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从熔融到结晶：聚合物在冷却过程中发生了什么？
聚合物的结晶过程涉及到其分子链部分对齐，这些链交叠并形成有序区域，称为「层状晶体」，这些层状晶体组成较大球状结构，称为「球晶」。聚合物在冷却过程中会从熔融状态结晶，这一过程会影响其光学、机械、热和化学性质。根据不同的分析方法，聚合物的结晶度通常范围在10%到80%之间，结晶聚合物通常称为「半结晶」。
半结晶聚合物的性质不仅依赖于结晶度，也与分子链的大小和排列有关。
结晶机制
从熔融状态固化
聚合物由长分子链组成，这些链在熔融状态下形成不规则的交缠。在冷却过程中，一些聚合物保持这种无序结构，转变为非晶固体，而另一些则在冷却时链进行重排，形成部分有序区域。尽管聚合物链的平行排列是能量上有利的选择，但由于交缠的影响，这种排列常常受到妨碍。
在有序区域内，聚合物链不仅对齐，而且折叠，形成半结晶区域。
成核
成核过程从小规模的纳米级区域开始，这些区域是由热运动引起的部分链段平行排列形成的。这些种子能够增长，直到达到一定的临界体积才能稳定存在。杂质、染料、增塑剂和其他添加剂会强烈影响成核过程，这被称为异质成核。
从熔融状态的晶体增长
晶体增长是在低于熔融温度Tm且高于玻璃转变温度Tg的情况下实现的。如果温度过高，则会破坏分子排列，而低于玻璃转变温度时，分子链的运动被冻结。然而，次级结晶甚至可以在Tg以下进行，这一过程会随着时间影响聚合物的机械性能。
拉伸结晶
在挤出制造纤维和薄膜的过程中，聚合物被强制通过喷嘴，产生的拉伸应力会部分排列其分子。这种排列可以被视为一种结晶，并且对物料特性有着重要影响。例如，纤维的强度在纵向上显著增加。
从溶液结晶
聚合物还可以从溶液中结晶或在溶剂蒸发过程中结晶。这个过程受到稀释程度的影响，在稀溶液中，分子链之间没有联系，存在作为独立的聚合物卷。在浓度增加时，分子链之间的相互作用能引发结晶，这是在从熔融状态中结晶的过程中发生的，通常能得到更高的结晶度。
受限结晶
当聚合物链在几十纳米的空间中结晶时，成核和增长过程可能会受到显著影响。当聚合物在超薄层中结晶时，层状晶体的均匀组织会受到限制，可能会出现独特的晶体取向，使得聚合物表现出各向异性的性能。
结晶程度的影响
聚合物的结晶度通常通过不同的分析方法进行测定，包括密度测量、差示扫描量热法（DSC）、X射线衍射（XRD）和红外光谱（IR）。一般来说，结晶领域相对于非晶领域的结构更为紧密，使得其密度增高。
影响结晶度评估的因素包括抽样、测量方法和材料的实际状况。
半结晶聚合物的性质
热学和机械性能
在玻璃转变温度以下，非晶聚合物通常硬而脆。随着温度的上升，分子运动增强，使聚合物展现出典型的橡胶弹性特性。半结晶聚合物的刚性和热稳定性随着结晶度的提高而增强，但同时也使材料的脆性提高。
光学性质
结晶聚合物由于分子之间的边界多，通常呈现不透明，这会影响其染色性能。结晶高的聚合物比非晶聚合物更难染色，因为染料分子在非晶区域中的穿透性更好。
聚合物的结晶过程影响着材料的许多基本性质，从光学到机械性能，其复杂的行为让科学家们不断探索这些材料的潜力及应用。那么，未来的聚合物技术将如何改变我们的生活和产业？
