聚丙烯的取向形态介绍

1.高聚物的取向现象

和通常的线形高分子链一样，当聚丙烯分子链充分伸展时，它的长度为径向宽度的几百、几千甚至几万倍。这种结构上的不对称性，使它们在某些情况下很容易沿着某种特定方向作占优势的平行排列，这种排列称之为取向。由于高分子的分子链有分子链、链段等运动单元，其结晶体中又有晶片、晶带等多种形态结构，在外力作用下高聚物的取向包括分子链、链段、晶片、晶带沿特定方向的择优排列。取向形态与结晶形态都是高分子链的有序化形态，但它们的有序程度不同。取向是在外力作用下分子链按一维或二维方向有序化排列的过程，而结晶则是三维有序化的过程。

未取向的高聚物材料是各向同性的，而取向后则呈现各向异性。依照外力作用方式的不同，高聚物材料的取向结构可分为两类：一类为分子链或链段沿一个方向的优势排列，为单轴取向，如合成纤维的熔融或溶液纺丝，如丙纶丝、尼龙丝、涤纶丝的生产过程；另一类为双向拉伸或双轴取向，多数膜材料的生产过程采用双轴取向过程。双轴取向材料中分子链或链段沿两个方向平行排列，分子链的轴向平行于膜平面。

聚丙烯纤维、打包带、撕裂膜和OPP膜的分子链排列属单轴取向，聚丙烯吹塑筒膜和双向拉伸聚丙烯膜(BOPP)属双轴取向。

2．聚丙烯的取向机理

等规聚丙烯和其他高分子一样有两种运动单元，即大分子本身和链段，因此高聚物的取向应包括分子链取向和链段取向，究竟发生哪一种取向要看材料所处的物理状态和外力作用的大小和程度。处于熔融状态的高聚物从挤出机的机头挤出时，在拉伸、剪切应力作用下，卷曲的分子链逐渐沿流动方向舒展伸直和取向，这时主要发生分子链的取向。处在高弹态或玻璃态的高聚物，在一定应力和一定作用程度下，由于大分子链处于被"冻结"状态，因此主要发生链段取向，分子链取向实际上是通过链段协同运动才能实现。

结晶高聚物和非结晶高聚物的结构不同，取向机理也不同，对于非晶态高聚物，在受到外力作用时主要发生的是链段或分子链取向，取向过程是链段运动过程，必须克服高聚物内部的粘滞阻力，因而完成取向过程需要一定的时间，两种运动单元所受到的阻力大小不同，因而两类取向过程的速度有快慢之分。在外力作用下，将首先发生链段取向，然后才是整条分子链的取向。在高弹态下整条取向。分子链的运动速度很慢，所以一般不发生分子链取向，只发生链段取向。

取向过程是一种分子有序化过程，热运动却使分子趋向无序化，即解取向。在热力学上，无序化过程是自发过程，取向过程则必须借助外力场才能实现，而且即使在外力场作用下解取向过程也依然存在，可见取向状态在热力学上是一种非平衡态，在高弹态下，拉伸可以使链段取向，但一旦外力除去，链段便自发解取向而恢复原状；在粘流态下，外力可以使分子链取向，外力消失后，也要自发解取向。为了维持取向状态获得取向材料，必须在取向后使温度迅速降到玻璃化温度以下，将分子链和链段"冻结"起来。这种"冻结"的热力学非平衡态，只有相对的稳定性，时间长了，特别是温度升高或聚合物被溶剂溶胀时，要发生自发的解取向。取向过程快的，解取向速度也快，发生解取向时，链段解取向将比分子链解取向先发生。高分子种类不同，取向难易程度也不同，一般易于取向的高分子材料，发生解取向也容易。取向的难易程度由材料内分子运动的粘滞力或分子的内旋转位垒决定。极性高分子，分子间作用力大，或存在着氢键，分子运动困难，取向难，解取向也难，无定形态的天然橡胶材料就是一个典型的例子。当受到拉伸应力时，链段和部分分子链伸展、取向，可发生100%-1000％的形变，外力消除后，则立即恢复原状。

结晶聚合物的取向比较复杂，除了非晶区中可能发生链段取向与分子链取向外，还可能发生晶粒取向。一般而言，结晶聚合物的取向实质上是球晶的形变过程。在弹性形变阶段，球晶被拉成椭球形，再继续拉伸到不可逆形变阶段，球晶变成带状结构。在球晶形变过程中，组成球晶的片晶之间发生倾斜，晶面滑移和转动甚至破裂，部分折叠链被拉成伸直链，原有的结构部分或全部破坏，形成由取向的折叠链片晶和在取向方向上贯穿于片晶之间的伸直链所组成的新的结晶结构。这种结构称为微丝结构，见下图(a)所示。在拉伸取向过程中，也可能原有的折叠链片晶部分地转变成分子链沿拉伸方向规则排列的伸直链晶体，见下图(b)所示。

结晶聚合物取向机理

结晶聚合物的取向态比非结晶聚合物的取向态较为稳定，因为这种稳定性是靠取向的晶粒来维持的，在晶格破坏之前，解取向是无法发生的。

拉伸取向的结果是，伸直链段增多，折叠链段减少，缠结链数目增多，从而可以提高聚合物的力学强度和韧性。