Krystallisering af en højtydende semikrystallinsk polymer: PEEK

Introduktion

I smeltet tilstand er polymerkæderne i en semikrystallinsk polymer i en uordnet tilstand. Under afkøling omorganiseres nogle af dem, så de danner ordnede områder og krystalliserer. Ud over denne krystallinske fase indeholder en semikrystallinsk polymer også en amorf fase uden en ordnet molekylær struktur (se figur 1). Afkøling fører ikke til KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering af denne fase, men til en overgang fra en blød til en hård, skør tilstand. Denne overgang kaldes glasovergangen.

Forskellige metoder kan karakterisere polymerers KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering og glasovergang, hvilket giver en række værdifulde oplysninger.

En typisk metode til analyse af termiske overgange er Differential Scanning Calorimetry (DSC). Den giver oplysninger om glasovergangen, fasetransformationer som KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering/Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning eller fast-fast FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange og krystallinitetsgrad osv. Dens brugervenlighed og evne til at automatisere måletrin har gjort den til en populær og meget anvendt teknik.

KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.Krystallisering og glasovergang har en betydelig indflydelse på et produkts mekaniske egenskaber. En anden metode til at bestemme disse parametre er reologi. En måling med et rotationsreometer giver oplysninger om de reologiske ændringer, der sker, når en semikrystallinsk polymer afkøles fra smelte til glasagtig tilstand. I det følgende bestemmes afkølingsadfærden for polyetheretherketon (PEEK) (se kemisk struktur i figur 2) ved hjælp af DSC 303 Caliris^® og Kinexus rotationsreometer.

Måleparametre

PEEK-prøven blev opvarmet til over dens Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltetemperatur. Efter en isoterm fase blev polymeren afkølet med en kontrolleret afkølingshastighed. Standardafkølingshastighederne for de respektive metoder blev brugt, dvs. 10 K/min for DSC 300 Caliris^® og 2 K/min for Kinexus rotationsreometeret. Tabel 1 opsummerer målebetingelserne.

Tabel 1: Måleparametre

DSC 300 Caliris^®: Krystallisationsadfærd

Figur 3 viser den resulterende kurve for DSC-målingen udført på PEEK. Den eksoterme top, der begynder ved 305 °C (sluttemperatur), skyldes KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering af PEEK. Trinnet i DSC-kurven med midtpunkt ved 146 °C er glasovergangen.

Kinexus rotationsreometer: Stivhed

Figur 4 og 5 viser de typiske kurver, der er resultatet af temperatursweepet udført på PEEK.

Den smeltede tilstand

Hvis der ikke sker nogen reaktion, stiger den komplekse forskydningsviskositet (figur 4) med faldende temperatur. Dette er den forventede indflydelse af temperatur på stivhed i fravær af en fysisk eller kemisk proces, da polymerkædernes mobilitet øges under opvarmning.

Smeltetilstanden er også kendetegnet ved, at G" dominerer over G´ (figur 5). Med andre ord har de "væskelignende" egenskaber ved denne temperatur større indflydelse på PEEK's deformationsadfærd end de "faststoflignende" egenskaber. Polymeren flyder i tidsskalaen for den anvendte frekvens, selv om den stadig har stærke elastiske egenskaber (fasevinkelværdi tættere på værdien 45° end på 90°).

Forekomst af KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering

Ved 325 °C ændres hældningen af den komplekse forskydningsviskositetskurve (figur 4). Den komplekse forskydningsviskositet stiger fra 7,7E+03 Pa∙s ved 325 °C til 9,0E+06 Pa∙s ved 295 °C, en stigning på mere end 3 årtier på kun 30 °C! Denne markante stigning er typisk for KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme. krystallisering af en krystallinsk eller semikrystallinsk polymer.

Processen påvirker også i høj grad de elastiske (G') og viskøse (G") forskydningsmoduler (figur 5). Begge kurver stiger og viser overgangen ved 308 °C. Mellem KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme. krystallisering og glasovergang befinder den amorfe fase sig på det gummiagtige plateau. Polymerkæderne i den amorfe fase kan stadig bevæge sig frit, mens den krystallinske fase giver produktet struktur.

Jo højere graden af Krystallinitet / Grad af krystallinitetKrystallinitet refererer til graden af strukturel orden i et fast stof. I en krystal er arrangementet af atomer eller molekyler konsekvent og gentagende. Mange materialer som f.eks. glaskeramik og nogle polymerer kan fremstilles på en sådan måde, at der dannes en blanding af krystallinske og amorfe områder. krystallinitet er, desto højere er værdien af det elastiske forskydningsmodul. Fasevinklen ligger på 2° til 3°, så polymeren er nu tæt på et perfekt elastisk fast stof.

Glasovergang

Glasovergangen nås under yderligere afkøling. Stivheden fortsætter med at stige, men ikke så markant som under KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme. krystallisering (3,0E+07 Pa∙s ved 200 °C til 1,6E+08 Pa∙s ved 140 °C, figur 4).

Mens glasovergangstemperaturen normalt evalueres ved hjælp af spidstemperaturen, som er typisk for kurverne for G" og δ (figur 5), er afkøling over glasovergangen også forbundet med en stigning i G'-kurven. Ved temperaturer, der er lavere end glasovergangstemperaturen, falder fasevinklen igen og er tæt på 0. Polymeren er i en glasagtig, stiv tilstand.

Konklusion

Dette anvendelseseksempel viser, hvordan DSC og rotationsreologi supplerer hinanden. Begge metoder giver forskellige oplysninger, der beskriver KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme. krystallisering og glasovergang af semikrystallinske polymerer, og giver dermed en omfattende indsigt i materialets opførsel under opvarmning og afkøling. De typiske påviste effekter er opsummeret i tabel 2a og 2b.

Tabel 2a: Typiske effekter målt under KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme. krystallisering og glasovergang af en semikrystallinsk polymer ved hjælp af DSC 300 Caliris^®

¹ i overensstemmelse med DIN ISO 11357-5:2014
2 i overensstemmelse med DIN ISO 11357-2:2014

Tabel 2b: Typiske effekter målt under krystallisering og glasovergang af en semikrystallinsk polymer ved hjælp af Kinexus rotationsreometeret