스페룰라이트(폴리머물리학)

Spherulite (polymer physics)
이 기사는 폴리머에 관한 것이다. 다른 용도는 sherulite를 참조하십시오.

고분자물리학에서 스피룰라이트(그리스 스파이라 = 공, 리토스 = 석재)는 비분쇄 선형 폴리머 내부의 구형 세미스트리탈린 영역이다. 이들의 형성은 용해로 인한 중합체의 결정화와 연관되며 핵 부위의 수, 고분자 분자의 구조, 냉각 속도 등과 같은 여러 가지 매개변수에 의해 제어된다. 이러한 파라미터에 따라 스피룰라이트 직경은 몇 마이크로미터에서 밀리미터까지 광범위한 범위에서 달라질 수 있다. 스피룰라이트는 고도로 순서가 정해진 라멜레로 구성되는데, 이 라멜레로 인해 고분자 내의 질서 정연한 부위와 비교했을 때 더 높은 밀도와 경도가 발생하지만, 또한 활기가 넘친다. 라멜레는 탄성과 충격 저항성을 제공하는 비정형 영역에 의해 연결된다. 라멜레 내 중합체 분자를 정렬하면 광학 현미경으로 교차된 편광자 사이에서 스피룰라이트를 볼 때 몰타 십자 등 다양한 색상의 패턴이 생성된다.

포메이션

폴리머 결정 중 라멜레 형성 원리. 화살표는 온도 구배 방향을 나타낸다.[1]

용해된 선형 중합체(폴리에틸렌 등)가 급속하게 냉각되면 임의로 정렬, 곡선, 뒤엉킨 분자의 방향이 동결되고 고체가 질서정연한 구조가 된다. 그러나, 느린 냉각 후에, 일부 폴리머 체인은 일정한 질서 정연한 구성을 취한다: 그들은 결정성 라멜레라고 불리는 접시에 정렬한다.[2]

스피룰라이트의 개략적인 모델. 검은 화살표는 분자 정렬 방향을 나타낸다.

용해로 인한 성장은 온도 구배를 따를 것이다(그림 참조). 예를 들어, 경사도가 분자 정렬 방향으로 정상으로 향하면 라멜라가 평면 결정체로 측면으로 성장한다. 그러나 열 경사가 없는 경우 모든 방향에서 방사상으로 성장하여 구면 골재가 발생하며, 이는 sherulite이다. 라멜레의 가장 큰 표면은 분자 굴곡과 꼬임으로 끝나며, 이 방향으로 성장하면 질서 없는 지역이 된다. 따라서 스피룰라이트는 고도로 순서가 정해진 라멜레 판이 비정형 영역에 의해 방해되는 세미스트리스탈린 구조를 가지고 있다.[2][3]

스피룰라이트의 크기는 마이크로미터에서 최대 1센티미터까지[4] 넓은 범위에서 다양하며 핵에 의해 제어된다. 강한 과냉각이나 결정화 씨앗의 의도적인 추가는 상대적으로 많은 수의 핵 부지를 초래하고, 그 후 중성미자는 수적으로 많고 작으며 성장하면서 서로 상호작용한다. 핵 부위가 적고 냉각이 느릴 경우, 몇 개의 더 큰 스피룰라이트가 생성된다.[5][6]

씨앗은 중합체의 다른 성질을 개선하기 위해 첨가된 불순물, 가소제, 필러, 염료 및 기타 물질에 의해 유도될 수 있다. 이 효과는 잘 이해되지 않고 불규칙하기 때문에 같은 첨가물이 한 중합체에서는 핵이 촉진될 수 있지만 다른 중합체에서는 그렇지 않다. 좋은 핵물질의 다수는 유기산의 금속염으로, 그 자체는 고분자 고체화의 고체화 온도에서 결정된다.[1]

특성.

기계적인

고장 시 변형률 vs. sherulite 크기.[7]

스피룰라이트 형성은 폴리머 물질의 많은 특성에 영향을 미친다. 특히 스피룰라이트를 만드는 동안 결정성, 밀도, 인장 강도 및 영의 폴리머 계수가 증가한다. 이러한 증가는 분자들이 비정형 단계보다 더 빽빽하게 채워져 있는 스피룰라이트 내의 라멜레 분율 때문이다. 라멜레 내 분자간 상호작용이 강하면 경도가 높아지지만, 또한 침식이 높아진다. 반면에 스피룰라이트 내의 라멜레 사이의 비정형 영역은 물질에 일정한 탄성과 충격 저항성을 부여한다.[2]

그러나 스피룰라이트 형성에 따른 폴리머의 기계적 특성 변화는 스피룰라이트 크기와 밀도에 따라 크게 달라진다. 대표적인 예가 그림에서 sperulite 크기가 증가함에 따라 고장 시 균주가 급격히 감소하고 따라서 동위원소 폴리프로필렌의 수가 감소함을 보여준다. 인장 강도, 항복 응력 및 강인성에 대해서도 유사한 추세가 관찰된다.[7] 스피룰라이트의 총 부피가 증가하면 폴리머가 수축될 뿐만 아니라 상호작용하게 되는데, 이는 스피룰라이트 사이의 경계를 따라 하중을 받으면 부서지기 쉽고 균열이 생기기 쉽다.[7]

광학

교차 편광기 사이에 있는 모자이크 메소겐에 삽입된 스피룰라이트.

라멜레 내 중합체 분자를 정렬하면 광학 현미경으로 교차된 편광자 사이에서 스피룰라이트를 볼 때 다양한 색상의 패턴을 생성하게 된다. 특히 원점에서 갈라지는 4개의 어두운 수직 원추(오른쪽 사진 참조)로 구성된 이른바 '말타지 십자가'가 종종 존재하며, 때로는 밝은 가운데(앞쪽 사진)로 구성되기도 한다. 그것의 형성은 다음과 같이 설명할 수 있다. 선형 중합체 체인은 선형 편광체로 간주할 수 있다. 만약 그들의 방향이 교차된 편광기 중 하나의 방향과 일치한다면, 빛은 거의 전달되지 않는다; 사슬이 두 편광기와 0이 아닌 각도를 만들 때 전달이 증가하며, 유도 투과율은 부분적으로 폴리머의 흡수 특성 때문에 파장에 의존한다.[8][9]

몰타 십자형성 도식

이 효과로 인해 어두운 수직 원뿔(말테스 십자)이 발생하며, 앞과 오른쪽 그림에서 그 사이사이에 더 밝은 색상을 띠게 된다. 그것은 스피룰에 있는 폴리머 분자의 분자 축이 정상적이거나 반지름 벡터에 수직이라는 것을 보여준다. 즉, 분자 방향은 스피룰라이트 중심에서 그 반경을 따라 그 가장자리로 선을 따라 갈 때 균일하다. 그러나 이 방향은 회전 각도에 따라 바뀐다.[8][9] 그 패턴은 개별적인 스피룰라이트의 핵 씨앗에서 분자의 방향을 잘못 잡았다는 것을 나타내는 스피룰라이트 중심에 대해 다를 수 있다(밝거나 어둡다). 모든 어둡거나 밝은 점은 편광기로 만든 각도에 따라 달라지는데, 이는 구형 모양으로 인해 대칭적인 이미지가 된다.

교차 편광기 사이에 있는 모자이크 메소겐에 삽입된 스피룰라이트.

스피룰라이트를 평면에서 회전시켰을 때 해당 몰타 십자 무늬는 변하지 않아 분자 배열이 균질 대 극각임을 알 수 있었다. 이단성 관점에서 볼 때, 스피룰라이트는 양성이거나 음성이 될 수 있다. 이러한 구별은 분자의 방향(레이디얼 방향과 평행 또는 수직)이 아니라 레이디얼 벡터에 상대적인 분자의 주요 굴절률의 방향에 따라 달라진다. 극성은 구성 분자에 따라 다르지만 온도에 따라 변할 수도 있다.[4]

참고 항목

참조

  1. ^ a b Georg Menges, Edmund Haberstroh, Walter Michaeli, Ernst Schmachtenberg: 플라스틱 재료 과학 Hanser Verlag, 2002, ISBN3-446-21257-4
  2. ^ a b c Charles E. Carraher; Raymond Benedict Seymour (2003). Seymour/Carraher's polymer chemistry. CRC Press. pp. 44–45. ISBN 0-8247-0806-7.
  3. ^ 에렌슈타인과 테리엇 pp.78,81 그림 4.15, 4.19
  4. ^ a b Cornelia Vasile (2000). Handbook of polyolefins. CRC Press. p. 183. ISBN 0-8247-8603-3.
  5. ^ Linda C. Sawyer; David T. Grubb; Gregory F. Meyers (2008). Polymer microscopy. Springer. p. 5. ISBN 978-0-387-72627-4.
  6. ^ 에렌슈타인과 테리엇 페이지 67,83
  7. ^ a b c 에렌슈타인과 테리오트 p.84
  8. ^ a b 에렌슈타인과 테리오트 p.81
  9. ^ a b David I. Bower (2002). An introduction to polymer physics. Cambridge University Press. pp. 133–136. ISBN 0-521-63721-X.

참고 문헌 목록