Полипропилен, его сополимеры и ПП композиты. Часть 6

Изотактический полипропилен в аморфных областях может кристаллизоваться, и со временем он будет кристаллизоваться медленно до предела, который позволяет запутывание. Степень кристаллизации после начальной стадии производства по превращению гранул или порошка полипропилена в формованное изделие со временем будет медленно увеличиваться, как и жесткость. Широко принятая модель морфологии гомополимера полипропилена уподобляет твердую структуру системе, состоящей из кусков жесткого картона, соединенных вместе нитями из более мягкого материала. На участках, представленных плоскими кусками, полимерные цепи полипропилена переплетаются вверх и вниз в плотно упакованные массивы, называемые кристаллитами («маленькие кристаллы»), которые морфологи называют ламеллами (отсюда и определение «ламеллярный» по отношению к материалам). Мягкие нити, соединяющие кусочки жесткого материала, представляют собой полимерные цепи, которые выходят из одного кристаллита, входят в другой, а затем начинают переплетаться вверх и вниз в другом кристаллите. Кристаллизуемость цепочек является одним из факторов, определяющих толщину кристаллитов, а толщина кристаллитов определяет, сколько тепловой энергии требуется для их плавления (температура плавления). Типичный гомополимер полипропилена имеет набор кристаллитов от толстых до очень тонких, и они проявляются как набор точек плавления.

Гомополимерный полипропилен достаточно популярен, в основном, за счет хорошей скорости течения расплава (MFR или MFI — индекс течения расплава) и состава добавок для производства волокон, пленки, листов и литья под давлением. Скорость течения расплава является показателем средневесовой молекулярной массы, измеренной с помощью методов испытаний по ISO и ASTM. Статистические или рандом-сополимеры представляют собой сополимеры этилена и пропилена, которые получают в одном реакторе путем сополимеризации пропилена и небольших количеств этилена (обычно 7% и ниже). Сополимеризованный этилен значительно изменяет свойства полимерных цепей и приводит к получению термопластичных продуктов, которые продаются на рынках, где требуются несколько лучшие ударные свойства, улучшенная прозрачность, уменьшенная мутность, пониженная температура плавления или повышенная гибкость. Мономер этилена в цепи полипропилена проявляется как нарушение регулярности цепи, что препятствует кристаллизации цепи. По мере увеличения содержания этилена толщина кристаллитов постепенно уменьшается, что проявляется в более низкой температуре плавления. Количество этилена, включенного в цепь, обычно определяется балансом между тепловыми, оптическими или механическими свойствами. Ударные или блок-сополимеры представляют собой физические смеси гомополимера и рандом-сополимера полипропилена, при этом общая смесь имеет содержание этилена (полиэтилена) порядка 6–15%.

Жесткость продукта PP-B определяется жесткостью фазы PP-H и объемом каучука при данном распределении каучука в продукте. Ударопрочность определяется количеством и распределением каучуковой фазы в продукте PP-B. Характеристики твердого состояния полипропилена возникают из-за того, что мономер пропилена имеет асимметричную форму. Он отличается от мономера этилена тем, что у него есть метильная группа, присоединенная к одному из олефиновых углеродов. Такая асимметричная природа мономера пропилена, таким образом, создает несколько возможностей для связывания их вместе в полимерные цепи, которые невозможны с симметричным мономером этилена, и дает начало тому, что известно как структурные изомеры и стереохимические изомеры в цепи полипропилена. В структурной изомерии ученые называют олефиновый углерод с метильной группой на нем «головкой» (h), а другой олефиновый углерод — «хвостом» (t) мономера. Наиболее распространенный метод полимеризации использует катализаторы, которые связывают мономеры вместе по принципу «голова к хвосту», хотя иногда происходит «ошибка», и мономеры образуют связи «голова к голове» или связи «хвост к хвосту», но они, как правило, редки. В полипропилене возможна стереохимическая изомерия, поскольку мономеры пропилена могут связываться вместе, так что метильные группы могут располагаться в полимере в том или ином пространственном виде.

Если все метильные группы находятся на одной стороне цепи, они упоминаются как находящиеся в «изотактическом» расположении, а если они находятся на альтернативных сторонах цепи, они упоминаются как находящиеся в «синдиотактическом» расположении. Каждая цепь имеет регулярное и повторяющееся симметричное расположение метильных групп, которые образуют различные типы кристаллов в твердом состоянии. Случайное расположение метильных групп вдоль цепи обеспечивает небольшую симметрию или ее отсутствие, и полимер с таким расположением известен как «атактический» полипропилен. Когда ученые-полимеры обсуждают стереохимические характеристики полипропилена, они обычно обсуждают это с точки зрения «тактичности» или «процентной тактичности» полипропилена, а на рынке термин «полипропилен» обычно используется для обозначения материала с высокой тактичностью, что означает изотактическое расположение. Материалы полипропилена с высокой тактичностью обладают желательными физическими, механическими и термическими свойствами в твердом состоянии. Атактический материал — это мягкий, липкий материал, который в основном используется в герметиках и других областях, где такая мягкость и липкость желательны. Синдиотактический полипропилен — коммерческий материал небольшого объема, намного менее кристаллический, чем изотактический полипропилен, но более твердый и стабильный, чем атактический.