Spis treści
Właściwości ciał stałych zależą w dużej mierze od rozmieszczenia cząsteczek (atomów i molekuł), które je tworzą. Jeśli rozmieszczenie jest przypadkowe, substancje są amorficzne. W substancjach krystalicznych cząsteczki są rozmieszczone w regularnych odstępach i w ustalonym wzorze.
Podczas gdy usieciowane polimery (duromery, elastomery termoutwardzalne) zawsze mają strukturę amorficzną, kryształy mogą tworzyć się w polimerach termoplastycznych. W większości przypadków obszary o strukturze krystalicznej i obszary o strukturze amorficznej tworzą się obok siebie. W ten sposób powstają tworzywa półkrystaliczne.
Stopień krystalizacji zależy od warunków zestalania tworzyw sztucznych. Temperatura podczas krzepnięcia i szybkość zmiany temperatury mają decydujący wpływ.
Właściwości materiału jako funkcja stopnia krystalizacji
Krystalizacja w tworzywie sztucznym zwiększa jego gęstość, temperaturę szkła
temperatura szkła
temperatura
temperaturę topnienia
i wytrzymałość. W rezultacie poprawia się również stabilność wymiarowa i odporność na zużycie mechaniczne. W tym samym czasie
współczynnik rozszerzalności cieplnej
oraz zmniejsza się zdolność przenikania cieczy i gazów. Właściwości te rozszerzają zakres zastosowań polimerów półkrystalicznych.
Podczas krystalizacji uwalniane jest ciepło. Entalpia krystalizacji może być mierzona za pomocą
różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC)
i porównywana ze znanymi wartościami. Zmierzona entalpia krystalizacji i inne dane uzyskane podczas analizy termicznej umożliwiają
optymalizację produkcji i kontrolę jakości polimerów
.
Krystalizacja
Przejście ze stanu ciekłego do stałego może nastąpić na dwa sposoby w przypadku polimerów: Stopiony polimer krzepnie lub wytrąca się z przesyconego roztworu. Makrocząsteczki tracą w tym procesie dużą część swojej energii kinetycznej, która jest uwalniana do otoczenia w postaci ciepła.
W ograniczonym zakresie temperatur łańcuchy molekularne w kształcie kulek mogą się „rozciągać”. W ten sposób układają się w równoległe struktury, które składają się ze
Tworzenie struktury krystalicznej wymaga punktu początkowego, który jest określany jako jądro krystalizacji. Najmniejsze ilości już krystalicznych polimerów lub nawet obcych cząsteczek, takich jak kwarc, mogą służyć jako takie jądro. Kryształ rośnie wokół tego jądra, dopóki nie napotka innych kryształów lub amorficznie zestalonych obszarów materiału. Dodając jądra krystalizacji do stopu lub roztworu, można wpływać na liczbę, a tym samym rozmiar kryształów.
To, które substancje są odpowiednie jako jądra krystalizacji, zależy od indywidualnego systemu polimerowego i musi być określone eksperymentalnie. Czas wymagany do wzrostu kryształów i optymalny zakres temperatur są również określane eksperymentalnie. Do tego celu nadają się metody analizy termicznej.
Rekrystalizacja
Rekrystalizacja to tworzenie i ponowne formowanie się kryształów. Proces ten zachodzi mimowolnie, gdy temperatura materiałów krystalicznych lub półkrystalicznych osiąga określoną wartość lub polimery są odkształcane przez zewnętrzne siły mechaniczne. Jest to również związane ze wzrostem lub spadkiem mobilności cząstek. Rekrystalizacja może być stosowana w sposób ukierunkowany w celu uzyskania wymaganych właściwości materiału. W tym celu dostępne są różne procesy.
Postkrystalizacja spowodowana rozciąganiem
Proces ten jest wykorzystywany do produkcji włókien syntetycznych, folii i pustych ciał. Włókna syntetyczne i folie są wytwarzane poprzez wytłaczanie podgrzanych polimerów. Materiał jest przeciskany przez dysze lub podobne otwory pod wysokim ciśnieniem i przybiera swój kształt.
Następnie przykładane są siły rozciągające, które powodują, że łańcuchy molekularne rozciągają się i układają równolegle. Puste korpusy (kanistry, butelki) mogą być produkowane z półfabrykatów, które są rozszerzane przez nadciśnienie we wnętrzu. Wynikające z tego naprężenia rozciągające w materiale prowadzą do powstawania kryształów.
Rekrystalizacja z roztworu
Makrocząsteczki polimeru są równomiernie rozmieszczone w roztworze. Jeśli dojdzie do przesycenia, tj. wzrostu stężenia makrocząsteczek w roztworze powyżej maksymalnej rozpuszczalności w odpowiedniej temperaturze roztworu, oddzielają się one w stanie stałym. W tym procesie ulegają one rearanżacji i mogą tworzyć struktury krystaliczne.
Warunkiem wstępnym krystalizacji jest utrzymanie optymalnej temperatury i czasu wymaganego do wzrostu kryształów. Rekrystalizacja może być wspierana i kontrolowana poprzez dodawanie jąder kondensacji („zasiewanie” roztworu).
