Polimery krystaliczne: cz. 1: Wprowadzenie; Nukleacja homogeniczna Literatura: 1. UporzÄ…dkowanie makroczÄ…steczek w polimerach i włóknach W. Przygodzki i A. WÅ‚ochowicz, WNT, Warszawa 2006 2. Fizyka materiałów polimerowych , pod red. H. Galiny, WNT, Warszawa 2007 3. Introduction to Physical Polymer Science , L.H. Sperling, John Wiley & Sons, Inc., New York 1998 4. Structural investigation of polymers G. Bodor, Ellis Horwood, Chichester 1991 5. D. W. Van Krevelen Properties of polymers , Elsevier, Amsterdam 1990 Rysunki i zdjÄ™cia ilustrujÄ…ce wykÅ‚ady zostaÅ‚y zaczerpniÄ™te z powyższych książek. Polimery krystaliczne - wprowadzenie KrysztaÅ‚y doskonaÅ‚e (monokrysztaÅ‚y) sÄ… ciaÅ‚ami ograniczonymi prawidÅ‚owymi pÅ‚aszczyznami, o budowie wykazujÄ…cej okresowÄ… powtarzalność identycznych elementów struktury zwanych komórkami elementarnymi. KrysztaÅ‚y mogÄ… być zbudowane z jonów, atomów lub czÄ…steczek, których poÅ‚ożenie w krysztale zależą od ich wzajemnych oddziaÅ‚ywaÅ„. W wyniku naÅ‚ożenia siÄ™ siÅ‚y przyciÄ…gania Fp(r) i siÅ‚y odpychania Fo(r) siÅ‚a wypadkowa F(r) jest równa zero dla r = ro CaÅ‚kowita energia potencjalna U wzajemnego oddziaÅ‚ywania czÄ…stek dla r = ro ma wartość minimalnÄ…, zwanÄ… energiÄ… sieciowÄ… lub energiÄ… wiÄ…zania Uo. ro okreÅ›la poÅ‚ożenie równowagi. 1 Typy wiÄ…zaÅ„ w krysztaÅ‚ach KrysztaÅ‚y można klasyfikować nie tylko ze wzglÄ™du na ich strukturÄ™ geometrycznÄ…, ale również ze wzglÄ™du na typ wiÄ…zaÅ„. Za wiÄ…zania w krysztale odpowiedzialne sÄ… oddziaÅ‚ywania elektromagnetyczne (siÅ‚y grawitacyjne sÄ… bardzo maÅ‚e, a jÄ…drowe i sÅ‚abe majÄ… bardzo maÅ‚y zasiÄ™g). 1) KrysztaÅ‚y jonowe sÄ… budowane z jonów dodatnich i ujemnych (siÅ‚y elektrostatyczne) 2) KrysztaÅ‚y kowalencyjne sÄ… zwiÄ…zane chemicznymi wiÄ…zaniami kowalencyjnymi. 3) KrysztaÅ‚y metaliczne Gaz elektronowy wiąże jony dodatnie. 4) KrysztaÅ‚y molekularne sÄ… zbudowane z czÄ…steczek, oddziaÅ‚ywania van der Waalsa (polaryzacyjne) - dość sÅ‚abe; w niektórych przypadkach - silne wiÄ…zania wodorowe. Energia wiÄ…zania krysztaÅ‚u to energia konieczna do rozÅ‚ożenia krysztaÅ‚u na elementy skÅ‚adowe (atomy, jony lub czÄ…steczki), wyrażana na ogół w J/kmol. Typowe wartoÅ›ci energi wiÄ…zaÅ„ kryształów: 1) Jonowych: 7,5 x 108 J/kmol dla NaCl 2) Kowalencyjnych: 3,5 x 108 J/kmol dla diamentu 3) Metaliczne: 1,1 x 108 J/kmol dla Na 3,94 x 108 J/kmol dla Fe 4) Molekularne: 1 x 107 J/kmol dla CH4 (siÅ‚y van der Waalsa) 5 x 107 J/kmol dla H20 (wiÄ…zania wodorowe). 2 Åšrednie dÅ‚ugoÅ›ci niektórych wiÄ…zaÅ„ chemicznych porównane z najmniejszymi odlegÅ‚oÅ›ciami miÄ™dzy atomami niezwiÄ…zanymi w krysztaÅ‚ach molekularnych WÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci materii skondensowanej - rola budowy chemicznej i struktury fizycznej (na wybranych przykÅ‚adach ciaÅ‚ staÅ‚ych). Główny podziaÅ‚ ze wzglÄ™du na strukturÄ™ fizycznÄ… : ciaÅ‚a krystaliczne (atomy i czÄ…steczki rozmieszczone w regularny sposób) i ciaÅ‚a bezpostaciowe, inaczej amorficzne (brak uporzÄ…dkowania dalekiego zasiÄ™gu). Struktura krystaliczna może decydować o wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciach; np. odmiany wÄ™gla różniÄ… siÄ™ zdecydowanie : Diament: przeżroczysty; Grafit: czarny; C60 (fulleren): czarny, b.twardy; izolator miÄ™kki; prze- miÄ™kki; półprzewodnik wodnik (po domieszkowaniu nawet nadprzewodnik). 3 Odmian alotropowych wÄ™gla jest bardzo dużo: a) diament b) grafit c) lonsdalit (diament heksagonalny) d) fuleren C60 e) fuleren C540 f) fuleren C70 g) amorficzny aC h) nanorurki i) grafen i Struktura kryształów molekularnych - uwarunkowana wzglÄ™dami geometrycznymi, zależy od elementów symetrii czÄ…steczek (od ich ksztaÅ‚tu) zasada najgÄ™stszego upakowania (sformuÅ‚owana przez Kitajgorodzkiego). CzÄ…steczki o niemal kulistych ksztaÅ‚tach (np. fulleren) lub zwiÄ…zki organiczne o czÄ…steczkach symetrycznych (np. CH4, cyklopentan) krystalizujÄ… w sieciach regularnych i heksagonalnych. KrysztaÅ‚y utworzone z czÄ…steczek niesymetrycznych należą zazwyczaj do ukÅ‚adu jednoskoÅ›nego, trójskoÅ›nego lub rombowego. Struktura czÄ…steczki fullerenu oraz struktura krysztaÅ‚u odmiany niskotemperaturowej (ukÅ‚ad regularny centrowany pÅ‚asko). 4 Polimer częściowo krystaliczny, oprócz pewnej iloÅ›ci krystalitów (fazy staÅ‚ej) zawiera jeszcze fazÄ™ amorficznÄ… o charakterze przechÅ‚odzonej cieczy. Micelarny model frÄ™dzlowy (zaproponowany w 1930 roku) Krystality o rozmiarach 5 50 nm, utworzone z równolegÅ‚ych odcinków Å‚aÅ„cuchów rozproszone sÄ… w obszarze amorficznym. Z jednego krystalitu do drugiego makroczÄ…steczka przechodzi przez oddzielajÄ…cy je obszar amorficzny. Model przypomina sieć, w której rolÄ™ wÄ™złów speÅ‚niajÄ… krystality. Micelarny model frÄ™dzlowy objaÅ›niaÅ‚ Stan izotropowy Stan zorientowany obserwowane wówczas zjawiska np. we włóknie orientacji pod wpÅ‚ywem siÅ‚ rozciÄ…gajÄ…cych. 5 1945 r. Bunn i Alcock odkrycie sferolitów; agregatów kryształów o symetrii kulistej i rozmiarach kilku mikrometrów. zarodek krystalizacji obszar amorficzny obszar amorficzny (koÅ„ce Å‚aÅ„cuchów) uporzÄ…dkowane lamele Psucie siÄ™ struktury krystalicznej ze wzrostem masy czÄ…steczkowej n 20 n 50 Porównanie struktury alkanów i polietylenu CH3 [ CH2 ]n CH3 n > 1000 6 MonokrysztaÅ‚ parafiny C13H74 MonokrysztaÅ‚ polietylenu otrzymany z roztworu w eterze otrzymany z rozcieÅ„czonego naftowym roztworu w ksylenie Spiralna struktura jest efektem wzrostu z dyslokacjÄ… Å›rubowÄ… Struktura nadczÄ…steczkowa polimerów Struktura polimerów częściowo krystalicznych jest okreÅ›lona przez szereg czynników, takich jak: Komórka " budowa sieci przestrzennej krystalitów, tj. rodzaj elementarna i wielkość komórki elementarnej, " rozmiary krystalitów grubość lamel wzrasta wraz z temperaturÄ… krystalizacji, " rozmiary innych form morfologicznych - lamele (czÄ™sto skrÄ™cone spiralnie) rozbudowujÄ… siÄ™ promieniÅ›cie od zarodków krystalizacji tworzÄ…c sferolity. Rozmiary sferolitów zależą od dÅ‚ugoÅ›ci Lamela makroczÄ…steczek i od temperatury krystalizacji, " orientacja przestrzenna krystalitów; " stopieÅ„ krystalicznoÅ›ci polimeru, czyli uÅ‚amek wagowy, lub objÄ™toÅ›ciowy fazy krystalicznej. Struktura nadczÄ…steczkowa wpÅ‚ywa na wiele wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci wyrobów z tworzyw sztucznych Sferolit (mechanicznych, optycznych i innych). Hierarchia struktury w makroskopowej Wyrób próbce wykonanej z polietylenu 7 Porównanie krystalizacji substancji o maÅ‚ej masie czÄ…steczkowej i polimeru Krystalizacja jest przejÅ›ciem fazowym I-go rzÄ™du: W temperaturze krystalizacji entalpia swobodna Gibbsa G jest ciÄ…gÅ‚a, natomiast jej pierwsze pochodne, entropia S i objÄ™tość V zmieniajÄ… siÄ™ skokowo (sÄ… nieciÄ…gÅ‚e): S = (´G/´T)P V = (´G/´P)T Natomiast w temperaturze zeszklenia (przejÅ›cie fazowe II- rzÄ™du) zarówno G jak i jej pierwsze pochodne, S i V, sÄ… ciÄ…gÅ‚e, natomiast drugie pochodne G zmieniajÄ… siÄ™ skokowo: ´V/´T = ´2G/ ´P ´T cP = ´2G/´T2 Uwarunkowania strukturalne zdolność polimerów do krystalizacji Regularność struktura umożliwiajÄ…ca gÄ™ste upakowanie: - Izotaktyczność (lub syndiotaktyczność) R R R lub R R R R R R R R R R R R - Regularna konfiguracja (izomeria pozycyjna, np. typu gÅ‚owa go ogona) - Izomeria geometryczna (izomery cis lub trans merów z wiÄ…zaniami podwójnymi lub z pierÅ›cieniami)) - Liniowy Å‚aÅ„cuch (lub z maÅ‚Ä… iloÅ›ciÄ… rozgaÅ‚Ä™zieÅ„) - Regularne rozmieszczenie grup polarnych - Możliwość tworzenia wiÄ…zaÅ„ wodorowych PrzykÅ‚ady polimerów krystalicznych izotaktyczny polietylen CH3 [ CH2 ]n CH3 polipropylen poliketony 8 Polistyren Nylon 6,6 Atomy tlenu z grup karboksylowych i atomy wodoru z grup amidowych mogÄ… tworzyć wiÄ…zania wodorowe. Pozwala to na uporzÄ…dkowane uÅ‚ożenie Å‚aÅ„cuchów i tworzenie włókien. syndiotaktyczny ataktyczny (lub izotaktyczny) amorficzny krystaliczny Poliestry - poly(tereftalan etylenu) kolumnowe uÅ‚ożenie grupy polarne pierÅ›cieni fenylowych 9 Typy krystalizacji - ze stopu (najwiÄ™ksze znaczenie technologiczne) - z roztworu (włókna, a także krysztaÅ‚y najlepszej jakoÅ›ci, monokrysztaÅ‚y) - z fazy gazowej (wyjÄ…tkowo, podczas polimeryzacji) - krystalizacja indukowana (w czasie deformacji plastycznej) - krystalizacja monomeru i polimeryzacja w fazie staÅ‚ej (monokrysztaÅ‚y) izotaktyczny polipropylen polietylen - monokrysztaÅ‚ otrzymany z rozcieÅ„czonego roztworu - sferolit (rozgaÅ‚Ä™ziony) otrzymany w ksylenie z rozcieÅ„czonego roztworu w - sieć ortorombowa, 4 pÅ‚aszczyzny wzrostu krysztaÅ‚u -ortonaftalenie, dÅ‚ugi czas krystalizacji (3 dni) izotaktyczny polistyren sferolity otrzymane ze stężonego roztworu w chlorobenzenie - temp. 180 C, 24h - temp. 130 C, 2h polietylen Mw = 11 000 sferolity otrzymane ze stopu Mw = 5 600 10 Ogólny mechanizm krystalizacji - zbliżanie siÄ™ Å‚aÅ„cuchów, zarodkowanie; - zarodki pierwotne (mogÄ… zaniknąć lub urosnąć stan metastabilny, ich stabilność energetyczna zależy od rozmiarów); - wzrost zarodków, krystalizacja; - powstawanie struktury nadczÄ…steczkowej (struktury morfologiczne). Krystalizacja homogeniczna - proces nukleacji jest jednorodny, w stopie lub roztworze polimeru faza staÅ‚a zaczyna powstawać z zarodków bÄ™dÄ…cych zgrupowaniami wÅ‚asnych makroczÄ…steczek. Krystalizacja heterogeniczna - nukleacja zachodzi na domieszkach ciaÅ‚ obcych, pÄ™cherzykach gazu oraz na granicach powierzchni, np. na Å›ciankach naczynia. Jej przyczynÄ… mogÄ… być również oddziaÅ‚ywania zewnÄ™trzne, np. elektryczne, magnetyczne czy mechaniczne. Szczególnym przypadkiem jest nukleacja wtórna na już uksztaÅ‚towanym krysztale. Nukleacja homogeniczna Nukleacja - zarodkowanie Proces tworzenia nowej fazy przez etap powstawania zarodków jest charakterystyczny dla przemian fazowych, gdzie wystÄ™puje wyrazne rozróżnienie dwu faz rozdzielonych granicÄ… miÄ™dzyfazowÄ…. WystÄ™puje przy przemianach pierwszego rodzaju. Nie ma wtedy stanu poÅ›redniego lecz współistnienie dwu faz, np. stop-krysztaÅ‚. Zarodek najmniejszy obiekt, w którym wystÄ™puje uporzÄ…dkowanie krystaliczne, jest jednak na tyle maÅ‚y, że nie jest stabilny termodynamicznie. Nukleacja dynamiczny proces powstawania zarodków i ich wzrostu do rozmiarów stabilnych termodynamicznie (zarodek krytyczny). Kolejnym etapem jest wzrost kryształów. Nukleacja atermiczna wszystkie zarodki powstajÄ… natychmiast , w tym samym czasie, po osiÄ…gniÄ™ciu danej temperatury T < Tm Nukleacja termiczna zachodzi w czasie, szybkość nukleacji zależy od szybkoÅ›ci zmian temperatury 11 PojÄ™cie równowagi UkÅ‚ad mechaniczny UkÅ‚ad termodynamiczny ukÅ‚ad krystalizujÄ…cych makroczÄ…steczek Ep = mg(hmin + h) Helmholtza T = const Ep = mg h V = const Epmin = mghmin G energia swobodna Gibbsa T = const UkÅ‚ad osiÄ…gnie stan równowagi, gdy: G = H -T S P = const Ep = 0; h = 0 G = 0 W przypadku stopów (ukÅ‚adów wieloskÅ‚adnikowych) G stan równowagi zależy nie tylko od P i T, lecz również od liczby moli metastabilnej każdego ze skÅ‚adników ukÅ‚adu. PotencjaÅ‚ chemiczny ( ) - zmiana G fazy spowodowana dodaniem 1 mola i-tego skÅ‚adnika z zachowaniem staÅ‚ej T, P oraz liczby moli pozostaÅ‚ych skÅ‚adników. O S K stan równowagi stan równowagi stabilnej S potencjaÅ‚ chem. substancji w stopie lub roztworze K0 - potencjaÅ‚ chem. substancji w fazie krystalicznej SiÅ‚Ä… napÄ™dowÄ… procesu krystalizacji jest różnica potencjałów chemicznych: O S K O zachodzi wzrost kryształów gdy: S K 0 O zachodzi proces topnienia S K 0 W przypadku krystalizacji z roztworu: C0 stężenie danego skÅ‚adnika (C CO ) O S K kT[ ] w stanie równowagi CO C stężenie danego skÅ‚adnika w roztworze dla krystalizacji ze stopu: Tm T O q ciepÅ‚o topnienia S K q( ) Tm równowagowa temperatura Tm topnienia (C CO ) (Tm T) sÅ‚uszne dla maÅ‚ych przesyceÅ„ i maÅ‚ych przechÅ‚odzeÅ„ 12 Krystalizacja jest procesem egzotermicznym, przebiega z wydzieleniem ciepÅ‚a, wiąże siÄ™ ze zmianÄ… energii swobodnej Gibbsa. GK = HK TSK G = H - T S GS = HS - TSS HK, HS entalpia fazy krystalicznej i fazy ciekÅ‚ej SK, SS entropia fazy krystalicznej i fazy ciekÅ‚ej Warunkiem koniecznym, aby rozpoczÄ…Å‚ siÄ™ G = GK GS proces krystalizacji (nukleacja) jest G < 0 gdy Tswobodna ciaÅ‚a staÅ‚ego w porównaniu z cieczÄ…. Nukleacja zachodzi w temperaturze niższej niż GK=GS równowagowa temperatura topnienia GK (krystalizacji). Wymaga to (w przypadku nukleacji GS homogenicznej) przechÅ‚odzenia (przesycenia roztworu). T=Tm Dla niezbyt dużych przechÅ‚odzeÅ„: T =Tm-T G q(1-T/Tm) = q( T/Tm) Tm równowagowa temperatura topnienia lub krystalizacji PrzyczynÄ… powstawania zarodków (nukleacji) sÄ… termiczne fluktuacje Å‚aÅ„cuchów w stopie lub roztworze. ProwadzÄ… one do ciÄ…gÅ‚ego tworzenia siÄ™ i rozpadania uporzÄ…dkowanych ugrupowaÅ„ makroczÄ…steczek lub fragmentów makroczÄ…steczek Q. Q Q Q2 Q2 Q Q3 jQ Qj Qj 1 Q Qj Dwa czynniki decydujÄ…ce o szybkoÅ›ci nukleacji: - przechÅ‚odzenie (przesycenie) - dyfuzja. LiczbÄ™ tworzÄ…cych siÄ™ zarodków, skÅ‚adajÄ…cych siÄ™ z j makroczÄ…steczek, przypadajÄ…cÄ… na jednostkÄ™ objÄ™toÅ›ci wyraża równanie Arrheniusa: Gj n( j) nc exp( ) kT gdzie: nc liczba makroczÄ…steczek w jednostce objÄ™toÅ›ci stopu lub roztworu Gj wypadkowa zmiana energii swobodnej przy tworzeniu zarodków skÅ‚adajÄ…cych siÄ™ z j makroczÄ…steczek k staÅ‚a Boltzmana T temperatura 13 Wypadkowa zmiana energii swobodnej Gj tworzenia zarodka, przy zaÅ‚ożeniu, że zarodek przyjmuje postać kuli o promieniu r , jest zwiÄ…zana ze zmianÄ… powierzchni G oraz ze zmianÄ… objÄ™toÅ›ci GV. Gj G GV 4 Gj 4 r2 r3 GV K ,S 3 Gdzie: K,S napiÄ™cie powierzchniowe na granicy miÄ™dzyfazowej ciecz-zarodek Gj zależy od rozmiarów zarodka i przyjmuje wartość maksymalnÄ… dla tzw. rozmiaru krytycznego (rm) zarodek krytyczny. Zarodki o rozmiarach mniejszych od rm sÄ… niestabilne. Zarodki, które osiÄ…gnÄ… rozmiary krytyczne, stajÄ… siÄ™ zarodkami pierwotnymi, dalszy wzrost powoduje zmniejszenie "Gj. Gdy "Gj < O stajÄ… siÄ™ one zarodkami stabilnymi, na których bÄ™dzie przebiegaÅ‚ wzrost kryształów. Wymiar r* oblicza siÄ™ z warunku na ekstremum funkcji: d( Gj ) 0 dr 4 Po zróżniczkowaniu wyrażenia: Gj 4 r2 r3 GV K ,S 3 2 K ,S r* otrzymujemy: GV Praca zarodkowania ( Gj*) maksymalna wartość zmiany energii swobodnej ukÅ‚adu (otrzymujemy przez podstawienie r* do wyrażenia na Gj): 2 2 4 K ,S K ,S G* 4 ( )2 ( )3 GV j GV K ,S 3 GV 3 16 16 K ,S - czynnik geometryczny
G* j 3 ( GV )2 3 Praca zarodkowania jest barierą termodynamiczną, którą należy pokonać, aby powstawanie zarodków było możliwe i ulega zmniejszeniu w miarę wzrostu przechłodzenia. 14 Praca zarodkowania G = H -T S jest zależna od temperatury, a więc także r* zależny od temperatury Prędkość zarodkowania homogenicznego (I) Gj * G I Io exp[ ], kT gdzie: "G - energia aktywacji dyfuzji krystalizujących segmentów na małe odległości przez granicę faz, Io = NkT / h, N liczba nieskrystalizowanych segmentów, które mogą brać udział w zarodkowaniu w pojedynczym kroku, kT / h częstość fluktuacji cieplnych (k stała Boltzmanna, h stała Planck a). Krystalizacja polimeru ze stopu: Wykres zależności szybkości zarodkowania (I) zależność "G od temperatury podobna jest do zależności energii aktywacji od temperatury (T) lepkiego płynięcia polimeru od temperatury i do jej opisu można zastosować równanie Williams a Landel a Ferry ego (WLF): Io G U * , kT R(T T ) U* Tm stała charakteryzująca energię aktywacji ruchliwości makrocząsteczek polimeru w stopie, T - hipotetyczna temperatura, w której zanikają ruchy makrocząsteczek Na ogół Tk ~ 0,8 0,9 Tm związane z płynięciem (T = Tg - 51.6 K), Tg temperatura przejścia w stan szklisty, R stała gazowa. 15 Zarodek anizometryczny Klasyczna teoria Gibbsa zakłada tworzenie się zarodków kulistych. W polimerach powstające zarodki są asymetryczne: prostokątne lub cylindryczne. A B Wprowadza się trzy różne wartości A, B, C a (napięcie powierzchniowe na granicy fazy c=l ciekłej i stałej może być różne dla różnych b ścianek). Wartości zależą od rodzaju modelu przyjętego C do opisu zarodka. A ( B ) związany z łańcuchami przylegającymi całymi segmentami, oddziaływania van der Waalsa z fazą ciekłą. A można wyznaczyć dla stopów modelowych, np. parafiny: A = 2 2,5 x 10-7 J/cm2 C trudne do oznaczenia (nie wiadomo ile łańcuchów wchodzi i wychodzi z zarodka i jakie tworzą pętle) A, C decydują o wartości Gj Z punktu widzenia konformacji łańcuchów wyróżnić można dwa rodzaje zarodków: Zarodek frędzlowy Zarodek lamelarny łańcuchy wyprostowane, łańcuchy ulegają sfałdowaniu, wychodzą z zarodka powstałe wstęgi przylegają do siebie tworząc frędzle powierzchniami bocznymi Podobnie jak dla zarodka kulistego, dla tego typu zarodków można wyliczyć Gj oraz Gj*. np. dla zarodka frędzlowego: Gj = 2ab C + 2al + 2bl -abl GV ( A = B = ) Gj* = 2 C / GV 2 - związane ze ścianami bocznymi zarodka - czynnik geometryczny c napięcie powierzchniowe ścian zawierających frędzle 16 Wyznaczanie rozmiarów zarodka krytycznego prostopadłościennego a lp e lp a kierunek rozrostu a zarodka
- napięcie powierzchniowe granicy międzyfazowej ciecz-zarodek dla płaszczyzny składu (płaszczyzny wzrostu) e - napięcie powierzchniowe granicy międzyfazowej ciecz-zarodek dla powierzchni składu Wypadkowa zmiana energii swobodnej Gj tworzenia zarodka prostopadłościennego: Gj 2a2 e 2alp 2alp a2lp GV 4alp Wyznaczanie rozmiarów zarodka krytycznego prostopadłościennego a*, lp* Gj 2a2 e 4alp a2lp GV Wymiary krytyczne a* oraz lp* oblicza się z warunków: d( Gj ) d( Gj ) 0 0; dlp da d( Gj ) 4a e 4lp 2alp GV 0 da d( Gj ) 4a a2 GV 0 dlp 4 4 e lub a* lp* a 0 a(4 a GV ) 0 GV GV 17 Wyznaczanie pracy zarodkowania ( Gj*) dla zarodka prostopadłościennego 4 4 e Gj* otrzymujemy przez podstawienie a* oraz lp* GV GV do wyrażenia opisującego wypadkową zmianę energii swobodnej: Gj 2a2 e 4alp a2lp GV 2 32 e G* j ( GV )2 = 32 - czynnik geometryczny polietylen Zarodek krytyczny posiadający grubość lp*, po pokonaniu bariery termodynamicznej Gj*, rozrasta się w kryształ płytkowy. Dla zarodków lamelarnych (sfałdowanych) lp* jest jednocześnie wysokością fałdu. Doświadczalne wyznaczanie grubości (lp*) kryształu płytkowego Grubości (lp*) kryształu płytkowego można wyznaczyć za pomocą: - transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM Transmission Electron Microscopy) - rentgenografii niskokątowej (SAXS Small Angle X-ray Scattering). - skaningowego mikroskopu sił atomowych (AFM) Transmisyjna mikroskopia elektronowa zasada pomiaru Krople roztworu z osadem krystalicznym nanosi się na cienką błonę nośną i po wysuszeniu bada się w mikroskopie TEM. Z powodu niewielkich różnic w zdolności rozpraszania elektronów przez polimer i podłoże stosuje się metodę cieniowania metalami ciężkimi (np. Pd, Pt) napylenie w wysokiej próżni (10-5 Pa), pod ostrym kątem , cienkiej warstewki metalu na powierzchnię preparatu. Można w ten sposób poprawić widoczność oraz obliczyć grubość kryształu płytkowego na podstawie wzoru: lp = h = a tg Zasada cieniowania preparatów TEM metalami ciężkimi: gdzie: 1 preparat h wysokość płytki krystalicznej 2 osad metalu 3 błona nośna a długość cienia 3 18 Podsumowanie 1. Nukleację jednorodną (homogeniczną) obserwuje się bardzo rzadko. Konieczne jest spełnienie następujących czynników: - wysoka czystość, - zniszczona pamięć krystaliczna, - niskie wartości Tg 2. Analogiczne rozumowanie dla nukleacji z fazy gazowej (małe znaczenie w przypadku polimerów) 3. Nukleacja z fazy quasi-ciekłej roztwory bardzo lepkie krystalizacja w fazie lepko-elastycznej lub lepko-plastycznej powyżej Tg - podstawowe znaczenie ma czynnik dyfuzyjny; - zmiana gęstości w wyniku krystalizacji powoduje powstanie naprężeń, dodatkowy czynnik energetyczny zależy od powierzchni zarodków; - nukleacja następuje wolniej wskutek powstających naprężeń; - powstają formy znacznie bardziej nieregularne, różne struktury morfologiczne. 19