高聚物的结晶过程ppt课件.ppt
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1、四、四、 高聚物的结晶过程高聚物的结晶过程 n结晶能力及结晶度结晶能力及结晶度 n结晶过程及影响因素结晶过程及影响因素n结晶温度结晶温度n熔点熔点1、结晶能力及结晶度、结晶能力及结晶度n(1)影响高分子结晶能力的因素影响高分子结晶能力的因素n小分子几乎都可结晶,但高分子却并非都小分子几乎都可结晶,但高分子却并非都有结晶能力有结晶能力n关键因素是高分子链结构的规整程度关键因素是高分子链结构的规整程度(1)影响高分子结晶能力的因素影响高分子结晶能力的因素1)链的对称性升高,结晶能力升高)链的对称性升高,结晶能力升高 对称性高,所以极易结晶(任何苛刻条件对称性高,所以极易结晶(任何苛刻条件 均可,例
2、均可,例如在液氧中急冷也能结晶)如在液氧中急冷也能结晶) 但氯化得到结晶能但氯化得到结晶能力几乎丧尽,对称性破坏了(注意:无规立构的力几乎丧尽,对称性破坏了(注意:无规立构的也可一定程度结晶,有人认为也可一定程度结晶,有人认为l的电负性使分的电负性使分子链上氯原子相互错开排列,近视与间同立构,所子链上氯原子相互错开排列,近视与间同立构,所以易结晶)。以易结晶)。PE:CH2CH2nPTFE:CF2CF2n(1)影响高分子结晶能力的因素影响高分子结晶能力的因素n对称性取代的烯类高聚物也能结晶对称性取代的烯类高聚物也能结晶n另外还有聚酯(另外还有聚酯(polyester),尼龙(),尼龙(nylo
3、n),),聚砜(聚砜(PSF)等。)等。CH2CClClnCH2CnCH3CH3CnOHH(1)影响高分子结晶能力的因素影响高分子结晶能力的因素2)链的空间立构规整性上升,结晶能力也提高链的空间立构规整性上升,结晶能力也提高A有规立构的都可以结晶:全同有规立构的都可以结晶:全同PP;全同(间同);全同(间同)PMMA;全同;全同PS;全顺式;全反式,聚丁二;全顺式;全反式,聚丁二烯。烯。B无规立构无规立构PP、无规立构、无规立构PMMA、无规立构、无规立构PS均为典型的非结晶高聚物(例外的是无规立构的均为典型的非结晶高聚物(例外的是无规立构的PVAc水解的聚乙烯醇可以结晶)。水解的聚乙烯醇可以
4、结晶)。3)无规共聚通常使结晶能力下降无规共聚通常使结晶能力下降(1)影响高分子结晶能力的因素影响高分子结晶能力的因素4)分子间氢键使结晶能力上升分子间氢键使结晶能力上升(有氢键使分(有氢键使分 子间力增大,也使分子变得刚硬,两种作用子间力增大,也使分子变得刚硬,两种作用 的结果还是利于结晶)。例如:的结果还是利于结晶)。例如:polyester,尼龙,尼龙,聚乙烯醇聚乙烯醇5)支化越多,结晶下降支化越多,结晶下降(因为支化的分子链不(因为支化的分子链不 规整,难以结晶);规整,难以结晶);交联越多,结晶也下降交联越多,结晶也下降 (因为交联的分子链不规整,难以结晶)(因为交联的分子链不规整,
5、难以结晶)6)柔顺性好的分子链易结晶)柔顺性好的分子链易结晶(如(如PE快速冷却仍能结快速冷却仍能结晶,而晶,而PET缓慢冷却才能结晶)缓慢冷却才能结晶)(2)结晶度结晶度n几点结论:几点结论:n长而柔顺,结构又复杂的高分子链很难形成长而柔顺,结构又复杂的高分子链很难形成十分完善的晶体,即使在严格条件下培养的单十分完善的晶体,即使在严格条件下培养的单晶也有许多晶格缺陷。晶也有许多晶格缺陷。n实际上高聚物的结晶体中总是由晶区和非晶实际上高聚物的结晶体中总是由晶区和非晶区两部分组成:区两部分组成:n晶区:规整排列到晶格中的伸直链晶片或折迭晶区:规整排列到晶格中的伸直链晶片或折迭链晶片组成。链晶片组
6、成。n非晶区:未排列到晶格中的分子链和链段,折非晶区:未排列到晶格中的分子链和链段,折迭晶片中的链弯曲部分,链末端,空洞等。迭晶片中的链弯曲部分,链末端,空洞等。n晶区部分与非晶区部分并不是有着明显的分界晶区部分与非晶区部分并不是有着明显的分界线,每个高分子可以同时贯穿几个晶区和非晶线,每个高分子可以同时贯穿几个晶区和非晶区,而在晶区和非晶区两相间的交替部分有着区,而在晶区和非晶区两相间的交替部分有着局部有序的过渡状态,即使晶区也存在许多缺局部有序的过渡状态,即使晶区也存在许多缺陷。陷。 结晶度结晶度(Degree of Crystallizing)n结晶度结晶度试样中结晶部分的重量百分数或体
7、积百分试样中结晶部分的重量百分数或体积百分数。数。n重量百分数重量百分数 体积百分数体积百分数 w重量 v体积 ccrystalline(结晶) aamorphous(无定形)%100accwcwwwx%100accvcvvvx注意:在部分结晶的高聚物中,晶区和在部分结晶的高聚物中,晶区和非晶区的界限不明确,无法准确测非晶区的界限不明确,无法准确测定结晶部分的含量,所以结晶度的定结晶部分的含量,所以结晶度的概念缺乏明确的物理意义。概念缺乏明确的物理意义。结晶度的数值随测定方法的不同结晶度的数值随测定方法的不同而异。而异。结晶度的测定方法(了解)结晶度的测定方法(了解)密度法密度法(最常用,最简
8、单的方法):(最常用,最简单的方法):原理:分子链在晶区的堆砌密度大,所以晶区密度原理:分子链在晶区的堆砌密度大,所以晶区密度大,比容小;分子链在非晶区的堆砌密度小,非晶大,比容小;分子链在非晶区的堆砌密度小,非晶区密度小,比容大。区密度小,比容大。X射线衍射法射线衍射法:原理:部分结晶的高聚物中结晶部分和无定形部分原理:部分结晶的高聚物中结晶部分和无定形部分对对X射线衍射强度的贡献不同,利用衍射仪得到衍射射线衍射强度的贡献不同,利用衍射仪得到衍射强度与衍射角的关系曲线,再将衍射图上的衍射峰强度与衍射角的关系曲线,再将衍射图上的衍射峰分解为结晶和非结晶两部分。分解为结晶和非结晶两部分。2 2、
9、结晶过程及影响因素、结晶过程及影响因素(1)结晶温度)结晶温度1)一个聚合物的结晶敏感温度区域一般处于一个聚合物的结晶敏感温度区域一般处于其熔点其熔点Tm 以下以下和和Tg 以上以上之间之间( Tg30 T Tm-10)。结晶敏感)。结晶敏感区域;区域;TTg ,链旋转和移动困难,难以结晶,链旋转和移动困难,难以结晶结晶温度结晶温度 2)因此对于每一聚合物而言,它的结晶程因此对于每一聚合物而言,它的结晶程度区域决定于度区域决定于Tm 和和Tg之差。之差。 3) 对于同一高聚物而言,总是可以找到一对于同一高聚物而言,总是可以找到一个温度,在此温度下,它的总结晶速度最个温度,在此温度下,它的总结晶
10、速度最大,高于这个温度或低于这个温度,结晶大,高于这个温度或低于这个温度,结晶速度却要降低,这个温度为速度却要降低,这个温度为TCmax 最大结最大结晶速率时的温度)。多数聚合物结晶速率晶速率时的温度)。多数聚合物结晶速率最大的温度在的最大的温度在的0.80.85之间:之间:mCTT)85. 080. 0(max(2)结晶过程结晶过程大分子结晶过程与小分子有相似处大分子结晶过程与小分子有相似处a成核过程:晶核受到两方面的影响(晶核内的分子成核过程:晶核受到两方面的影响(晶核内的分子影响周围分子生长,由于热运动的结果晶核也可能影响周围分子生长,由于热运动的结果晶核也可能消失)消失)b晶粒生长过程
11、:在晶粒生长过程:在Tm 以上,第二种影响占上风,以上,第二种影响占上风,晶核消失比成长要快;在晶核消失比成长要快;在Tm以下,则第一种影响以下,则第一种影响占上风,晶核成长比消失要快。总的结晶速度是成占上风,晶核成长比消失要快。总的结晶速度是成长与消失速度之和长与消失速度之和结晶速度:用某温度下结晶过程进行到一半时所用的结晶速度:用某温度下结晶过程进行到一半时所用的时间时间t1/2的倒数来表征该温度下的结晶速度。的倒数来表征该温度下的结晶速度。影响结晶过程的因素影响结晶过程的因素温度温度明显影响着结晶速度明显影响着结晶速度 高聚物的结晶速度是晶核生长速度和晶粒生长高聚物的结晶速度是晶核生长速
12、度和晶粒生长速度的总和,所以高聚物的结晶速度对温度的速度的总和,所以高聚物的结晶速度对温度的依赖性是晶核生长速度对温度依赖性和晶粒生依赖性是晶核生长速度对温度依赖性和晶粒生长速度对温度依赖性共同作用的结果。长速度对温度依赖性共同作用的结果。 当熔体温度接近熔点时,温度较高,热运动激当熔体温度接近熔点时,温度较高,热运动激烈,晶核不易形成,形成了也不稳定,所以结烈,晶核不易形成,形成了也不稳定,所以结晶速度小。晶速度小。n随着温度下降,晶核形成速度增加,分子链也随着温度下降,晶核形成速度增加,分子链也有相当活动性,易排入晶格,所以晶粒形成速有相当活动性,易排入晶格,所以晶粒形成速度也增加,总的结
13、晶速度也增加。度也增加,总的结晶速度也增加。n温度再进一步降低时,虽然晶核形成速度继续温度再进一步降低时,虽然晶核形成速度继续上升,但熔体粘度变大,分子链活动性下降,上升,但熔体粘度变大,分子链活动性下降,不易排入晶格,所以晶粒生长下降。不易排入晶格,所以晶粒生长下降。n当当 TTg时,链段不能运动,所以也不能排入时,链段不能运动,所以也不能排入晶格,不能结晶,所以用淬火办法得到的是非晶格,不能结晶,所以用淬火办法得到的是非晶态固体。晶态固体。举例举例 nPTFE的Tm327,它的TCmax 300,而在而在250结晶速度就降到很慢,所以控制温度(或结晶速度就降到很慢,所以控制温度(或其它条件
14、)来控制结晶速度,防止聚合物在结晶其它条件)来控制结晶速度,防止聚合物在结晶过程中形成大的晶粒是生产透明材料(过程中形成大的晶粒是生产透明材料(PE、定、定向向PP、乙烯丙烯共聚物等薄膜工艺中要考虑的、乙烯丙烯共聚物等薄膜工艺中要考虑的重要因素)重要因素)n定向定向PP是容易结晶的聚合物,要得到透明薄膜,是容易结晶的聚合物,要得到透明薄膜,要求聚合物结晶颗粒尺寸要小于入射光在介质中要求聚合物结晶颗粒尺寸要小于入射光在介质中的波长,否则颗粒太大,在介质中入射光要散射,的波长,否则颗粒太大,在介质中入射光要散射,导致浑浊,使透明度下降在生产中,一方面我导致浑浊,使透明度下降在生产中,一方面我们加入
15、们加入成核剂成核剂,使晶核数目增加,晶粒变小,另,使晶核数目增加,晶粒变小,另一方面可采用将熔化的一方面可采用将熔化的PP急速冷却(急速冷却(淬火淬火)使)使形成的许多晶核保持在较大的尺寸范围,不再增形成的许多晶核保持在较大的尺寸范围,不再增长,这样就得到了高透明的长,这样就得到了高透明的PP制品。制品。nB应力应力影响结晶形态和结晶速度影响结晶形态和结晶速度1)影响结晶形态)影响结晶形态 熔体在熔体在无应力无应力时冷却结晶时冷却结晶球晶球晶 熔体在熔体在有应力有应力时冷却结晶时冷却结晶伸直链晶体,伸直链晶体,串晶,柱晶串晶,柱晶2)影响结晶速度)影响结晶速度 天然橡胶在常温下不加应力时,几十
16、年才天然橡胶在常温下不加应力时,几十年才 结晶,在常温下,加应力时拉伸条件下,结晶,在常温下,加应力时拉伸条件下, 几秒钟就结晶几秒钟就结晶 nC.杂质杂质1)能阻碍结晶)能阻碍结晶2)能加速结晶)能加速结晶这一类起到晶核的作用称为这一类起到晶核的作用称为成成核剂核剂。成核剂可以大大加速结晶速度,成核剂。成核剂可以大大加速结晶速度,成核剂多,球晶长不大,结晶速度大,结晶度大;成多,球晶长不大,结晶速度大,结晶度大;成核剂少,结晶速度小,结晶度小。核剂少,结晶速度小,结晶度小。n生产中控制冷却速度来控制制品中球晶的生产中控制冷却速度来控制制品中球晶的 大小,大小,但厚壁制品由于高聚物传热不好,用
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