Chất độn ảnh hưởng như thế nào đến quá trình kết tinh của polyme?

Việc phát hiện ra các đặc tính tuyệt vời của vật liệu composite nylon 1980/đất sét vào những năm 6 đã dẫn đến nhiều nghiên cứu về vật liệu composite polyme được lấp đầy và sự hiểu biết mới về vai trò của chất độn trong polyme. Sau đây là cái nhìn về tác động của chất độn lên hành vi kết tinh của polyme.

Ảnh hưởng của chất độn đến hình thái tinh thể của polyme

Việc bổ sung chất độn ảnh hưởng đến hình thái tinh thể của polyme:

Polyme tinh thể tạo thành các dạng tinh thể khác nhau trong các điều kiện kết tinh khác nhau và tinh thể hình cầu là một trong những dạng đặc trưng phổ biến nhất của quá trình kết tinh polyme. Trong điều kiện đúc và chế biến thông thường, polyme tinh thể thường tạo thành dạng tinh thể hình cầu.

Việc bổ sung chất độn có vai trò trong quá trình hình thành hạt không đồng nhất và tinh chế hạt:

Các tinh thể hình cầu lớn và thưa thớt sẽ trở nên nhỏ và đặc, việc tinh chế các tinh thể hình cầu và cải thiện độ dẻo dai của vật liệu đều có lợi và có thể là một phương pháp hiệu quả để làm cứng polyme.

Tính tương thích của chất độn với ma trận nhựa cũng ảnh hưởng đến hình thái tinh thể:

Ví dụ, Qiao Fang và cộng sự phát hiện ra rằng montmorillonite hữu cơ phá hủy cấu trúc tinh thể hình cầu của nylon 6, chủ yếu là do các phân tử nylon 6 có hiệu ứng liên kết mạnh với các hạt montmorillonite hữu cơ, do đó chuyển động của các phân đoạn chuỗi phân tử nylon 6 bị cản trở trong quá trình kết tinh và khó có thể phát triển theo sự sắp xếp đối xứng và đều đặn theo hướng xuyên tâm, do đó quá trình phát triển kết tinh bị cản trở, do đó tạo ra các tinh thể không hoàn chỉnh.

Trong quá trình đúc vật liệu composite polyme chứa sợi, các sợi có thể đóng vai trò hình thành hạt và các tinh thể hình cầu không còn điều kiện để phát triển ba chiều trong quá trình phát triển, sau đó chuyển sang dạng phát triển dạng cột, tức là phát triển một chiều định hướng tạo ra các tinh thể ngang.

Ví dụ:

Chất tạo hạt là một loại chất có thể thay đổi hành vi kết tinh của nhựa và thay đổi hình thái vi mô của polyme để mang lại cho chúng các tính chất và chức năng mới, và là chủ đề nghiên cứu nóng hổi hiện nay trong và ngoài nước.

Cơ chế hoạt động: Ở trạng thái nóng chảy, khi tác nhân tạo hạt cung cấp các hạt cần thiết, polyme sẽ chuyển từ dạng hạt đồng nhất sang dạng hạt không đồng nhất, giúp tăng tốc độ kết tinh và tinh chỉnh cấu trúc hạt, đồng thời cải thiện độ cứng của sản phẩm.

Tác nhân tạo hạt chủ yếu có thể được chia thành tác nhân tạo hạt vô cơ, tác nhân tạo hạt hữu cơ và tác nhân tạo hạt polyme. Tác nhân tạo hạt nano đã trở thành điểm nóng cho nghiên cứu tác nhân tạo hạt vì nhiều trung tâm hoạt động trên bề mặt của chúng, có thể liên kết chặt chẽ với chất nền và có khả năng tương thích tốt hơn, và các hạt không dễ bị tách rời với nhau khi chịu tác động của lực bên ngoài.

Ảnh hưởng của chất độn đến động học kết tinh polyme

Quá trình kết tinh polyme bao gồm hai giai đoạn: hình thành hạt và phát triển. Phương trình Avrami thường được sử dụng để mô tả quá trình kết tinh đẳng nhiệt của polyme và bằng cách tìm chỉ số Avrami n và hằng số tốc độ kết tinh K, cơ chế phát triển của tinh thể và tốc độ phát triển có thể được suy ra.

Mucha M và cộng sự trong nghiên cứu về động học kết tinh của PP chứa than đen đã phát hiện ra rằng có một hiện tượng kết tinh hai bước: trong giai đoạn đầu của quá trình kết tinh liên quan đến sự hình thành hạt nhân không đồng nhất của PP, sự hình thành hạt nhân trên bề mặt các hạt than đen, không xảy ra va chạm của các hạt nhân trong giai đoạn đầu của quá trình kết tinh và sự phát triển không bị giới hạn; tiếp theo là giai đoạn kết tinh chậm trong đó tốc độ phát triển bị chậm lại do va chạm lẫn nhau giữa các tinh thể. Ở giai đoạn đầu của quá trình kết tinh, n là khoảng 2.0, trong khi ở giai đoạn sau của quá trình kết tinh, n là khoảng 3.0. Người ta cũng phát hiện ra rằng việc bổ sung các lượng than đen khác nhau có tác động khác nhau đến các giá trị của K và n. Ở cùng một nhiệt độ kết tinh, giá trị của K tăng lên khi lượng than đen bổ sung tăng.

Theo phương trình Avrami, giá trị n phải là số nguyên dương nhỏ hơn hoặc bằng 4. Trong thực tế, giá trị n của quá trình kết tinh của polyme thường là số thập phân và có vẻ bằng 5, điều này chỉ ra rằng quá trình kết tinh thực tế lệch khỏi phương trình Avrami và xảy ra hiện tượng kết tinh thứ cấp hoặc va chạm tinh thể hình cầu.

Mô hình cấu trúc tinh thể của polyme được điền đầy

Trong những thập kỷ gần đây, lý thuyết và thí nghiệm đã chứng minh đầy đủ rằng thực sự có một vùng chuyển tiếp giữa vùng tinh thể và vùng vô định hình của tinh thể. polyme, tức là lớp trung gian, gọi là pha trung gian tinh thể - vô định hình.

Tác động của talc lên cấu trúc của vùng tinh thể, vùng vô định hình và pha trung gian của polyethylene mật độ thấp (LDPE) đã được phân tích bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại hai chiều động. Kết quả cho thấy việc bổ sung talc tạo ra một số thay đổi nhất định trong mô hình cấu trúc tinh thể của LDPE và kết luận rằng talc có liên quan chặt chẽ với vùng tinh thể nhưng không liên quan đến pha vô định hình, dẫn đến sơ đồ cấu trúc suy ra.

Nghiên cứu về tác động của chất độn lên hành vi kết tinh của polyme có thể dẫn đến hiểu biết tốt hơn về cơ chế kết tinh và mô hình kết tinh của polyme tinh thể. Hơn nữa, hành vi kết tinh của polyme được độn có thể ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất của vật liệu composite, vì vậy cần chú ý đến điều này.

Mặc dù đã có một số tiến bộ trong nghiên cứu về tác động của chất độn lên tính chất tinh thể của polyme, nhưng vẫn còn thiếu các nghiên cứu sâu hơn, có hệ thống và chi tiết hơn và nếu khía cạnh này có thể được hệ thống hóa, nó sẽ dẫn đến mức độ nghiên cứu cao hơn về chế tạo vật liệu và tính chất.