Je leest:

Stroming zet polymeerketens in de goede richting

Stroming zet polymeerketens in de goede richting

Onderzoekers van het Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) hebben details over de kristallisatie van polypropeen vastgesteld. Deze kennis is van belang voor het verbeteren van de materiaaleigenschappen van kunststoffen.

Polypropeen, kortweg PP, is één van de belangrijkste kunststoffen van dit moment en er is veel industriële belangstelling voor optimalisering van de materiaaleigenschappen. Nieuwe kennis van de AMOLF-onderzoekers over de kristallisatie van de PP-ketens kan daar wellicht een belangrijke bijdrage aan leveren. Het tijdschrift Physical Review Letters besteedde onlangs aandacht aan de Amsterdamse onderzoeksresultaten.

Het AMOLF instituut is een onderdeel van de stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en dat is precies wat onderzoekers Liangbin Li en Wim de Jeu deden: fundamenteel onderzoek aan materie, in dit geval de ketens van het polypropeen-polymeer. Ze bestudeerden met behulp van röntgenstralen de kristallisatie van de PP-ketens. Kristallisatie is een van de sleutelprocessen die de eigenschappen van deze en andere kunststoffen bepalen.

Polymeren zijn opgebouwd uit zeer lange molecuulketens, te vergelijken met lange slierten spaghetti. Gesmolten polypropeen is voor te stellen als een wanordelijke, beweeglijke kluwen spaghetti. Bij het afkoelen kunnen deze slierten zich gaan ordenen: er ontstaan dan kristallijne gebiedjes in het afgekoelde, gestolde polypropyleen. Om deze kristallijne gebieden heen is het polymeer in de zogenaamde amorfe toestand, dat wil zeggen niet netjes geordend maar wel in zeker mate ‘verstard’. Beeld: R. Rosner

Populair materiaal

De macroscopische eigenschappen van polypropeen hangen rechtstreeks samen met de verhouding tussen kristallijne en amorfe gebieden. Hoe meer kristallijne gebiedjes, hoe harder het materiaal, bijvoorbeeld. Ook de mate waarin het materiaal bestand is tegen thermische of chemische invloeden is – onder andere – van de structuur afhankelijk.

In het alledaagse leven wordt polypropeen gebruikt in zeer diverse toepassingen, variërend van textiel tot medische implantaten en spoelbakken. Het is een heel populair materiaal, goed voor zo’n twintig procent van de markt voor kunststoffen.

De definitieve eigenschappen van polypropeen komen pas tot stand bij het vormen van de producten uit vloeibare polymeermassa. Deze massa wordt in een vorm (matrijs) geperst (spuitgieten) of via een dun pijpje tot een draad ‘gesponnen’ (extrusie). Tijdens het afkoelen onder de opgelegde stroming kristalliseert het vloeibare materiaal gedeeltelijk.

Kristallisatie kan pas optreden nadat de lange polypropyleenketens zich eerst enigszins strekken en langs elkaar gaan liggen. Dit is een moeilijk en langzaam proces en wie een potje met polymeermassa laat stollen zal daar weinig kristallen in aantreffen.

Stroming versnelt het ordeningsproces aanzienlijk; juist daardoor lukt het op grote schaal producten van polypropyleen te maken. Ondanks het grote commerciële belang en de vele praktische industriële kennis, is het kristalliseren onder invloed van stroming nog nauwelijks begrepen. Men neemt aan dat de lange moleculen zich onder invloed van de stroming enigszins strekken en richten. Helemaal logisch is dat niet; de flexibele ketens hebben uit zichzelf immers de neiging om een wanordelijke kluwen te vormen.

Het experiment

De Amsterdamse onderzoekers werpen een geheel nieuw licht op het ordenen van de moleculen polypropyleen vóór de eigenlijke kristallisatie. Zij verhitten het polypropyleen eerst tussen twee schijfvormige platen tot 210 graden Celcius, ver boven het smeltpunt (ongeveer 170 graden Celcius). Vervolgens koelden ze het geheel snel af tot de gewenste onderzoekstemperatuur. 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.

Een schematische voorstelling van de opstelling. Gesmolten polypropyleen bevindt zich tussen twee schijfvormige platen. Eén van deze platen wordt enkele minuten gedraaid. De onderzoekers keken vervolgens naar het effect van deze stroming op de ordening van polypropyleenmoleculen met behulp van röntgenverstrooiing. Beeld: FOM

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.

Deze figuur geeft een schematische weergave van de ordening van moleculen polypropyleen. Helemaal links is een kluwen moleculen te zien. In de middelste figuur zijn de korte spiraalstructuren te zien die zich onder invloed van stroming gaan ordenen tot de smectisch vloeibaar-kristallijne fase (rechts). Beeld: FOM

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 en een van de grootste PP producenten ter wereld. 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.

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 maart 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.