Wenn Kristalle fließen: Schmelzpunkt des Polymers

Wenn Kristalle fließen: Schmelzpunkt des Polymers: Halbkristalline Polymere sind Feststoffe, von denen man annimmt, dass sie erst oberhalb ihrer Schmelztemperatur fließen. In einer neuen, in Science Advances veröffentlichten Studie haben Chien-Hua Tu und ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Deutschland und an der Universität Ioannina in Griechenland Kristalle in nanoskopischen zylindrischen Poren eingeschlossen, um die Fließfähigkeit halbkristalliner Polymere unterhalb ihres Schmelzpunkts zu zeigen Punkt, neben einem Zwischenzustand der Viskosität zum Schmelz- und Kristallzustand.

Der Kapillarprozess war während des Phänomens stark und zog die Polymerketten in die Poren, ohne den Kristall zu schmelzen. Die unerwartete Verbesserung des Fließverhaltens ermöglichte Polymerverarbeitungsbedingungen, die auch bei niedrigen Temperaturen anwendbar sind und sich für den Einsatz in der organischen Elektronik eignen.

Vor etwa 2.500 Jahren schlug der Philosoph Heraklit vor, dass „alles fließt“, und während perfekte Kristalle bei Nulltemperatur nicht fließen, kristalline Materialien unter bestimmten Bedingungen fließen. Beispielsweise zeigten bestehende Forschungen von vor etwa 100 Jahren, dass die Strömung von Gusseisen in Form fließender Metallkörner, die von einer dünnen amorphen Schicht umgeben sind, einer unterkühlten Flüssigkeit ähnelt.

Mithilfe von Molekulardynamiksimulationen haben Forscher die Ideen bestätigt, um die Bedeutung der komplexen Korngrenzen-„Flüssigkeit“ für die plastische Verformung weiter zu verdeutlichen. Beispielsweise wird angenommen, dass der innere Erdkern Eisen in einem kristallinen Zustand enthält. Darüber hinaus besteht der Kern von Planeten wie Neptun und Uranus aus superionischem kristallinem Wasser und fließt, um ihr Magnetfeld zu erzeugen, das letztendlich zu unserer eigenen Existenz geführt haben könnte.

Kristalline Materialien, die flüssigkeitsähnliche Beweglichkeiten aufweisen, werden als „Superionika“ bezeichnet und sind für Energieanwendungen wichtig. Teilkristalline Polymere sind Feststoffe, die unter normalen Bedingungen nicht fließen. In dieser Arbeit zeigten Tu und Kollegen, wie sogar die teilkristallinen Polymere flossen. Um das Phänomen zu untersuchen, verwendeten sie zwei halbkristalline Polymere; Poly(ethylenoxid) und Poly(ε-caprolacton) mit spezifischen molekularen Eigenschaften. Die Materialwissenschaftler entwickelten für die Studie selbstgeordnete nanoporöse Aluminiumoxid-Templates auf der Grundlage vorhandener Literaturprotokolle.

Die Wissenschaftler untersuchten die Thermodynamik, Struktur und rheologischen Eigenschaften von Polyethylenoxid-Massenmaterialien. Und die Daten bestätigten, dass sich der Materialfilm auf der Aluminiumoxid-Vorlage in einem halbkristallinen Zustand befindet. Das Team beobachtete die Organisation der Domänenabstände kristalliner Lamellen mit Kleinwinkel-Röntgenstreuung. Sie verwendeten polarisierende optische Mikroskopie, um die Überstruktur von massivem Polyethylenoxid mit einem Film zu untersuchen, der langsam von der Schmelze auf Umgebungstemperatur abgekühlt wurde. Die Ergebnisse deuteten auf eine einzelne sphärolithische Überstruktur für Polyethylenoxid hin, während die Strukturdynamik von mit einem Katalysator synthetisiertem Poly(ε-caprolacton) unterschiedlich war.

Das Forschungsteam führte eine 28-tägige Imbibition (Aufnahme von Wasser, die zum Quellen von Materialien führt) der beiden Polymermaterialien in anodischen Aluminiumoxid-Templaten durch und beobachtete die Proben mit Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie, um sie zu charakterisieren. Im Gegensatz zum relativ glatten Erscheinungsbild von Polyethylenoxid zeigten die Poly(ε-caprolacton)-Materialien reichlich Kornstrukturen aufgrund unterschiedlicher morphologischer Ursprünge in der intrakristallinen Diffusion. Nachdem die Forscher das Oberflächenerscheinungsbild von Materialien untersucht hatten, führten sie eine Nano-Infrarot-Mikroskopie durch, um zusätzliche Bilder der Oberflächentopographie der beiden Materialien zu erhalten. Die Ergebnisse zeigten deutlich die teilkristalline Natur von Polyethylenoxid. Sie befassten sich auch mit der Möglichkeit, dass die Kapillarkraft im Versuchsaufbau ausreichend hoch sein könnte, um die Kristalle während des Fließens zu schmelzen, und stellten fest, dass die Viskosität halbkristalliner Polymere während der Experimente verringert wurde.

Die Mechanismen der Flüssigkeitsaufnahme und Materialquellung, bekannt als Imbibition aus dem halbkristallinen Zustand, beruhten auf der Dynamik seiner kristallinen und amorphen Domänen. Vier Prozesse wirkten auf die amorphen und kristallinen Bereiche; Die Segmentrelaxation bestimmte die Dynamik im amorphen Bereich, während drei weitere Prozesse den kristallinen Bereich beeinflussten, um die intrakristalline Kettendiffusion für kristallmobile Polymere wie Polyethylenoxid zu demonstrieren.

Da die Aufnahme von Kristallen auch die Diffusion ganzer Kristallite beinhaltet, untersuchten Tu und das Team den Einfluss der Molmasse der Polymere auf den Prozess der Aufnahme. Die Ergebnisse zeigten, dass die Molmasse die Imbibitionsgeschwindigkeit regulierte.

Auf diese Weise verwendeten Chien-Hua Tu und Kollegen verschiedene bildgebende Methoden in der Materialwissenschaft, wie Rasterelektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Nano-Infrarot-Ergebnisse, um zu untersuchen, wie halbkristalline Polymere durch Kapillarwirkung in Nanoporen aus anodischem Aluminiumoxid fließen . Sie maßen das viskoelastische Verhalten der Polymere mit einem Scherrheometer und die Kapillarwirkung schien den Polymeradsorptionsprozess anzutreiben.

Während die erfolgreiche Aufnahme ein relativ langsamer Prozess war, war die Kapillarkraft stark genug, um Polymerkristallite in die Nanoporen zu ziehen, ohne die Kristalle zu schmelzen. Die unerwartete Erhöhung des Durchflusses bei gleichzeitiger Erhaltung der Polymerkristallite wird bei der Polymerverarbeitung bei niedrigen Temperaturen angewendet. Ein solches Phänomen kann unter bestimmten Bedingungen zu einem Kaltfluss und einer anschließenden Bindung von Polymeren an Keramik oder Metall führen, um eine Polymerzersetzung zu verhindern. Solche teilkristallinen Polymere und ferroelektrischen Materialien finden in der organischen Elektronik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, um ihre elektronischen und physikalischen Eigenschaften zu beeinflussen.

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