פולימרים הם בין החומרים הכי יקר בחיים המודרניים, נמצא בכל דבר מאריזות חד פעמיות לרכיבי אווירו-ביצועים ביצועים גבוהים.הגמישות המדהימה שלהם נובעת מהמבנה המולקולרי הפנימי שלהם, במיוחד הדו-קיום של תחומים amorphous וגביעיים. שני השלבים הייחודיים האלה קובעים את העוצמה המכנית של פולימר, בהירות אופטית, עמידות תרמית וכימיקלית על ידי הבנה ומניפולציה בין המהנדסים לבין תכונות אלה בדיוק לתחומים ספציפיים של חומרים אלה.

יסודות המבנה הפולימר

פולימרים מורכבים מרשתות ארוכות של חזרה על יחידות מולקולריות, או מונומרים.רשתות אלה יכולות לארוז יחד בדרכים שונות בהתאם למבנה הכימי שלהם, אורך שרשרת ותנאי עיבוד.שני סוגים עיקריים של ארגון מוצק-מדינתי קיימים:

  • (FLT:0) אזורים שבהם רשתות פולימרים מסובכות באופן אקראי והפרעה.של השרשראות חסרות סדר ארוך, בדומה להסדר של מולקולות בכוס.תחומים אלה תורמים גמישות, התנגדות השפעה ושקיפות.
  • (FLT:0Crystalline Domains:FreaLT:1 Zones שבו רשתות פולימר קפצו ויישר לתוך קבוע, חוזר על lattice. השרשראות ארוזות בקפידה, נותן את צפיפות החומרית גבוהה, כוח ויציבות תרמית. אזורי קריסטל אינם מסודרים באופן מושלם, אבל מורכבים גבישים קטנים מופרדים על ידי אזורים amorphous.

רוב הפולימרים אינם גבישיים מלאים או חרפיריים לחלוטין, אך הם (FLT:0semicrystallineFLT:1, המכיל את שני השלבים.תואר של קריסטלנות - אחוז החומר שהוא גבישי - טווחים מ 0% עבור פולימרים מוחלטים כמו פולימרים פולימרים פוליאמוריים על פני למעלה מ -90% עבור גבישים גבוהים כמו השפעות פוליתניות גבוהה (HD) של מאקרו-אפן.

הבדלים מרכזיים בין שלב Amorphous ו- Crystalline

הבנת המאפיינים הייחודיים של כל שלב היא חיונית לחיזוי התנהגות פולימרית.ההבדלים נובעים מהסידור של רשתות פולימרים וכוחם של כוחות בלתי-חליליים.

  • (FLT:0)Molecular Order:FLT:1 , Crystalline תחומים מציגים סדר ארוך טווח עם שרשראות ארוזות ב lattice תקופתי. Amorphous תחומים חסרים סדר כזה, עם שרשראות מוכוונת באופן אקראי ומורכב.
  • (FLT:0) רגישות: 1 משום שאריזות קריסטל יעילות יותר, אזורי קריסטל יש צפיפות גבוהה יותר מאשר אלה amorphous.לדוגמה, צפיפות של השלב הקריסטלי של פוליאתילן היא בערך 1.0 גרם / ס"מ3, בעוד שלב amorphous הוא סביב 0.86 / 3 ס"מ.
  • (ב) [ה]המילה: [ה] [ה] [ה]] [ה] [ה]] [ה]], [ה]], [ה]] [ה]]]]] [ההתעל-פי], [ה[[המאה ה-20]], היא בעלת משמעות גדולה יותר, ו[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]
  • (FLT:0)Optical Properties:FLT:1 דומיינים אמורפיים מתפזרים מעט אור כי צפיפותם אחידה בקנה מידה של אורכי גל גלויים, מה שהופך פולימרים שקוף.
  • (FLT:0) תגובה מכנית: 1) אזורי קריסטל 1:1 תורמים נוקשות, כוח, והתנגדות חולפת. אזורים אמורפיים מספקים דוקטרינה, קשיחות וגמישות.המאזן קובע אם פולימר הוא נוקשה או גמיש.

הבדלים אלה מתכוונים כי אותו פולימר יכול להתנהג באופן שונה מאוד בהתאם להיסטוריה של העיבוד שלה וכתוצאה מכך קריסטליות.לדוגמה, פולי(אתילן terephthalate) יכול להיות ברור וגמיש כאשר מכווץ (amorphous) או אופיוק חזק כאשר הוא מתקרר לאט (קריסטל).

כיצד Crystallinity משפיע על תכונות פולימר

תואר של קריסטלנות הוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר המדורגים את הביצועים של חומר פולימרי.כאן אנחנו לשבור את תחומי הקניין מפתח.

תכונות מכניות

גבישיות גבוהה יותר בדרך כלל מגבירה את המודולולים (stiffness), כוח רבילי, ואת הקשידות.אזורי קריסטל פועלים כמו crosslinks פיזיים ומחזקים את החומר.עם זאת, גבישיות מוגברת לעתים קרובות מפחיתה את הארכה על הפסקה והשפעה קשיחות. עבור יישומים הדורשים יכולת גבוהה של עומס, כגון רכיבים מבניים או סרטי אריזה, גבוה הוא רצוי עבור גמישות או גזי, עם גבישים, עם יותר עם גבישים, עם יותר.

  • (ב) ⁇ :0) ,(הההתמדה של יאנג) יכולה להגדיל את 2-10 פעמים מצורות מזכרות ועד גבישיות גבוהות.
  • (ב) ל"החזקה": 1FLT:1 יש יותר פולימרים גבישיים יש נקודות תשואה גבוהות יותר, אך ייתכן שיהיה יותר נוטה לשקוע תחת השפעה.
  • (FLT:0)Fatigue Resistance: 1FLT:1 Crystallinity משפר עמידות טעינה מחזורית לטווח ארוך, אך נוכחות של ממשקים גבישיים-amorphous יכולה גם לפעול כמו אתרי סדקים.

נכסים ארסיים

דומיינים קריסטל מעלים את נקודת ההיתוך ומשפרים את התנגדות החום (טמפרטורת המעבר הזכוכית) (TFLT:0gigreaFLT:1) קשורה לשלב הנבואה; מתחת ל TreaFLT:2giguaFLT 3:2gphal 3:0gigials, הפולימרים הוא זכוכיתי ו-RayFLT:5, השרשרת האדמומית של טמפרטורות גבוהות יותר, כלומר, מעל לטמפרטורה גבוהה של טמפרטורות גבוהות יותר, מעל לטמפרטורה גבוהה.

תכונות אופטיות

השקיפות נשלטת בעיקר על ידי כמות וגודל של מבנים גבישיים.אם הקריסטלים גדולים יותר מאורך הגל של אור גלוי (כ-400-700 nm), הם מתפזרים אור, מה שהופך את החומר או translucent. Amorphous פולימרים הם בדרך כלל ברורים (למשל, פולי (methyl methacrylate) - PMMA, Carbonate).

עמידות כימית ונכסי גדר

אזורי קריסטל הם ארוזים יותר ויותר חזק ופחות חדורים גזים ונוזלים. גבישים גבוהים יותר משפר את ההתנגדות לפתירת, שמנים וכימיקלים כי המבנה המצוין מקטין את נפח חופשי הזמין עבור diffusion. זו הסיבה לכך HDPE משמש עבור מיכלים כימיים קורוזיים, בעוד פוליסטרון amorphous הוא מותקף בקלות על ידי פחמימנים.

  • דוגמה: Polyamide (nylon) עם 50% גבישיות יש ספיגה מים נמוכה משמעותית מאשר המקבילה amorphous שלה.
  • אפקט של גבישיות על עמידות גז: ב PET, עלייה של 30% בישבן יכולה להפחית את צריכת החמצן ב-50%.

בקרה על קריסטל במהלך עיבוד

יצרנים משתמשים במגוון של טכניקות כדי לשלוט בכמות, בגודל ובחלוקת תחומים גבישיים.המטרה היא להשיג את האיזון הרצוי של נכסים עבור היישום המיועד.

Cooling Rate

השיטה הפשוטה ביותר. קירור איטי מאפשר לשרשראות פולימריות להתארגן לתוך משטח גבישי, הגדלת גבישי. קירור מהיר (הקנצ'ינג) מנעולים שרשרת לתוך מצב לא מסודר, amorphous. הזרקת עובש לעתים קרובות משתמש קירור מבוקר כדי להשיג פרופילים גבישיים ספציפיים. לדוגמה, חלקי פוליפרופילן (PP) יכולים להיות מורכבים יותר על ידי קירור מהיר, או יותר על ידי קירור נוקשה יותר על ידי קירור איטי יותר.

« סוכני ניקוי

הוספת חלקיקים קטנים (טלפון, סיליקה, נגזרות sorbitol) מספק משטחים על אילו רשתות פולימריות יכול להתחיל להתגלגל. סוכנים אלה להגדיל את מספר אתרי ניונקיה, וכתוצאה מכך מספר גדול יותר של גבישים קטנים יותר. spherulites יפה יכול להתחיל לשפר את ההשפעה ואת השקיפות (כיוון גבישים קטנים יותר לפזר פחות אור).

המונחים: Stretching

מתיחה מכנית במהלך עיבוד (למשל, מתיחה סרט, סיבים) מיישר שרשראות פולימרים לאורך כיוון של מתיחה. אוריינטציה זו מקדם התגבשות בכיוון של היישור, שיפור כוח ונוקשות בכיוון זה. Biaxial אוריינטציה (התכופף בשני הכיוונים) משמש עבור בקבוקי PET ופוליפרופילן מוכוון מבחינה מכוונת מבחינה טכנית (BOP) כדי לשפר את החוזק והנכסים של מחסומים.

אנליינג

היותו פולימר לטמפרטורה בין TigFLT:0gigtureFLT ( 1:1 ו TreaFLT:2mphFLT 3) והחזקתו לתקופה מאפשרת גבישים לגדול ולארגן מחדש.Annaling מגביר את מידת התגבשות ואת השלמות של גבישים, אשר יכול לשפר יציבות ממדית ולהקל על מתחים פנימיים.

שימוש בתוספים וקומפוימר

הפלסטיקים או הדילולנטים מסוימים יכולים לעכב קריסטליזציה, מה שהופך את הפולימר יותר amorphous. Copolymerization - שילוב מונומרים שונים - משבשות שרשרת קבועות ומפחית את היכולת להתגשם. copolymers אקראי נוטה להיות amorphous, בעוד בלוק copolymers יכול בשלב-parate לתוך קריסטל ותחומים זדוניים, המאפשרים הנדסה.

תכונות של Amorphous ו- Crystalline Domain

כדי להבין ולבקר בביצוע פולימרים, מדענים משתמשים בשיטות אנליטיות כדי לכמת גבישיות וגודל התחום.טכניקות מפתח כוללות:

  • (FLT:0) סורק קלורימנטריטרי (DSC): PH:1 מדדי חום זורמים במהלך חימום. האזור תחת קצה ההמיסה נותן את הדל של היתוך, אשר ניתן להשוות את הליטפיל התיאורטי עבור פולימר גבישי 100% כדי לחשב תואר של גבישיות.
  • (FLT:0)X-Ray Diffraction (XRD): FLT) 1 Wide-ray פיזור רנטגן (WAXS) חושף שיאים חדים עבור מטוסים גבישיים ושפל רחב לפיזור אמורפי.
  • (FLT:0) מדדי רגישות: FLT:1 מאז שלב גבישי ו amorphous יש תצפיות שונות, מדידת צפיפות הרוב מאפשרת חישוב של גבישיות באמצעות כלל תערובת פשוט.
  • (FLT:0) ספקטרום אינפרא אדום (FTIR): להקות ספיגה 1:1 ספציפי רגישים להתאמה של שרשרת ואריזות.יחס גבישי ללהקות אמורפיות ניתן להשתמש כדי להעריך גבישיות.
  • (FLT:0Microscopy: 1FLT:1 מיקרוסקופ אופטי פולר (POM) הדמיה spherulites. Atomic Force microscopy (AFM) ו- העברת מיקרוסקופיה אלקטרונים (TEM) מספקים תמונות ישירות של גבישי מלפר ואזורים amorphous בקנה מידה ננומטר.

לקבלת מידע נוסף על שיטות אנליטיות, ראה את הסקירה של הסקירה של סטיות פולימריות של הנדסת פולימריות (FLT:1 ), הבנת תחומים אלה ברמה מולקולרית חיונית לתכנון חומרים מתקדם.

דוגמאות ויישומים אמיתיים

יישומים שונים מנצלים את האיזון הייחודי של תחומים amorphous ו גבישיים. להלן הם כמה פולימרים בולטים וכיצד מבנה התחום שלהם שולט בשימוש שלהם.

Polyethylene Terephthalate (PET)

PET הוא דוגמה קלאסית של פוליסטר חצי-קריסטלליין.בייצור הבקבוק, הפולימרים הוא הזריקה מעוצבת לתוך preform (amorphous ובהיר) ולאחר מכן מתוחה-blow עובש.הכיוון המביאלי גורם קריסטליזציה, נותן את הכוח, בהירות ותכונות מחסום.הגבימיות מגיעה כ -30–40% עבור מוצרי הצריכה, לשלוט היחס הוא קריטי יותר: HDFicial מציעה עיבוד נוסף;

High-Density Polyethylene (HDPE)

HDPE יש מבנה שרשרת ליניארי עם חסימה מינימלית, המאפשר לו להתגלגל עד 60–80%. גבישי גבוה זה נותן HDPE קשיחות מעולה, עמידות כימית, ונחיתות נמוכה.זה החומר של בחירה עבור חלב ג'ס, בקבוקים מרתיעים, צינורות גבישיים corrosion-resistant.הפי המסחר מופחת בהירות וירידה ההתנגדות בהשוואה לפולית נמוכה יותר (dirdity) וענפים נמוכים יותר).

פוליוויניל אלכוהול (PVA)

PVA מיוצרת לעתים קרובות עם תוכן גבוה אמורפי כדי להשיג שקיפות וגמישות.זה משמש באריזות מים פתורות, ציפוי נייר, ו דבקים.הישבן שלו יכול להיות מוגברת באמצעות טיפול חום או ציור כדי לשפר תכונות מכניות, אבל טופס גבישי מלא אינו נפוץ במוצרים מסחריים.

Polytetrafluoroethylene (PTFE)

PTFE (Teflon) הוא גבישי מאוד (עד 98%) בשל עמוד השדרה הליניארי, הרגיל מבחינה כימית, זה נותן לו חיכוך נמוך, נקודת התכה גבוהה, והתנגדות כימית יוצאת דופן. עם זאת, הקריסטליות גבוהה עושה את זה קשה לעבד על ידי שיטות קונבנציונליות כי זה לא זורם בקלות. PT הוא בדרך כלל מחטא אבקה כדי ליצור ציפויים לא מקליים וחותמות.

Polycarbonate (PC)

Polycarbonate הוא בעיקר amorphous, מתן שקיפות יוצאת דופן והתנגדות השפעה.זה משמש עדשות משקפיים, זכוכית עמידת קליע, מכשירים רפואיים.חוסר גבישיות שלה נותן לו יציבות ממדים מעולה אבל התנגדות כימית גרועה יותר צמרמורת גבוה יותר תחת עומס סטטי בהשוואה thermoplastics גבישי.

מגמות עתידיות בהנדסה

ככל שהמדע החומרי מתקדם, אסטרטגיות חדשות לשלוט בדומיינים של אורעור וגביעיות מתעוררות.טכניקות אלה נועדו ליצור פולימרים עם שילובים חסרי תקדים של תכונות.

ננוקום וננופללרים

שילוב חלקיקים ( nanotubes, גרפן, חימר) יכול לפעול כמו סוכנים מניקה, שינוי דרסטי במבנה גבישי. הם יכולים לגרום התגבשות אפיתרמיאליות וליצור רשתות מתקדמות שמשפרות מוליכות חשמלית וכוח מכני. החוקרים משתמשים גם חלקיקים כדי להתכופף גבישים, יצירת מבנים לליטריים ננומטריים.

בלוק קופואלימר ועצמי

בלוק copolymers המורכב של משטחים גבישיים ולא-קריסטיים יכולים בשלב-ההפרדה לתוך nanostructures הורה. על ידי שליטה על אורך בלוק ועיבוד, אחד יכול ליצור חומרים עם שינוי גבישי וננודומיטים amorphous - שימושי עבור thermoplastic elastomers (למשל, SBS) או עבור ננומטר.

Polymers and Responsive Domains

פולימרים שמשנים גבישים בתגובה לגירויים (זמן, pH, אור) מפותחים.לדוגמה, פולימרים בצורת-זיכרון מסתמכים על מעבר בין מדינות amorphous ו גבישיות ל"זוכרות" צורה קבועה.חומרים אלה יש יישומים במכשירים ביו-רפואיים, פועלים וציפויים-עצמיים.

טכניקות עיבוד מתקדמות

שיטות כמו ייצור תוספים (3D הדפסה) מאפשרות שליטה שכבתית על שערי קירור וכיוון, המאפשרות ⁇ קריסטלנות על פני חלק. עיבוד מונע לייזר וחימום מקומי יכול ליצור תבניות גבישי בקנה מידה מיקרו עבור ביצועים מכניים אופטיים מותאמים.היכולת לעצב מבנים דומיין דיגיטלית היא פתח גבולות חדשים בהנדסה פולימרית.

מסקנה

הממשק בין תחומי amorphous ו גבישי הוא הבסיס של ביצועי פולימרים.על ידי שליטה כיצד התחומים האלה יוצרים, אינטראקציה, להגיב לתנאי עיבוד, מהנדסים יכולים לייצר חומרים שהם בו זמנית חזקים, קשוחים, שקוף ועמידים מבחינה כימית - ההסתברות כי לעתים קרובות נראה סותרת.מבהירות של בקבוק מים בקנה מידה של יישום של צינורות משותף, איזון של סדר ורמות מולקולריות מתכתיבים, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, לא, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם כן, לא יכול להיות יעיל יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם כן, כמו גם חומרים חיוניים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו גם חומרים יצירתיים יותר, כמו שיטות פיתוח מדעי המוחשיניים, כמו גם כן, יעיל יותר, לא יעיל יותר, כמו גם כן, לא יעיל יותר, לא יכול להיות יעיל יותר, כמו גם כן, כמו גם חומרים חיוניים, כמו גם חומרים חיוניים יותר, לא יכול להיות יעיל יותר, כמו שיטות

לקריאה נוספת על עקרונות של גבישי פולימר והשפעה על תכונות, מתייחס לסקירה (FLT:0) ב- International Journal of Polymer SciencecioFLT:1.