聚合物在不同維度受限體系下的熔融和結(jié)晶性能應(yīng)用研究

摘 要：研究表明，在受限環(huán)境下的聚合物薄膜物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化，與不添加修飾的聚合物薄膜相比往往會(huì)呈現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異，對(duì)聚合物薄膜在受限環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變換原理進(jìn)行微觀意義上的分析和研究對(duì)我國(guó)的材料科學(xué)創(chuàng)新和發(fā)展具有非常積極的推動(dòng)意義，為此，本文以聚羥基丁酸酯為例對(duì)其在不同受限環(huán)境下的熔融和結(jié)晶的溫度變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并且得出了在不同約束下的從微觀分子結(jié)構(gòu)角度出發(fā)的聚合物薄膜性狀變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：蒸涂修飾;聚合物薄膜;熔融重結(jié)晶;受限環(huán)境

1 聚合物薄膜熔融結(jié)晶研究分析

聚合物材料是一種有機(jī)高分子材料，在不同的外界條件下聚合物薄膜的結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生明顯的變化，對(duì)材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及其他物理性能方面產(chǎn)生較大差異，這是由于聚合物中的高分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，形成了具有不同性質(zhì)的分子鏈，使得聚合物在宏觀上的物理特性發(fā)生了變化。在材料科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中對(duì)于聚合物不同相體系的研究是十分重要的一個(gè)研究領(lǐng)域，基于聚合物的不同相體系進(jìn)行的研究能夠推動(dòng)新材料的發(fā)展，為我國(guó)科技水平和人民生活質(zhì)量的提升帶來(lái)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為此，充分利用聚合物薄膜作為軟物質(zhì)而具有的自組裝特性，從不同的尺度和方法出發(fā)對(duì)聚合物分子結(jié)構(gòu)上的變化進(jìn)行分析，能夠?qū)ζ湎囿w系的變化對(duì)聚合物宏觀特性的影響規(guī)律進(jìn)行研究和摸索，進(jìn)而解釋聚合物固相結(jié)構(gòu)的形成、發(fā)展、演變和終結(jié)全過(guò)程的一些物理行為，分子水平上解釋聚合物結(jié)晶凝聚過(guò)程的一些基本物理問(wèn)題，在進(jìn)一步完善和發(fā)展高聚物結(jié)晶機(jī)理的基礎(chǔ)上，在這樣的理論基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聚合物不同晶相和形態(tài)結(jié)構(gòu)的有目的調(diào)控。

在聚合物高分子體系當(dāng)中，通過(guò)對(duì)聚合物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改造，由于受限環(huán)境之下能夠?qū)崿F(xiàn)其相體系的變化，進(jìn)而發(fā)生分子取向的改變，通過(guò)對(duì)聚合物體系構(gòu)建不同的受限環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聚合物不同結(jié)構(gòu)和特性的探索，并且隨著不同受限環(huán)境性狀的變化，聚合物的性質(zhì)還能夠產(chǎn)生出與本體自組裝時(shí)難以實(shí)現(xiàn)的高分子結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而產(chǎn)生新的材料性能。根據(jù)不同聚合物的受限狀況，在實(shí)際的聚合物受限環(huán)境下的熔融和結(jié)晶過(guò)程研究當(dāng)中，將其受限環(huán)境分為了三種，分別為一維受限環(huán)境、二維受限環(huán)境和三維受限環(huán)境，受限環(huán)境主要是通過(guò)基體對(duì)聚合物的性狀進(jìn)行約束，在具體的實(shí)踐過(guò)程中通過(guò)將聚合物基體的表面暴露于不同的環(huán)境對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，是聚合物自組裝研究領(lǐng)域較為原始的研究方法。對(duì)于二維聚合物受限體系的研究則是通過(guò)兩個(gè)方向?qū)酆衔锏慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行滾約束，例如在實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中通過(guò)圓柱孔對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效約束，最終聚合物的結(jié)構(gòu)和性狀與圓柱孔的孔徑大小和結(jié)構(gòu)有著十分密切的聯(lián)系，不同的材料在圓柱孔中的相體系變化也不同，與本體自組裝相比產(chǎn)生了不同的相體系特性，聚合物的結(jié)構(gòu)體系得到了明顯優(yōu)化。而三維受限環(huán)境中的自組裝則是通過(guò)納米球等三維的約束體系對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，隨著球壁結(jié)構(gòu)的變化以及其不同的球壁分子特性不同，高分子聚合物的性質(zhì)也呈現(xiàn)出不同的相體系行為。

2 聚合物在不同維度受限體系下的熔融和結(jié)晶性能應(yīng)用

2.1 聚合物薄膜的受限熔融結(jié)晶

在受限條件下，由于凝聚過(guò)程中聚合物的分子鏈?zhǔn)艿较拗?，往往形成一些特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生異乎尋常的物理和力學(xué)性能。實(shí)際上，有很多研究聚合物形態(tài)結(jié)構(gòu)方面的工作都與受限環(huán)境有關(guān)聯(lián)。另外，從某種意義上講，許多聚合物多相體系所表現(xiàn)出的特殊晶體和形態(tài)結(jié)構(gòu)也屬聚合物受限結(jié)晶的范疇。目前，有意識(shí)地研究聚合物受限環(huán)境中的凝聚過(guò)程及其凝聚相結(jié)構(gòu)的工作主要是對(duì)嵌段共聚物和一些聚合物雜化混合體系中可結(jié)晶聚合物的凝聚行為與終態(tài)結(jié)構(gòu)，在這些體系中，由于非晶聚合物鏈或雜化形成的框架結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶聚合物鏈段的牽制作用，致使結(jié)晶聚合物的凝聚過(guò)程受到影響，從而形成不同于熔體結(jié)晶所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)。

2.2 一維受限環(huán)境下的聚合物薄膜熔融結(jié)晶性能探究

一維受限環(huán)境的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)對(duì)聚合物薄膜進(jìn)行基板設(shè)計(jì)而完成的，在具體的操作當(dāng)中，通過(guò)制備結(jié)晶聚合物聚羥基丁酸酯的薄膜能夠探究在一維受限環(huán)境下完成的聚合物薄膜厚度不同對(duì)其結(jié)晶和熔融性能產(chǎn)生的影響。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)對(duì)有機(jī)高分子薄膜的不同厚度的退火結(jié)晶樣品進(jìn)行研究和分析能夠初步得出高分子聚合物薄膜的厚度和其結(jié)晶溫度之間的關(guān)系，并且與沒(méi)有添加受限條件的聚合物薄膜熔融溫度和結(jié)晶溫度進(jìn)行比較，最后得出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)電鏡方法的測(cè)試結(jié)果對(duì)材料的結(jié)晶點(diǎn)變化進(jìn)行分析能夠看出，厚度越小的有機(jī)高分子薄膜結(jié)晶溫度呈現(xiàn)出逐步降低的變化規(guī)律，從微觀角度分析，由于薄膜厚度的減小會(huì)導(dǎo)致聚合物分子的運(yùn)動(dòng)靈活性下降，所以進(jìn)行結(jié)晶所需要的能量也增大，導(dǎo)致其結(jié)晶溫度與沒(méi)有添加受限條件時(shí)相比有所降低。此外，對(duì)其熔融溫度的變化進(jìn)行分析，通過(guò)研究可以看出有機(jī)高分子薄膜的厚度逐步上升，其熔融溫度會(huì)出現(xiàn)較為快速的上升，這也在數(shù)據(jù)層面證明了有機(jī)高分子薄膜在一維受限的環(huán)境下存在著臨界受限的厚度這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從分子微觀角度進(jìn)行分析可以得出，由于不同種類的聚合物具有不同的分子量，所以基板對(duì)于聚合物高分子材料薄膜的約束性與其分子結(jié)構(gòu)具有直接的關(guān)系，往往其約束限度在受限聚合物分子大小的四倍到六倍之間。

2.3 三維受限環(huán)境下的聚合物薄膜熔融結(jié)晶性能探究

在三維受限環(huán)境下，聚合物薄膜的受限環(huán)境界面性質(zhì)以及不同的尺寸會(huì)對(duì)聚合物的凝聚結(jié)晶和相體系的變化產(chǎn)生直接的影響，通過(guò)對(duì)PHB在不同三維受限環(huán)境中的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究等得到了相關(guān)的研究結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用PHB材料制備聚合物薄膜，以碳納米球作為聚合物薄膜的外殼結(jié)構(gòu)材料，通過(guò)采用二氯二硫?qū)酆衔锖屯饨绲募{米球結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)結(jié)。根據(jù)不同的結(jié)晶溫度能夠?qū)⒕酆衔锉∧さ氖芟蕲h(huán)境分為軟受限環(huán)境和硬受限環(huán)境兩種，不同的受限環(huán)境會(huì)給聚合物薄膜的結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)不同的影響，在硬受限環(huán)境當(dāng)中材料的結(jié)晶溫度比原來(lái)的溫度有所降低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明降低了50℃。從微觀角度分析，由于在交聯(lián)的過(guò)程中硬的受限環(huán)境使得聚合物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分散程度被提升，所以材料融合的難度被加大，并且得出了在高分子聚合物相體系當(dāng)中的實(shí)際成核的具體過(guò)程對(duì)于材料結(jié)晶具有直接的顯著影響，而在實(shí)踐當(dāng)中往往只能通過(guò)提升實(shí)驗(yàn)中的材料過(guò)冷度實(shí)現(xiàn)成核速率的優(yōu)化。此外，在研究中還發(fā)現(xiàn)在三維硬受限環(huán)境之下的熔融溫度也隨著結(jié)晶溫度的降低而降低了，這在一定程度上表明硬受限環(huán)境之下聚合物形成的晶體結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步完善，硬受限結(jié)構(gòu)對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)和厚度約束能力太強(qiáng)導(dǎo)致其晶體的厚度較小，而設(shè)計(jì)軟受限環(huán)境重復(fù)實(shí)驗(yàn)，材料的熔融溫度與材料的本體差距較小，基本能夠達(dá)到本體的最高熔融溫度。最后通過(guò)電鏡研究材料在三維受限環(huán)境下的微觀分子結(jié)構(gòu)變化能夠發(fā)現(xiàn)，在碳納米球中的聚合物高分子是通過(guò)堆積的方式進(jìn)行排布的，并且不同的聚合物結(jié)構(gòu)層的產(chǎn)生具有不同的先后順序，呈現(xiàn)一個(gè)完整的連續(xù)變化過(guò)程，而對(duì)于每一個(gè)單位聚合物高分子來(lái)講，成核的過(guò)程僅發(fā)生一次。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)真空蒸鍍的方式為有機(jī)聚合物薄膜添加修飾進(jìn)而形成了一維和三維的受限環(huán)境下的有機(jī)物分子相體系，并且在相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的支持下對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的變化和宏觀物理性質(zhì)的改變進(jìn)行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和原理的分析，對(duì)于更有針對(duì)性的調(diào)節(jié)聚合物分子結(jié)構(gòu)在宏觀上的變化具有一定的理論研究意義和研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

王靜（1986- ），碩士研究生，講師，贛南衛(wèi)生健康職業(yè)學(xué)院教師。

本文研究結(jié)果來(lái)自于江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目--蒸涂修飾聚合物薄膜熔融與結(jié)晶的研究，項(xiàng)目編號(hào)：171435。