Stroming ordent polypropyleen voor snelle kristallistatie
In gesmolten toestand vormen de flexibele ketens van het veelgebruikte plastic polypropyleen korte spiraalstructuren. Door gesmolten polypropyleen aan korte, goed-gedefinieerde stroming te onderwerpen nemen de lengte en de stabiliteit van deze structuren aanzienlijk toe. Bovendien gaan de spiralen parallel aan elkaar staan. Als gevolg hiervan treedt er een faseovergang op, die vele uren stabiel is en die de vorming van kristallen bevordert, zo ontdekten postdoc Liangbin Li en prof.dr. Wim de Jeu van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam. De resultaten van dit onderzoek werpen een nieuw licht op het ordenen van de moleculen polypropyleen voordat zich kristallen vormen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het tijdschrift Physical Review Letters van 20 februari 2004.
Polypropyleen
Polymeren bestaan uit zeer lange moleculen, vergelijkbaar met lange slierten spaghetti. Gesmolten polypropyleen kunnen we ons voorstellen als een wanordelijke kluwen spaghetti. Tijdens afkoelen kunnen deze slierten zich gaan ordenen: er ontstaan kristallijne gebiedjes in het afgekoelde polypropyleen. De uiteindelijke verhouding tussen kristallijn en niet-kristallijn, ofwel amorf, polymeer is van direct belang voor de eigenschappen van het materiaal. Van deze verhouding hangt dan ook de toepassing van polypropyleen af. Hoe meer kristallijne gebiedjes, hoe harder het materiaal.
In het alledaagse leven wordt polypropyleen - dat twintig procent uitmaakt van de markt voor kunststoffen - gebruikt in zeer diverse toepassingen, variërend van textiel tot medische implantaten en spoelbakken. De producten worden gemaakt door het vloeibare polymeer bij hoge temperatuur ofwel in een vorm te persen (spuitgieten) of via een dun pijpje in een draad te spinnen (extrusie), en vervolgens af te koelen. Tijdens het afkoelen onder de opgelegde stroming kristalliseert het vloeibare materiaal gedeeltelijk.
Kristallisatie
Voordat kristallisatie optreedt, moeten de lange polypropyleenketens zich eerst enigszins strekken en langs elkaar gaan liggen. Dit is een moeilijk en langzaam proces, en kristalliseren gaat normaal gesproken dan ook zeer traag. Stroming versnelt het ordeningsproces aanzienlijk; anders zou men nauwelijks op grote schaal producten van polypropyleen kunnen maken. Ondanks het grote commerciële belang en de vele praktische industriële kennis, is het kristalliseren onder invloed van stroming nog nauwelijks begrepen. Veelal neemt men aan dat de lange moleculen zich enigszins strekken en richten in stroming. De neiging van de flexibele ketens om een wanordelijke kluwen te vormen, gaat hier echter tegenin.
Het experiment
De Amsterdamse onderzoekers werpen een geheel nieuw licht op het ordenen van de moleculen polypropyleen voordat zich kristallen vormen. Zij verhitten het polypropyleen eerst tussen twee schijfvormige platen tot 210 graden Celcius, ver boven het smeltpunt van ongeveer 170 graden Celcius. Vervolgens koelden ze het geheel snel af tot de gewenste onderzoekstemperatuur. Deze temperaturen lagen zowel boven als onder het smeltpunt van polypropyleen. De onderzoekers onderwierpen het nog vloeibare polypropyleen enkele minuten aan stroming door één van de twee platen te draaien. Zo konden ze zeer precies de mate van stroming bepalen. Met behulp van röntgenverstrooiing keken de wetenschappers naar de resulterende ordening van de polypropyleenmoleculen.
Resultaten
Het was al bekend dat de flexibele ketens, als ze eenmaal gekristalliseerd zijn, een spiraalstructuur (helix) vormen. Ook in de gesmolten toestand is deze tendens aanwezig en vormen de moleculen zeer korte helices. Verrassend genoeg vonden de Amsterdammers dat door het opleggen van een korte stroming zowel de lengte als de stabiliteit van de lokale helices aanzienlijk toeneemt, terwijl ze tegelijkertijd parallel aan elkaar gaan staan. Als gevolg daarvan treedt een overgang op naar een smectische vloeibaar-kristallijne fase, waarin de helices in één richting parallel gaan staan en bovendien een regelmatige lagenstructuur vormen. Na afloop van de opgelegde stroming kan deze situatie bij 180 graden Celsius bijna een etmaal stabiel blijven. Bij hogere temperaturen neemt de stabiliteit af totdat boven 220 graden Celcius de tijd te kort is om de lagenstructuur nog waar te nemen. Bij temperaturen onder het smeltpunt van polypropyleen vinden de onderzoekers dat de smectische ordening de vorming van kristallen sterk bevordert.
Alhoewel de resultaten van het onderzoek (nog) niet direct tot verbeteringen leidt bij de verwerking van polypropyleen, is voor het eerst meer inzicht verkregen in de moleculaire organisatie van de ketens onder invloed van stroming. Het onderzoek wordt voortgezet gefinancierd door het Dutch Polymer Institute (Eindhoven) met steun van SABIC-Europe, voorheen een onderdeel van DSM. Daarbij gaan de onderzoekers vooral kijken naar de invloed op het ordeningsproces van de moleculaire eigenschappen (zoals de lengte van de ketens) van verschillende soorten polypropyleen.
Voor de redactie:
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr.ir. Wim de Jeu, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica AMOLF in Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34.