו[דרוש מקור] מראיין: ⁇ [=ה[[המאה ה-20]], ו[[1924]]

תנאי עיבוד

  • (FLT:0Cooling Rate: 1) קירור איטי מאפשר שרשראות זמן להתארגן לתוך lamellae קריסטל. Rapid קירור (הקטיפה) שרשראות בקונפורציות לא מופרכות, לייצר גבישים נמוכים.חלקים מזוהים של הזרקת לעתים קרובות להראות מורפולוגיה עור-עור: עור קריר במהירות ועור אט-קוע, יותר גבישי.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ : ⁇ 1 (הההתחילה) מתחת לטמפרטורה ההיתוך לתקופות מורחבות מאפשר התגבשות משנית ושלמות של גבישים קיימים, הגדלת הן גבישיות והן עובי למלאר.
  • (FLT:0) עיוות מכניזם: FLT:1 ; למתוח רשתות פולימרים חומרים ויכולות לגרום התגבשות מושרה מתוחה, במיוחד במערכות elastomeric.תופעה זו מנוצלת בסיבים מסתובבים כדי להגביר את הכיוון ואת הקריסטליניות במהלך הציור.
  • (FLT:0) סוכנים ננקיים: 1FLT) הוסיפו חלקיקים כגון טלק, סיליקה, או תרכובות אורגניות מיוחדות מספקים משטחים אשר מורידים את מחסום האנרגיה החופשי לניקיון, להגדיל את מספר הקשקשים ולעיתים קרובות להפחית את גודלם תוך העלאת גבישים.

המונחים: Crystallinity

קסטליניות קוונטית דורשת טכניקות אנליטיות שמבדלות אזורים מסודרים ומזויקים.השיטות הנפוצות ביותר כוללות:

  • (ב) ⁇ :0) קרינת רנטגן (XRD): אנדרט 1 מודד את עוצמת שיאי קריסטל חדה מול ההילה החמקמקה, זה מספק מידה ישירה של תוכן גבישי וממדים תא יחידה.
  • (FLT:0) דיפרנטי סריקה קלורימנטריטרי (DSC): LT:1 Determines גבישי על ידי השוואת החום הממדד של היתוך לחום התיאורטי של היתוך עבור הפניה גבישית של 100 אחוזים. שיטה זו מניחה שכל אזורי הקריסטל מתרבים בטמפרטורה הנצפת.
  • (FLT:0) מדדי חישה: 1FLT אזורי קריסטל הם צפופים יותר מאשר אזורים amorphous ברוב הפולימרים. measuring צפיפות מרבית באמצעות עמודות ⁇ וליישם את שלטון התערובת מניב גבישים, בתנאי גבישי ודנות amorphous ידועים.
  • (FLT:0) ספקטרום אינפרא אדום (FTIRVER): להקות ספיגה ספקיות 1:1 ספקטרום ספקטרום ספקטרום או התאמות amorphous. עבור פוליאתילן, 720 ס"מ ו 730 ס"מ - 1 להקות להבדיל רכיבי amorphous גבישי גבישי.
  • חידוש מגנטי ננוקלאר (NMR:FLT: 1 Solid-state NMR יכול להבחין שרשראות תזכיר ניידות מרשתות גבישיות קשיחות המבוססות על זמני הרפיה.

ההשפעה של Crystallinity על תכונות מכניות

ההתנהגות המכנית של פולימרים נוספים קשורה קשר אינטימי למורולוגיה החציקריסטלית שלהם. Crystalline lamellae לפעול כמו crosslinks פיזי ו recing תחומים נושאים נושאים עומס, בעוד אזורים amorphous מספקים פירוק אנרגיה ולהתאים את deformation.המשחק בין השלבים האלה קובע את התגובה המכנית של מאקרוסקופית.

סטיות ושינויים

המודולים האלגנטיים של פולימרים סמיקלקטיים עולים עם גבישיות מכיוון שאזורי קריסטל הם נוקשים יותר מאשר אלו amorphous. a גבישי HDPE עשוי להציג צעיר ’ שלמדו של שלב 1 וndash;2 GPa, בעוד חומר גבישי נמוך כמו תצוגות LD עשוי להציג את אופן של 0.22 ו 0.4ash; הוא גם לחץ דם נמוך יותר על פני טמפרטורה נמוכה יותר.

כוח והתנהגויות חלשות

כוח Tensile בדרך כלל עולה עם גבישיות כי גבישי lamellae מתנגד חלוקה החלקה שרשרת נושא לטעון. עם זאת, הלחץ מניבה תלוי לא רק על גבישיות, אלא גם על גודל spherite ועובי lamellar. spherulites (הצטבר באמצעות nucleation סוכנים) נוטה לשפר הן כוח ו duility כי הם להפחית את הלחץ על גבולות pherite; ב קיבולת גבוהה ב 0%; 000; 000; 000; 000 נדרין, 000.

קשיחות והתנגדות להשפעה

היחסים בין קריסטלנות ונוקשות הם מורכבים יותר. ⁇ דורשת ניתוק אנרגיה באמצעות עיוות פלסטיק, ואזורים amorphous לספק את היכולת הזאת.ישבן גבוה מאוד יכול להוביל לערעור כי אזורים גבישיים מתנגדים עיוות וסדקים propagation מתרחשת בקלות. ppropylene מדגימה את המסחר הזה: מאוד גירוי פלילי הוכחופולני על ידי חומרים קשים, אבל השפעה שלילית על ידי גירוי אגרסיבית של טמפרטורות נוגדת גומי.

ביצועים ארוכים וארוכים

אזורי קריסטל מתנגדים לזרימה מולקולרית תחת עומס מתמשך, מה שהופך את הקריסטליות גבוהה יותר מועיל עבור ההתנגדות המצוקה. הנכס הזה חשוב ביקורתי עבור יישומים כגון צינורות צינורות צינורות צינורות צינורות רכב, וחלקים מבניים. HDPE נועדו להפצת גז להשיג את היציבות הממדית שלהם באמצעות גבישים מבוקרים בקפידה בטווח של 60 ונדריש;70 אחוזים.ה תרמית יכול לשפר עוד יותר את ההתנגדות על ידי הפחתת תנובת עבה וצמצום שרשרת ניידות.

ללבוש והתנגדות

גבישיות גבוהה יותר משפרת בדרך כלל את קשיחות פני השטח ואת ההתנגדות ללבוש.אזורים גבישיים מציגים משטח חזק יותר אשר מתנגד שריטות והסרת המוחות. בפוליאתילן המשמש עבור מברשות חלופיות משותפות, משקל מולקולרי גבוה גבוה יותר פוליאתילן (UHMWPE) עם קריסטלנות סביב 50 – 70 אחוזים מספק את ההתנגדות ללבוש הנדרשת, ולאחר-irdation aling או קישורים עוד יותר עבור גבישים עבור גבישים ארוכים יותר עבור גבישים.

אפקט הקריסטליניות על תכונות אופטיות

ההתנהגות האופטית של תוספת פולימרים & mdash; השקיפות שלהם, האז, מבריק ואינדקס השבירה & mdash; היא מושפעת מאוד על ידי גבישיות.המנגנון הבסיסי הוא פיזור אור בגבולות בין גבישים ואזורים amorphous. כאשר גודל של דומיינים גבישיים מתקרב או עולה על אורך הגל של אור גלוי (400 & ndash; n700m), הופך משמעותי, הופך חומר transa נראה או נראה.

שקיפות ו-Hum

פולימרים מקיפים כגון פוליסטרון אטקטי, פוליקרבונט ופולי מתיל methacrylate (PMMA) הם שקיפות אופטית כי הם חסרים גבולות שלב גדול מספיק כדי לפזר אור גלוי. Semicrystalline פולימרים, בניגוד, מכילים spherlinic כי הם בדרך כלל 1 – 100 מטר בקוטר, גדול יותר מאשר גל של אור zeicic מכיל zemite פיזור של zemite של zeulating אסטרטגיות.

אינדקס סירוב ו-Breparnce

קריסטל ומחוזות amorphous יש אינדיקציות שונות של קירור בגלל הבדלים בדחיסות האריזה המולקולרית.בפולימרים מוכווניים (כגון סיבים נמשכים או סרטים מתוחים), lamella גבישי מתואם באופן מעדיף, יצירת דו-פרינס חזק: מדד השבירה שונה עבור מקבילה מקוטבת קלה לעומת perpendicular לכיוון.

העברה לאור ב-Semicrystalline Polymers

המשתנים המרכזיים השולטים בהעברת אור הוא ההבדל באינדקס השביר בין השלבים amorphous ו גבישי. בפוליאתילן, בשלב האמפירי יש אינדקס השביר של בערך 1.49, בעוד שלב הקריסטל הוא קרוב ל-1.55. זה 4 אחוזים לא מבדילים חזקים בכל ממשק לליטר.

יישומים אופטיים של Crystallinity

  • (FLT:0) סרטי קולנוע: FLT:1 נמוך-קריסטליניות פוליאתילן וסרטי פוליפרופילן משמשים לבהירות בשקיות תוצרת טריות, לעטוף ולקצוות שקוף.ד.ר.גלגל מהיר משמר גבישים נמוכים בסרט הסופי.
  • (FLT:0) סיבים אופטיים: FLT:1ir פולי מתיל methacrylate (PMMA) סיבים אופטיים מסתמכים על שקיפות חרפית.
  • (FLT:0) משקולת פני השטח: ⁇ 1) גבוה קריסטליניות פוליאתילן ופוליפרופילן מייצרים משטחים לבנים, ⁇ המשמשים באריזות רפלקטיביות ובנייר סינתטי.המספר המתפזר מתחומים גבישיים יוצר מראה דמוי נייר.
  • (FLT:0) סרטי ניהול אור: 1 בינואר (Biaxially מוכוונת פוליפרופילן עם גבישים מבוקרים וריקנות להשיג הזזה מסוימת ודרישה לסרטי חממה חקלאיים ולהציג מדריכים אור.
  • תכונות סודיות:0 (FLT:1) התגבשות מקומית באמצעות חימום לייזר יכול ליצור דפוסים שקוף-on-opaque בסרטים חציקריסטלליין, המשמש אימות ויישומים נגד מרשם.

מערכות יחסים יצירתיות-טיפוח-תרגול: מעשי Guidance

הבנת הקישורים בין עיבוד, גבישיות ונכסים הסופיים מאפשרת ליצרנים לעצב חומרים לשימושים ספציפיים.העקרונות הבאים מנחים יישום מעשי:

עיצוב של יציבות וכוח

יישומים הדורשים ביצועים גבוהים ויכולת טעינה תועלת מהגמישות המקסימלית.הקירור איטי, מחזורי נשימה ארוכים, והשימוש ב-nucleating סוכנים למקסם את התוכן גבישי. Polypropylene car מגשs, למשל, הם חלקים עבים ומוערכים כי קריר יחסית לאט, פיתוח גבישי מעל 60 אחוזים עבור נוקשות בטמפרטורות גבוהות אפילו יותר, סיבים זכוכית או סיבים פחמן יכול להגדיל את התוספת גבישית.

עיצוב עבור מהירויות וגמישות

כאשר ההתנגדות או הגמישות היא רבת-חשיבות, הישבן התחתון הוא המועדף. ניתן להשיג באמצעות קירור מהיר, הכפייה עם משבשת נפוצים, או הצגת הפלסטיים. Polyethylenelenelenelene עבור בקבוקי מכוסה מאזן גבישים: יותר מדי מוביל לערעור, מעט מדי תשואה מכנית לא מספקת.

עיצוב לשקיפות

עבור מוצרים spherulites שקוף, nucleating סוכנים המייצרים spherulites submicron הם חיוני.קליד פוליפרופירלין בשימוש במיכלי מזון מיקרוגל המשמשים ממחזרים מבוסס sorbitol על ריכוזים של 0.1 –0.5 אחוזים, צמצום גודל spherulite מ squaulite מ תריסר מיקרומטרים פחות מ 1 מיקרומטר, לאחר מכן, מעקב אחר רטיבות נמוכה.

עיצוב יכולת ממדית

חלקים שצריכים לשמור על ממדים מדויקים לאורך זמן וטמפרטורה ליהנות מהתחילות גבוהה בשילוב עם אנמנלינג תרמי. Post-גילום annealing ב 100 –130°C עבור פוליפרופילן מפחית מתח חיוור ומאפשר קריסטל להגיע רמות איזון.תהליך זה קריטי עבור מרכיבים מדויקים של הזרקת חלקיקים ביישומים של רכב ואלקטרוניקה שבו מלחמה או כווץ במהלך שירות לא מקובל.

מסקנה: Crystallinity as a Design Lever

קריסטלנות אינה רק מפיץ אקדמי של מבנה פולימרים; היא מנוף עיצוב חזק כי יצרנים יכולים לתמרן כדי להשיג פרופילים רכוש ממוקד בנוסף פולימרים.תואר סדר קריסטל שולט ישירות נוקשות, כוח, קשיחות, התנגדות זחל, ושקיפות, לעתים קרובות לייצר עסקאות כי חייב להיות מאוזנת בזהירות. על ידי בחירת ארכיטקטורות פולימרים מתאימים ושליטה בתנאי עיבוד; קצב, חום, וגמישות תרמית, בדיוק חומרים קשיחים על המיקום שלהם ספקטרום מלא של חומרים מכני.

העתיד של עיצוב פולימרי סמיקלליין שוכן בכלים מתקדמים המאפשרים ניטור קריסטל בזמן אמת במהלך עיבוד, מודלים חישוביים כי לחזות קינטיקה גבישית עבור גיאוגרפיה מורכבת, וננו מבנים סוכנים מניקה אשר להשיג שילובים חסרי תקדים של שקיפות וכוח. כמו תעשיות דורשות חומרים קלים, יותר פונקציונליים, מאסטרי של גבישיליות נשאר אבן הפינה של הנדסה פולימרית.

קריאה נוספת ומשאבים

עבור הקוראים המבקשים הבנה טכנית עמוקה יותר, ההפניות הבאות מספקות כיסוי סמכותי של גבישיות בנוסף לפולימרים:

  • (FLT:0)Polymer Database: Polymer CrystallinityveFLT:1 וונדאש; סקירה טכנית מקיפה של יסודות גבישיות וטכניקות מדידה.
  • (FLT:0) ספינגנר: קריסטליזציה בפולימריב עיבוד FLT 1 – טיפול מעמיק בקינטיקה של קריסטליזציה ויחסים מבניים לעיבוד.
  • (FLT:0) דוחות מדעיים: אפקט של קריסטל על תכונות מכניות FLT 1 – מאמר מחקר בוחן את היחסים הכמותיים בין גבישי לבין תגובה מכנית פולימרנית.