Условия кристаллизации. Строение полимерного кристалла

Все полимеры делятся на аморфные и кристаллические. Необходимым условием кристаллизации полимеров является наличие дальнего порядка в расположении звеньев цепи, что наблюдается у стереорегулярных полимеров. Далее должно соблюдаться основное термодинамическое условие самопроизвольного процесса ∆G < 0. Поскольку при кристаллизации имеет место распрямление участков цепи, оно сопровождается уменьшением энтропии, т.е. ∆S < 0. Поэтому энтальпия кристаллизации всегда отрицательна, ∆H < 0. Это обеспечивается тем, что в кристаллических полимерах энергия межмолекулярного взаимодействия больше, чем в аморфных вследствие более плотной упаковки макромолекул. Последняя характеризуется коэффициентом упаковки К = V3/V, где V - общий объем, V3 - объем полимера (вещества), а (V - V3) - его свободный объем. Для кристаллических полимеров K = 0,71 - 0,75, а для аморфных К = 0,63-0,68.

Кристаллические полимеры, как правило, не являются однородными и содержат, наряду с кристаллической, аморфную фазу. Поэтому для характеристики таких полимеров используется понятие степени кристалличности, характеризующейся отношением объемов кристаллической и аморфной фаз. Степень кристалличности для большинства полимеров колеблется от 20 до 80 %; она определяется по величине какого-либо физического свойства полимера, различного для кристаллической и аморфной фаз.

Принципиальным является то обстоятельство, что кристаллическую и аморфную фазы полимера никогда не удается разделить полностью. Оно указывает на двухфазное строение кристаллов полимеров.

В 1958 г. А.Келлером были впервые выделены из разбавленных растворов полиэтилена в ксилоле (0,01-0,1%) при температурах 80-100°С пластинчатые ромбовидные монокристаллы. Позже монокристаллы были выделены из разбавленных растворов других полимеров. В электронном микроскопе было видно, что пластинчатые кристаллы состоят из тонких слоев или ламелей толщиной порядка 10-20 нм и линейными размерами, достигающими нескольких микрон. Из рентгенограмм следовало, что оси макромолекул расположены перпендикулярно плоскости первичных пластин-ламелей. Поскольку контурная длина макромолекулы на 1-2 порядка превышает толщину ламели, это означает, что макромолекулы в монокристаллах находятся в складчатой конформации.

Складывание макромолекул в кристалле может быть регулярным и нерегулярным. В первом случае (рис. 4.1) макромолекула, после выхода из монокристалла, сразу возвращается обратно. Петля, состоящая из 5-6 атомов основной цепи, локализована на грани кристалла, здесь же преимущественно располагаются начало и конец цепи. Во втором случае по выходе из монокристалла полимерная цепь изгибается далеко от грани и описывает петлю гораздо большего размера. Вследствие этого она возвращается в монокристалл далеко от места выхода или вообще не возвращается. В последнем случае полимерная цепь может участвовать в построении другого монокристалла. Такие полимерные цепи называются проходными. Так, в изотактическом кристаллическом полипропилене с молекулярной массой 1,54·106 макромолекула складывается в одном монокристалле в среднем двадцать пять раз и участвует в построении восемнадцати монокристаллов.

Условия кристаллизации. Строение полимерного кристалла - student2.ru

Нерегулярное складывание макромолекул в кристалл встречается гораздо чаще. Оно приводит к тому, что упорядоченные (кристаллические) и неупорядоченные области полимерного тела прочно связаны между собой и образуют единое целое. Именно поэтому кристаллическая и аморфная фазы полимера не могут быть полностью разделены, о чем говорилось выше.

Способ укладки макромолекул в кристаллах определяется условиями кристаллизации. В разбавленных растворах полимеров с относительно небольшой молекулярной массой в маловязких растворителях подвижность макромолекул достаточно высока. В таких случаях складывание цепи проходит в равновесных условиях и является по существу регулярным. Гораздо чаще кристаллизация развивается в условиях малой подвижности макромолекул - из концентрированных растворов или расплавов, при низкой температуре и большой молекулярной массе полимера. В таких условиях скорость укладки макромолекулы в кристалл значительно превышает скорость диффузии ее сегментов и в кристалл входят лишь некоторые из них. Поскольку в концентрированных растворах и расплавах клубки макромолекул перепутаны, в один монокристалл одновременно складываются несколько макромолекул.

Первичные ламели имеют значительную поверхностную энергию, поэтому происходит их агрегация, приводящая к образованию монокристаллов и более сложных надмолекулярных образований. При кристаллизации полимеров из разбавленных растворов пластинчатые монокристаллы обычно образуют структуры типа ступенчатых террас, т. е. они как бы наслаиваются друг на друга. В определенных условиях длина ламелей существенно превосходит их ширину. В этом случае формируются фибриллы - тонкие и протяженные образования в виде лент или игл (нитей). Оси макромолекул в фибриллах расположены перпендикулярно главной оси последних. В том случае, когда макромолекулы не могут складываться, например, в случае жесткоцепных полимеров, их оси расположены параллельно главной оси фибриллы.

Условия кристаллизации. Строение полимерного кристалла - student2.ru

При кристаллизации из расплава или концентрированного раствора полимера наиболее общим типом вторичного кристаллического образования является сферолит, имеющий кольцевую или сферическую форму и достигающий гигантских размеров -до 1 см. В радиальных (сферических) сферолитах каркас формируется из ленточных кристаллических образований, направленных от центра к периферии. Оси макромолекул в кристаллических областях направлены перпендикулярно радиусу сферолита. В кольцевых сферолитах каркас образован из лент, свернутых в виде спирали. Характерным признаком наличия сферолитов является так называемый «мальтийский крест», хорошо различимый в поляризационном микроскопе.

Частным видом кристаллической структуры полимера является регулярная структура, построенная из сферических полимерных частиц одинакового размера - глобул. Такая структура обнаружена у некоторых полимеров природного происхождения, например, у вируса табачной мозаики. Соответствующие кристаллы называются глобулярными.

Строение рассмотренных структурных образований в кристаллических полимерах представлено на рис. 4.2.

Наши рекомендации