A new software for a high-pressure dilatometer and its use for the analysis of pressure effect on polybutene-1 crystalline phases

In this thesis work, a confining fluid PVT dilatometer by GNOMIX INC. was first updated and then used. The data acquisition system was modified, to replace the previous one that was outdated. A new software to control the apparatus was developed using LabVIEW. To evaluate the reliability of the new setup, dilatometric tests on isotactic polypropylene were carried out and results were then compared with data from literature. Once the well-functioning of the dilatometer was assessed, the apparatus was used to analyse samples of polybutene-1. Starting from a description of dilatometric techniques and their applications in polymer characterization, this work develops a characterization of polybutene-1 and investigates how its crystalline structure is influenced by pressure applied during melt crystallization. Due to its physical and mechanical properties, isotactic polybutene-1 can be used in many engineering applications. However, it usually crystallizes into kinetically favoured form II and then transforms to thermodynamically stable form I slowly, a process that commonly requires from 10 to 30 days. Because of this phase transition, processing and application of polybutene-1 is affected seriously. In this thesis work a dilatometric characterization of the main polymorphs of a commercial PB-1 was carried out. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was also used, in order to further characterize the samples. The presence of different polymorphs as a function of crystallization pressure was demonstrated using dilatometric data, suggesting what parameters might be more suitable for polymer processing to reduce the drawbacks that limit the use of polybutene-1. A thorough investigation on the pressure dependency of melting point of the three main crystalline form (I, II and I’) was performed. It was also shown how crystallization above a certain temperature might cause a change in crystal morphology from spherulitic to quadratic, platelike single crystals, creating a steplike increase in crystallinity.

In questo lavoro di tesi è stato utilizzato un dilatometro PVT a fluido confinante prodotto dalla GNOMIX INC. Il sistema di acquisizione dei dati è stato modificato, per sostituire quello precedente che era ormai obsoleto ed è stato sviluppato un nuovo software per controllare l'apparato utilizzando LabVIEW. Per valutare l'affidabilità della nuova configurazione della macchina, e in generale, del lavoro svolto, sono stati effettuati test di dilatometria su campioni di polipropilene isotattico ed i risultati sono stati poi confrontati con i dati presenti in letteratura. Una volta stabilito il corretto funzionamento del dilatometro, l'apparecchiatura è stata utilizzata per analizzare campioni di polibutene-1 (polibutilene). Nella prima parte di questo elaborato vengono descritte le principali tecniche di analisi dilatometrica e le loro applicazioni nella caratterizzazione dei polimeri. Dopodiché l’attenzione si sposta sulla caratterizzazione del polibutilene e si indaga in che modo la sua struttura cristallina sia influenzata dalla pressione applicata durante il raffreddamento dal polimero fuso. Grazie alle sue proprietà fisiche e meccaniche, il polibutilene isotattico può essere utilizzato in molte applicazioni ingegneristiche. Tuttavia, in condizioni standard, PB-1 cristallizza nella forma II, poiché cineticamente favorita, e poi si trasforma gradualmente nella forma I che è termodinamicamente stabile, con un processo che può richiedere tra i 10 e i 30 giorni. A causa di questa transizione di fase, il processing del polibutilene è complicato. In questo lavoro di tesi è stata ottenuta una caratterizzazione dilatometrica dei principali polimorfi di un campione di polibutilene. È stata utilizzata anche la calorimetria differenziale a scansione (DSC), al fine di caratterizzare ulteriormente i campioni. La presenza dei diversi polimorfi in funzione della pressione di cristallizzazione è stata descritta utilizzando esperimenti dilatometrici. Grazie a questi dati i parametri di processo del polimero potrebbero essere adattati in modo da ridurre gli inconvenienti che ne limitano l'uso. È stata eseguita un'indagine approfondita sulla dipendenza dalla pressione delle temperature di fusione, per le tre forme cristalline principali (I, II e I'). Nel lavoro è stato inoltre ipotizzato che vi sia un valore soglia di temperatura di cristallizzazione, al di sopra del quale si osserva un cambiamento nella morfologia dei cristalli, che passano da sferuliti a quadrati, provocando un aumento misurabile della cristallinità.