M5 Kristallisation: Kinetik und sphärolithische Morphologie

Thema

Die Keimbildung der dünnen kristallinen Lamellen dieses Polymers – dieselben dünnen kristallinen Lamellen, die bereits in einem anderen Modell dieser Gruppe beschrieben wurden –, die sich zu Sphärolithen in einer amorphen Matrix organisieren, und das anschließende Wachstum dieser dünnen kristallinen Lamellen nach ihrer Keimbildung folgen gemeinsam im Laufe der Zeit der Avrami-Kinetik, derselben Familie von Phasenumwandlungskinetiken, die bereits für zwei andere Materialien aus verschiedenen Gruppen den umgewandelten Anteil eines Metalls während seiner Rekristallisation und den kristallisierten Anteil eines Glases während seiner unerwünschten Entglasung beschreibt: Auch hier beschreibt diese Avrami-Kinetik eine Kurve in Form des charakteristischen sigmoidalen Wachstums, zunächst langsam, während die ersten Keime dieser dünnen kristallinen Lamellen erscheinen, später schneller, wenn die bereits gebildeten Lamellen wachsen und sich vermehren, und am Ende wieder langsamer, wenn die expandierenden Sphärolithe miteinander kollidieren und die verfügbare amorphe Matrix erschöpfen. Die Tatsache, dass die Keimbildung dünner kristalliner Lamellen zu Beginn der Kristallisation schneller verläuft, führt dazu, dass die Avrami-Kinetik den endgültigen Kristallisationsgrad schneller erreicht.

Das Wachstum der Sphärolithe in diesem Polymer hängt jedoch nicht allein von der Avrami-Kinetik ab. Gemäß der Hoffmann-Lauritzen-Theorie wird es durch die Diffusion von Molekülkettensegmenten des Polymers zur Wachstumsfront jedes Sphärolithen begrenzt. Bei Temperaturen, die zu nahe an der Glasübergangstemperatur des Polymers liegen, diffundieren diese Molekülkettensegmente so langsam, dass die Sphärolithwachstumsrate sinkt, obwohl die thermodynamische Triebkraft für die Kristallisation bei dieser Temperatur sehr hoch ist. Die Tatsache, dass die Kristallisationstemperatur dieses Polymers näher an der Glasübergangstemperatur liegt, bedeutet, dass die Diffusion der Molekülkettensegmente gemäß der Hoffmann-Lauritzen-Theorie langsamer verläuft und somit auch die Sphärolithwachstumsrate geringer ist.

Aus diesem Grund erzeugt dieses Modell mit seiner Avrami-Kinetik und der Diffusion von Kettensegmenten, die das sphärolithische Wachstum begrenzt, kinetisch dieselbe sphärolithische Morphologie, die von einem anderen Modell dieser Gruppe detaillierter beschrieben wird: dünne, kristalline Lamellen, eingebettet in eine amorphe Matrix. Die Gleichgewichtslamellendicke und der Kristallinitätsgrad, die dieses andere Modell aus der gemessenen Dichte oder der Schmelzenthalpie des Polymers bestimmt, sind letztlich das Ergebnis derselben Avrami-Kinetik und derselben, durch die Hoffmann-Lauritzen-Theorie begrenzten Diffusion von Kettensegmenten, auf deren Grundlage dieses Modell entwickelt wurde. Da die Kristallisation dieses Polymers aufgrund der zu schnellen Abkühlung im gleichen Temperaturbereich für das sphärolithische Wachstum vorzeitig abbricht, ist der resultierende Kristallinitätsgrad geringer als derjenige, den dieselbe Avrami-Kinetik bei längerer Dauer erreichen würde.

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