पॉलीमर क्रिस्टलीयता और मॉर्फोलॉजी

नियमित श्रृंखलाओं वाले पॉलीमर आंशिक रूप से क्रिस्टलीकृत हो सकते हैं, जो पतली लैमेली (lamellae) में मुड़कर स्फेरुलाइट्स (spherulites) में व्यवस्थित होते हैं, इसलिए अर्ध-क्रिस्टलीय पॉलीमर दो-चरण वाले ठोस होते हैं जिनकी क्रिस्टलीय भिन्नता और मॉर्फोलॉजी कठोरता, अवरोधक गुणों और पारदर्शिता को नियंत्रित करती है।

Definition

पॉलीमर क्रिस्टलीयता एक पॉलीमर का वह अंश है जिसमें श्रृंखलाएं नियमित, व्यवस्थित सरणियों में पैक होती हैं, और पॉलीमर मॉर्फोलॉजी इन क्रिस्टलीय क्षेत्रों का स्थानिक संगठन है - मुख्य रूप से श्रृंखला-मुड़ी हुई लैमेली और स्फेरुलाइट्स - जो अनाकार सामग्री के साथ सह-अस्तित्व में होते हैं।

Scope

यह विषय बताता है कि पॉलीमर क्यों और कैसे क्रिस्टलीकृत होते हैं: श्रृंखला की नियमितता और टैक्टिसिटी (tacticity) पूर्व-आवश्यकताओं के रूप में, श्रृंखला-मुड़ी हुई लैमेलर क्रिस्टल, लैमेली से स्फेरुलाइट्स तक पदानुक्रमित मॉर्फोलॉजी, क्रिस्टलीयता की डिग्री और उसका मापन, गलनांक व्यवहार और लैमेलर मोटाई पर उसकी निर्भरता, और न्यूक्लिएशन (nucleation) और वृद्धि सहित क्रिस्टलीकरण की गतिशीलता।

Core questions

• कौन सी आणविक विशेषताएं एक पॉलीमर को क्रिस्टलीकृत होने देती हैं?
• श्रृंखलाएं लैमेली और स्फेरुलाइट्स में कैसे व्यवस्थित होती हैं?
• क्रिस्टलीयता की डिग्री को कैसे मापा जाता है और यह कभी 100 प्रतिशत तक क्यों नहीं पहुंचती है?
• क्रिस्टलीकरण की स्थितियां मॉर्फोलॉजी और गुणों को कैसे नियंत्रित करती हैं?

Key theories

श्रृंखला-मुड़ी हुई लैमेलर क्रिस्टलीकरण

लंबी श्रृंखलाएं पूरी तरह से फैलने के बजाय लगभग दस नैनोमीटर मोटी पतली लैमेली में आगे-पीछे मुड़कर क्रिस्टलीकृत होती हैं, इसलिए एक एकल श्रृंखला क्रिस्टलीय और अनाकार दोनों क्षेत्रों से होकर गुजरती है, जो पॉलीमर क्रिस्टल की आंशिक, दो-चरण प्रकृति के लिए जिम्मेदार है।

न्यूक्लिएशन और वृद्धि की गतिशीलता

क्रिस्टलीकरण न्यूक्लिएशन के बाद स्फेरुलाइट्स में लैमेली की रेडियल वृद्धि से आगे बढ़ता है, जिसकी समग्र दर ग्लास संक्रमण और गलनांक के बीच चरम पर होती है और इसे आमतौर पर सिग्मॉइडल अवरामी संबंध द्वारा वर्णित किया जाता है।

Mechanisms

केवल पर्याप्त नियमित श्रृंखलाएं ही पैक हो सकती हैं - रैखिक, स्टीरियोरेगुलर (stereoregular), या अन्यथा सममित - क्रिस्टलीकृत हो सकती हैं; एटैक्टिक (atactic) या अत्यधिक शाखित श्रृंखलाएं अनाकार रहती हैं। पिघलने से ठंडा होने पर, खंड श्रृंखला-मुड़ी हुई लैमेली में व्यवस्थित होते हैं जो नाभिक से बाहर की ओर बढ़ते हैं, अनाकार क्षेत्रों और टाई अणुओं द्वारा अलग किए गए गोलाकार, द्वि-अपवर्तक स्फेरुलाइट्स में फैलते हैं। क्योंकि उलझाव और श्रृंखला के सिरे पूर्ण क्रम को रोकते हैं, क्रिस्टलीयता हमेशा आंशिक होती है। लैमेलर मोटाई, और इसलिए गलनांक, क्रिस्टलीकरण तापमान के साथ बढ़ता है, और तेजी से बुझाना क्रिस्टलीकरण को दबा सकता है ताकि एक अनाकार ग्लास फंस जाए।

Clinical relevance

क्रिस्टलीयता प्रमुख कमोडिटी पॉलीमर के प्रदर्शन को नियंत्रित करती है: उच्च क्रिस्टलीयता उच्च-घनत्व पॉलीथीन और आइसोटैक्टिक पॉलीप्रोपाइलीन को कठोर, मजबूत और अच्छे नमी अवरोधक बनाती है, जबकि कम क्रिस्टलीयता नरम, स्पष्ट सामग्री उत्पन्न करती है। शीतलन दर, न्यूक्लिएटिंग एजेंटों और अभिविन्यास के माध्यम से क्रिस्टलीकरण को नियंत्रित करना लक्षित शक्ति और स्पष्टता के साथ फाइबर, फिल्म और बोतलें बनाने के लिए केंद्रीय है।

History

केलर और अन्य द्वारा 1957 में तनु घोल से उगाए गए एकल-क्रिस्टल लैमेली की सूचना दी गई थी, जिसमें श्रृंखला-फोल्डिंग का खुलासा हुआ जिसने पॉलीमर क्रिस्टल संरचना पर लंबे समय से चली आ रही बहस को सुलझाया; हॉफमैन और सहयोगियों द्वारा बाद के काम ने लैमेलर वृद्धि के गतिज सिद्धांत को विकसित किया जो पॉलीमर क्रिस्टलीकरण की आधुनिक समझ को रेखांकित करता है।

Key figures

• Andrew Keller
• Paul Flory
• John Hoffman

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

एक पॉलीमर कभी पूरी तरह से क्रिस्टलीय क्यों नहीं होता है?

श्रृंखला के उलझाव, श्रृंखला के सिरे और अनियमितताएं प्रत्येक खंड को क्रिस्टल में पैक होने से रोकते हैं। एक एकल श्रृंखला आमतौर पर कई लैमेली और उनके बीच के अनाकार क्षेत्रों से होकर गुजरती है, इसलिए पॉलीमर पूरी तरह से क्रिस्टलीय होने के बजाय अर्ध-क्रिस्टलीय होते हैं।

एक पॉलीमर को क्रिस्टलीकृत करने वाला क्या है जबकि दूसरा अनाकार रहता है?

श्रृंखला की नियमितता। रैखिक, स्टीरियोरेगुलर श्रृंखलाएं जैसे उच्च-घनत्व पॉलीथीन और आइसोटैक्टिक पॉलीप्रोपाइलीन आसानी से पैक होती हैं और क्रिस्टलीकृत होती हैं, जबकि एटैक्टिक या भारी, अनियमित श्रृंखलाएं जैसे एटैक्टिक पॉलीस्टाइनिन पैक नहीं हो सकती हैं और अनाकार रहती हैं।