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從熔融到結晶：聚合物在冷卻過程中發生了什麼？
聚合物的結晶過程涉及到其分子鏈部分對齊，這些鏈交疊並形成有序區域，稱為「層狀晶體」，這些層狀晶體組成較大球狀結構，稱為「球晶」。聚合物在冷卻過程中會從熔融狀態結晶，這一過程會影響其光學、機械、熱和化學性質。根據不同的分析方法，聚合物的結晶度通常範圍在10%到80%之間，結晶聚合物通常稱為「半結晶」。
半結晶聚合物的性質不僅依賴於結晶度，也與分子鏈的大小和排列有關。
結晶機制
從熔融狀態固化
聚合物由長分子鏈組成，這些鏈在熔融狀態下形成不規則的交纏。在冷卻過程中，一些聚合物保持這種無序結構，轉變為非晶固體，而另一些則在冷卻時鏈進行重排，形成部分有序區域。儘管聚合物鏈的平行排列是能量上有利的選擇，但由於交纏的影響，這種排列常常受到妨礙。
在有序區域內，聚合物鏈不僅對齊，而且折疊，形成半結晶區域。
成核
成核過程從小規模的納米級區域開始，這些區域是由熱運動引起的部分鏈段平行排列形成的。這些種子能夠增長，直到達到一定的臨界體積才能穩定存在。雜質、染料、增塑劑和其他添加劑會強烈影響成核過程，這被稱為異質成核。
從熔融狀態的晶體增長
晶體增長是在低於熔融溫度Tm且高於玻璃轉變溫度Tg的情況下實現的。如果溫度過高，則會破壞分子排列，而低於玻璃轉變溫度時，分子鏈的運動被凍結。然而，次級結晶甚至可以在Tg以下進行，這一過程會隨著時間影響聚合物的機械性能。
拉伸結晶
在擠出製造纖維和薄膜的過程中，聚合物被強制通過噴嘴，產生的拉伸應力會部分排列其分子。這種排列可以被視為一種結晶，並且對物料特性有著重要影響。例如，纖維的強度在縱向上顯著增加。
從溶液結晶
聚合物還可以從溶液中結晶或在溶劑蒸發過程中結晶。這個過程受到稀釋程度的影響，在稀溶液中，分子鏈之間沒有聯繫，存在作為獨立的聚合物卷。在濃度增加時，分子鏈之間的相互作用能引發結晶，這是在從熔融狀態中結晶的過程中發生的，通常能得到更高的結晶度。
受限結晶
當聚合物鏈在幾十納米的空間中結晶時，成核和增長過程可能會受到顯著影響。當聚合物在超薄層中結晶時，層狀晶體的均勻組織會受到限制，可能會出現獨特的晶體取向，使得聚合物表現出各向異性的性能。
結晶程度的影響
聚合物的結晶度通常通過不同的分析方法進行測定，包括密度測量、差示掃描量熱法（DSC）、X射線衍射（XRD）和紅外光譜（IR）。一般來說，結晶領域相對於非晶領域的結構更為緊密，使得其密度增高。
影響結晶度評估的因素包括抽樣、測量方法和材料的實際狀況。
半結晶聚合物的性質
熱學和機械性能
在玻璃轉變溫度以下，非晶聚合物通常硬而脆。隨著溫度的上升，分子運動增強，使聚合物展現出典型的橡膠彈性特性。半結晶聚合物的剛性和熱穩定性隨著結晶度的提高而增強，但同時也使材料的脆性提高。
光學性質
結晶聚合物由於分子之間的邊界多，通常呈現不透明，這會影響其染色性能。結晶高的聚合物比非晶聚合物更難染色，因為染料分子在非晶區域中的穿透性更好。
聚合物的結晶過程影響著材料的許多基本性質，從光學到機械性能，其複雜的行為讓科學家們不斷探索這些材料的潛力及應用。那么，未來的聚合物技術將如何改變我們的生活和產業？
