理论教育 聚合物结晶成长的理论探究

聚合物结晶成长的理论探究

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:关于聚合物结晶,一般认为结晶成长是以晶核为起点,在分子链段的持续参与下,沿着晶面生长的方式进行的。所以,伸张长度l的增加不利于聚合物晶体的生长。图7-1分子链段以折叠方式,进行有序排列的示意图聚合物结晶初期的成长速率与层晶厚度,主要是由晶面的自由能与分子克服此能量势垒的概率决定的。

聚合物结晶成长的理论探究

关于聚合物结晶,一般认为结晶成长是以晶核为起点,在分子链段的持续参与下,沿着晶面生长的方式进行的。对于这种模式有两种观点,Hoffman和Lauritzen(1959)提出了表面成核模型(Surface Nucleation Model);Gilmer和Sadler(1984)提出了熵障模型(Entropy Barrier Model)。

表面成核模型认为晶体的成长的影响因素是由于分子链段附着于成长表面时而引起的结晶表面能的增加。由于分子链段不断地贴附在结晶的表面,使得晶体不断地长大,因此也改变了结晶表面的自由能,导致分子链段的附着所需能量的改变,进而影响了晶体的成长。

熵障模型认为除了表面自由能这个影响因子之外,混乱度也是一个影响因素。根据热力学第二定律,孤立系统会自发地使系统的混乱度增加。所以,在成长的表面存在分子链段的附着(Attachment)与解离(Detachment),由此可以推测晶体的成长是由结晶表面的分子链段的附着与解离的概率的差异决定的。

虽然两种模型对影响晶体生长因素的解释有不同的观点,但都一致认为晶体的成长是分子链段从无序的混乱状态,通过适当地折叠(Chain Folding),持续有序地贴附(Deposition)在生长表面(Crystal Growth Front)。(www.daowen.com)

图7-1是分子链段通过折叠的方式附着在生长表面,实现晶体的生长。由图可以看出,链段的伸张长度(Extended Length,l)是影响晶体厚度的至关因素。由此可以推论,随着伸张长度l的增加,晶体的厚度也增加,但是由于伸张长度l的增加,分子链段的有序化程度提高,混乱度降低,结晶成长的自由能也增高。所以,伸张长度l的增加不利于聚合物晶体的生长。

图7-1 分子链段以折叠方式,进行有序排列的示意图

聚合物结晶初期的成长速率与层晶厚度(Lamellar Thickness),主要是由晶面的自由能与分子克服此能量势垒(Energy Barrier)的概率决定的。但由于晶相内存在不稳定的区域,如区域存在缺陷,因而这些区域的分子链段处于较不稳定的热力学状态,驱使分子链段的运动(包括空间形态的改变与位置的滑移),使晶体进行重组,最终使得系统处于热力学稳态。由于高分子链段沿着分子链的方向滑移,使得层晶的厚度增加(图7-2)。

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