高分子與軟物質結構

球晶(spherulite)

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當熔融高分子冷卻並開始結晶,它不會做出一個大晶體。相反地,結晶在散布的點上點燃,並從每個點同時向各方向往外生長,於是每顆種子綻放成一個小小的晶體球,不斷膨脹到撞上鄰居為止。這些球——從幾微米到幾毫米大小不等——就是球晶,而熔體結晶的塑膠裡塞滿了它們,像填滿整個空間的一叢霜花泡沫。它們是一般半結晶高分子中最大的結構特徵。

放大單一顆球晶,它不是實心晶體,而是一束薄薄的鏈折疊片晶從中央種子向外輻射,像扇骨、或像蒲公英絨球的輻條,無序的非晶鏈填滿骨與骨之間的楔形縫。片晶向外生長時常彼此同步扭轉,這種週期性扭轉便產生你在某些球晶中看到的同心暗環。因為晶體帶以徑向對稱排列,球晶具有光學雙折射,在正交偏光鏡下每顆都顯出醒目的暗十字——馬爾他十字(Maltese cross)——與偏光軸對齊,這是告訴顯微鏡觀察者樣品為球晶態的經典指紋。

球晶架起奈米片晶與毫米尺度零件之間的橋樑,而它們的尺寸主宰真實性質。大球晶強烈散射可見光,這正是為什麼緩慢冷卻的半結晶塑膠看起來乳白或不透明;大球晶之間薄弱的非晶邊界則是裂縫愛萌生之處,所以粗球晶零件容易脆裂。這也是為什麼加工者要加成核劑:一次播下許多中心,使球晶又小又多,改善透明度與韌性。要注意球晶是由無數片晶組成的多晶聚集體、不是單一晶體——而且令人困惑的是,鏈本身大致沿切向躺著,在生長方向指向徑向外的片晶內折疊。

把一薄片聚丙烯熔化,在顯微鏡熱台上緩慢冷卻,切到正交偏光:數十個明亮的圓盤綻放生長,直到彼此擠住,每個都戴著清晰的暗色馬爾他十字。那就是被當場逮到的球晶。把第二片薄膜快速冷卻、或加入成核劑,球晶就小得多——薄膜也清透與堅韌得多。

球晶是由放射狀鏈折疊片晶組成的球;在正交偏光下顯出馬爾他十字。

球晶是多晶聚集體,不是單晶。也要當心它的幾何:片晶沿徑向生長,但其中的鏈大致沿切向躺著(垂直於生長方向),在每條晶帶上折疊。

又称
spherulitic superstructure球晶球狀晶體聚集體