Bagaimana bahan pengisi mempengaruhi perilaku kristalisasi polimer?

Penemuan pada tahun 1980-an tentang sifat-sifat unggul komposit nilon 6/tanah liat menyebabkan banyak penelitian tentang komposit polimer terisi dan pemahaman baru tentang peran bahan pengisi dalam polimer. Berikut ini adalah gambaran tentang pengaruh bahan pengisi terhadap perilaku kristalisasi polimer.

Pengaruh pengisi pada morfologi kristal polimer

Penambahan bahan pengisi mempengaruhi morfologi kristal polimer:

Polimer kristalin membentuk berbagai bentuk kristalin dalam berbagai kondisi kristalisasi, dan kristal bulat merupakan salah satu bentuk karakteristik kristalisasi polimer yang paling umum. Dalam kondisi pencetakan dan pemrosesan normal, polimer kristalin biasanya membentuk bentuk kristal bulat.

Penambahan bahan pengisi berperan dalam nukleasi heterogen dan penyempurnaan butiran:

Kristal bulat yang besar dan jarang menjadi kecil dan padat, dan penyempurnaan kristal bulat serta peningkatan ketangguhan material bermanfaat dan dapat menjadi metode yang efektif untuk memperkuat polimer.

Kompatibilitas pengisi dengan matriks resin juga berpengaruh pada morfologi kristal:

Misalnya, Qiao Fang dan kawan-kawan menemukan bahwa montmorillonit organik menghancurkan struktur kristal bulat dari nilon 6, terutama karena molekul nilon 6 memiliki efek penggandengan yang kuat dengan partikel montmorillonit organik, sehingga pergerakan segmen rantai molekul nilon 6 terhambat dalam proses kristalisasi, dan sulit tumbuh dalam susunan yang simetris dan teratur sepanjang arah radial, sehingga proses pertumbuhan kristalisasi terhambat, sehingga menghasilkan kristal yang tidak lengkap.

Selama proses pencetakan komposit polimer terisi serat, serat dapat memainkan peran nukleasi dan kristal bulat tidak lagi memiliki kondisi untuk pertumbuhan tiga dimensi selama proses pertumbuhan, yang kemudian mengambil bentuk pertumbuhan kolom, yaitu pertumbuhan satu dimensi berorientasi yang menghasilkan kristal melintang.

Contoh:

Agen nukleasi adalah kelas zat yang dapat mengubah perilaku kristalisasi resin dan mengubah morfologi mikroskopis polimer untuk memberi mereka sifat dan fungsi baru, dan merupakan topik hangat penelitian saat ini di dalam dan luar negeri.

Mekanisme kerja: Dalam keadaan cair, saat agen pembuat inti menyediakan inti yang dibutuhkan, polimer berubah dari nukleasi homogen menjadi nukleasi heterogen, yang mempercepat laju kristalisasi dan menyempurnakan struktur butiran, dan juga meningkatkan kekakuan produk.

Agen pembentuk inti dapat dibagi menjadi agen pembentuk inti anorganik, agen pembentuk inti organik, dan agen pembentuk inti polimer. Agen pembentuk inti nanopartikel telah menjadi pusat penelitian agen pembentuk inti karena banyaknya pusat aktif di permukaan, yang dapat terikat erat dengan substrat dan memiliki kompatibilitas yang lebih baik, dan partikel tidak mudah terpisah secara kolektif saat mengalami gaya eksternal.

Pengaruh pengisi pada kinetika kristalisasi polimer

Proses kristalisasi polimer terdiri dari dua tahap: nukleasi dan pertumbuhan. Persamaan Avrami biasanya digunakan untuk menggambarkan proses kristalisasi isotermal polimer, dan dengan menemukan indeks Avrami n dan konstanta laju kristalisasi K, mekanisme pertumbuhan kristal dan laju pertumbuhan dapat diturunkan.

Mucha M et al. dalam penelitian mereka tentang kinetika kristalisasi PP yang diisi karbon hitam menemukan bahwa ada fenomena kristalisasi dua langkah: pada tahap awal kristalisasi yang terkait dengan nukleasi heterogen PP, nukleasi pada permukaan partikel karbon hitam, tidak ada tumbukan inti yang terjadi pada tahap awal kristalisasi dan pertumbuhan tidak terbatas; diikuti oleh tahap kristalisasi lambat di mana laju pertumbuhan diperlambat oleh tumbukan timbal balik antara kristal. Pada tahap awal kristalisasi, n sekitar 2.0, sedangkan pada tahap kristalisasi selanjutnya, n sekitar 3.0. Ditemukan juga bahwa penambahan karbon hitam dalam jumlah yang berbeda memiliki efek yang berbeda pada nilai K dan n. Pada suhu kristalisasi yang sama, nilai K meningkat dengan peningkatan penambahan karbon hitam.

Menurut persamaan Avrami, nilai n harus berupa bilangan bulat positif kurang dari atau sama dengan 4. Dalam praktiknya, nilai n dari proses kristalisasi polimer biasanya berupa angka desimal dan tampaknya sama dengan 5, yang menunjukkan bahwa proses kristalisasi sebenarnya menyimpang dari persamaan Avrami dan terjadi fenomena kristalisasi sekunder atau tumbukan kristal bulat.

Model struktur kristal polimer terisi

Dalam beberapa dekade terakhir, teori dan eksperimen telah sepenuhnya menunjukkan bahwa memang ada zona transisi antara daerah kristal dan amorf dari kristal polimer, yaitu lapisan antara, yang disebut fase antara kristal – amorf.

Pengaruh talk terhadap struktur daerah kristal, daerah amorf, dan fase antara polietilena berdensitas rendah (LDPE) dianalisis dengan spektroskopi inframerah dua dimensi dinamis. Hasilnya menunjukkan bahwa penambahan talk membuat perubahan tertentu dalam model struktur kristal LDPE, dan disimpulkan bahwa talk berhubungan erat dengan daerah kristal tetapi tidak dengan fase amorf, yang mengarah pada skema struktur yang disimpulkan.

Studi tentang pengaruh bahan pengisi terhadap perilaku kristalisasi polimer dapat menghasilkan pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme kristalisasi dan model kristalisasi polimer kristal. Selain itu, perilaku kristalisasi polimer yang diisi dapat secara langsung memengaruhi sifat komposit, sehingga hal ini perlu diperhatikan.

Meskipun telah ada beberapa kemajuan dalam studi tentang pengaruh bahan pengisi terhadap sifat kristal polimer, namun masih terdapat kekurangan relatif dalam studi yang lebih mendalam, sistematis, dan terperinci. Jika aspek ini dapat disistematisasi, hal ini akan mengarah pada tingkat penelitian yang lebih tinggi dalam persiapan dan sifat material.