高巧春
(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 淄博 255049)
聚合物的結(jié)晶形態(tài)是影響聚合物材料性能的重要因素,其結(jié)晶度、晶粒的大小和分布都會影響最終材料的韌性、剛性及尺寸穩(wěn)定性等物理性能,其不同的晶體形態(tài)也會對材料制品的物理性能產(chǎn)生重要的影響[1]。因此,掌握研究聚合物結(jié)晶形態(tài)的方法,并合理的控制其形態(tài)結(jié)構(gòu)是獲取高性能材料的有效途徑[2]。
“偏光顯微鏡觀察聚合物結(jié)晶形態(tài)”是高分子物理實(shí)驗中非常典型的一個實(shí)驗,在傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)中,該實(shí)驗一直以驗證性實(shí)驗項目開設(shè),通過該實(shí)驗學(xué)生只是觀察到了黑十字消光圖像,對外在條件如結(jié)晶溫度、時間、填料等是如何影響聚合物的結(jié)晶形態(tài)及過程的還是沒有深入的了解;因此,為了讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)對聚合物的結(jié)晶有更深入、直觀的了解,我校對該實(shí)驗項目內(nèi)容、實(shí)施過程進(jìn)行了改革,將經(jīng)典的驗證性項目改為綜合性項目。
為了讓學(xué)生在實(shí)驗過程中能更深入的理解不同條件,如溫度、時間、成核劑等聚合物結(jié)晶形態(tài)的影響;結(jié)合實(shí)驗室現(xiàn)有條件,設(shè)置不同層次的實(shí)驗,同學(xué)們分組進(jìn)行。例如:
1)觀察不同溫度下聚合物的結(jié)晶過程;
2)觀察不同聚合物的結(jié)晶形態(tài);
3)觀察對比添加成核劑和不添加成核劑的聚合物的結(jié)晶形態(tài);
4)比較表面處理和未處理纖維對聚合物結(jié)晶形態(tài)的影響。
1)課前布置問題讓學(xué)生課前對學(xué)生主動去查資料,了解偏光顯微鏡觀察聚合物結(jié)晶形態(tài)的原理是什么?影響聚合物結(jié)晶的因素有哪些?各因素都是如何影響聚合的結(jié)晶的?
2)由于實(shí)驗儀器有限、實(shí)驗學(xué)時少,不能每人把所有的實(shí)驗內(nèi)容都做一遍,我們把學(xué)生分成若干小組,讓不同的學(xué)生做不同條件的實(shí)驗,在實(shí)驗過程中,老師全程監(jiān)測學(xué)生的實(shí)驗過程,注意引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗現(xiàn)象的觀察、分析;實(shí)驗后實(shí)驗結(jié)果共享,擴(kuò)大實(shí)驗數(shù)據(jù)量。
3)實(shí)驗結(jié)束后,學(xué)生對試驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析,寫出詳細(xì)的報告,最后通過匯報答辯的形式組織同學(xué)討論交流各因素對聚合物結(jié)晶形態(tài)及過程的影響。
以聚乳酸(PLA)為基體,分析結(jié)晶溫度、結(jié)晶時間對聚乳酸結(jié)晶形態(tài)的影響;利用鹽酸對玻璃纖維表面進(jìn)行酸蝕,然后觀察經(jīng)酸蝕后玻璃纖維和未酸蝕處理的玻璃纖維與聚乳酸結(jié)合界面處的結(jié)晶形態(tài)的不同,并進(jìn)行分析。
圖1為不同溫度下,PLA的結(jié)晶形態(tài)。從圖中可以看出,在結(jié)晶溫度為120℃時,晶體數(shù)量很多,顆粒尺寸很小,看不到完整獨(dú)立的球晶;在125℃時,在較稀疏的區(qū)域能看到較為完整的球晶,但顆粒尺寸較??;在130℃時,晶體數(shù)量明顯減少,能看到完整獨(dú)立的球晶,且黑十字消光顯現(xiàn)象明顯;135℃時,晶體數(shù)量很少,只看到幾個完整、獨(dú)立的球晶,且顆粒尺寸較大。這是因為在較低的結(jié)晶溫度下,分子的熱運(yùn)動比較舒緩,分子鏈容易形成規(guī)則有序的排列,易形成晶核,所以成核數(shù)量較多,但溫度較低時,熔體的黏度較大,鏈段的運(yùn)動能力較弱,導(dǎo)致其向晶體表面擴(kuò)散、重排受阻,這致使晶體的生長速率較慢,晶粒尺寸較小。當(dāng)溫度升高時,分子熱運(yùn)動變激烈,此時晶核不易形成,或者形成的晶核不穩(wěn)定易被分子熱運(yùn)動所破壞,所以成核數(shù)量較少,但此時鏈段的運(yùn)動能力增加,鏈段可以比較順利的向晶體表面擴(kuò)散、重排,使得晶體的生長速率變快,形成尺寸較大的晶粒。
圖1 不同結(jié)晶溫度下聚乳酸的結(jié)晶形態(tài)
圖2 PLA在130℃下不同時間的結(jié)晶形態(tài)
圖2為PLA在130℃下,不同時間的結(jié)晶形態(tài)。聚合物結(jié)晶過程分為結(jié)晶成核與結(jié)晶生長兩個階段[3]。在一定的結(jié)晶溫度下,具有相似構(gòu)象的高分子鏈段聚集在一起,形成一個穩(wěn)定的原始核,即晶核。圖2(a)中可以看到,在5分鐘時已形成明顯的晶核,隨著時間的增長,鏈段和分子鏈通過熱運(yùn)動不斷調(diào)整構(gòu)象以排入晶格[4],晶核開始向空間各個方向放射生長,在晶核較少且球晶較小時,形成完整、獨(dú)立的球晶,如圖2(b)所示;隨著結(jié)晶時間的增長,球晶不斷增長,在周圍有足夠空間的時候,球晶會沿著徑向方向逐漸長大,直到與鄰近的球晶相遇,形成晶面,在此方向即停止生長,如圖2(c)所示;當(dāng)周圍各方向都與其他球晶相遇,則會形成不規(guī)則的多面體,球晶不再長大,如圖2(d)所示。
從圖3(a)中可以看出,在遠(yuǎn)離玻璃纖維的區(qū)域內(nèi),PLA結(jié)晶形態(tài)完整,有明顯的黑十字消光現(xiàn)象。在玻璃纖維和聚乳酸的界面的區(qū)域內(nèi),晶體的結(jié)晶形態(tài)基本沒什么變化,玻璃纖維周圍成核密度也沒有增加,晶體穿過玻璃纖維繼續(xù)生長。圖3(b)為經(jīng)過鹽酸處理的玻璃纖維,可以看到,玻璃纖維表面形成大量的橫晶,且成核密度大大增加,而周圍無纖維的區(qū)域還是形成完整、黑十字消光明顯的球晶,且數(shù)量較少。這主要是,未處理的玻璃纖維與聚乳酸的界面結(jié)合較弱,只是簡單的物理性結(jié)合,因此玻纖一般不會誘導(dǎo)結(jié)晶,也不會出現(xiàn)所謂的橫穿結(jié)晶現(xiàn)象[5]。而經(jīng)過鹽酸處理的玻璃纖維表面形成大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),表面變得較為粗糙,為聚乳酸分子鏈在其表面附著提供了可能,有利于在玻纖表面附著成核[6]。
圖3 表面未處理/PLA和鹽酸處理的玻璃纖維/PLA界面結(jié)晶形態(tài)
通過這種綜合研究型實(shí)驗的設(shè)計,改革了實(shí)驗教學(xué)的內(nèi)容和方式,實(shí)驗實(shí)施過程中,多個知識點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合,使學(xué)生更加形象生動地理解各種條件聚合物結(jié)晶形態(tài)的形成機(jī)理,不僅鞏固了學(xué)生的專業(yè)知識,還激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗熱情,最后通過對實(shí)驗結(jié)果的深入討論,進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解,提高了學(xué)生分析問題解決問題的能力,為學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。