先进固体NMR技术研究高分子结构与动力学

随着固体NMR理论和谱仪硬件技术的不断发展,近年来固体NMR技术在高分子多尺度结构与动力学研究领域中正发挥着越来越重要的作用. 多脉冲及高速魔角旋转（MAS）等质子高分辨技术的发展使得高灵敏度的¹H谱可有效地用于高分子化学结构与链间相互作用的检测;基于化学键（J-耦合）相关和通过空间（偶极耦合）相互作用的各种二维异核相关谱NMR新技术,使得复杂高分子的链结构得以严格解析. 基于MAS下同核和异核偶极-偶极相互作用、化学位移各向异性等各向异性相互作用重聚的系列新技术,使得研究者可在采用高分辨¹H或¹³C 检测信号的同时检测准静态下的各向异性相互作用,进而获得与之密切相关的结构和动力学信息. 通过质子偶极滤波技术可有效检测多相聚合物中的界面相与相区尺寸、高分子共混物中的相容性等问题. 在动力学的研究中,通过质子间自旋扩散的有效压制技术和化学位移各向异性的重聚,目前已经可以有效地获取链段上单个化学键的快速局域运动以及链段的超慢分子运动. 上述丰富的多尺度NMR技术可以使研究者在不同空间和时间尺度上对高分子聚合物的微观结构、相分离和动力学行为等进行详细的研究,进而阐明高分子微观结构与宏观性能的关联. 该文以固体NMR中最主要的2类核（¹H和¹³C）的检测技术为主线,简单介绍近年来固体NMR领域的一些最新研究进展及其在高分子结构和动力学研究中的应用.     

受限高分子链穿越纳米管道的计算机模拟

采用计算机模拟研究了受限空间的高分子链穿越纳米管道的行为. 研究结果表明,对于不同的管道-高分子链相互作用的管道,高分子链成功穿越管道所需的平均时间随着链长或管道长度的增加线性增大. 然而,管道-高分子链之间较强的排斥和吸附作用会分别增加高分子链单元进入或离开管道的难度,因此高分子链的平均穿越时间随着管道-高分子链相互作用的增大非单调变化. 同时进一步研究高分子链在穿越纳米管道时的动力学过程,分析了管道-高分子链相互作用对高分子链穿越的影响.     

低场固体NMR研究纳米复合凝胶结构与动力学

纳米复合水凝胶复杂的微观结构和动力学决定了其宏观性能,阐明其结构和动力学的非均匀性对揭示凝胶相变机理、认识其宏观物理和化学性质和设计新型高分子凝胶都具有重要意义.通过合成不同粘土含量的系列聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)/锂藻土纳米复合水凝胶,运用多种先进的低场固体NMR技术详细研究了凝胶微观结构和动力学的非均匀性.首先建立了分析多组分凝胶体系中刚性和柔性高分子组分相对含量的计算方法,然后在不同粘土含量下,通过测量凝胶FID信号和质子T1定量研究了凝胶中刚性和柔性高分子组分的相对含量;通过偶极滤波双量子NMR实验,研究了体系中与交联密度关联的残余偶极作用参数随黏土含量的变化.结果表明:在纳米复合水凝胶中,随着粘土含量的增加,凝胶中聚合物的刚性相增加,而柔性相下降,当粘土含量达到12%(Wclay/Wwater)时体系中的刚性相含量趋于平衡.多量子实验结果表明,随着粘土含量的增加,纳米复合水凝胶中高分子链的残余偶极作用参数逐渐增大,反映了体系中高分子链的受限运动和二维无机纳米片层形成的物理交联密度增大的趋势.     

高分子化学位移的量化计算与固体NMR实验研究

该文以2种不同立构聚丙烯（iPP和sPP）为讨论对象,首先研究了量化计算方法在预测高分子¹³C 各向同性和各向异性化学位移（CSA）中的应用,然后讨论了近年来发展的测定¹³C CSA粉末线形的2种重要固体NMR实验技术（SUPER和RAI）的特点和实验优化问题. 最后,利用可获得接近无扭曲线形的SUPER技术测定了等规立构聚丙烯样品的¹³C CSA粉末线形,并与量化计算理论结果比较. 结果表明：¹³C 各向同性化学位移及CSA粉末线形的理论计算结果均与固体NMR实验结果有很好的符合,预示通过¹³C CSA量化计算结合固体NMR实验是阐明高分子微观结构的有力工具.     

典型高分子材料的固体核磁共振研究

本论文通过固体核磁共振（NMR）谱及动力学参量的测量,并结合X-射线衍射技术和DSC测量等研究了两种典型高分子材料的相结构、链的运动以及相与相之间的关系.  乙烯-醋酸乙烯共聚物( EVA) 是最主要的乙烯共聚物之一. 研究发现,EVA的相组成非常复杂,共有5个不同的组分. 除了PE中所观察到的常规单斜晶相和刚性的正交晶相外,我们发现还存在第三个晶相分量－运动性较强的晶相（SOCP,可能是转动相）. 它不仅拥有自己的熔点,而且它的化学位移和分子运动性不同于刚性正交晶相（LOCP）. 另一方面,非晶相也由两种不同的分量组成：运动受限的各相异性的非晶界面相和高度可动的橡胶型的非晶相. 我们进一步详细研究了EVA中的晶区链动力学和非晶区的低温冻结行为. 实验发现,在正交晶相中,高分子链以180° flip-flop方式运动,同时伴随沿链方向的平移型跳跃运动,并引起正交晶相和非晶相之间的长程链扩散,通过NOE的测量证实了这种相间链扩散的存在,并进一步通过实验证实这种相间链扩散是一种受限扩散而不是自由扩散. 同时非晶相的两个组分具有不同的低温冻结行为：当温度低于-弛豫转变温度时,橡胶型的非晶相中的长程分子运动被冻结,但仍存在分子的局域运动;而界面非晶在低温时冻结成一种有序取向结构,并用质子自旋扩散实验证实该有序结构与正交晶相相邻近.  少量纳米级片层状粘土分散在聚合物中就可赋予材料许多优异的性能,我们用固体NMR技术对EVA/REC复合材料的结构和其中粘土的分散性质进行研究,发现上述复合材料中所形成的晶体类型不仅依赖于各组分的性质还依赖于所形成的复合材料的类型.  偏氟乙烯/三氟乙烯共聚物（P（VDF-TrFE））是最主要的铁电高聚物之一. 我们利用变温固体¹⁹F MAS NMR 谱及弛豫数据的测量详细研究了电子辐照对P(VDF-TrFE)共聚物的分子结构、构型、运动性以及相变等的影响. 发现,电子辐照不仅改变了分子链段的构型和运动性,同时也改变了局部分子化学结构. 电子辐照促使铁电相向顺电相(或者非晶相)转变,与此同时诱发了富含VDF和含-TrFE链段从全反式的构型到混合的反式-旁式构型的转变. 电子辐照加剧顺电区域中的分子运动而在高温熔融态中(>100 ℃）,分子的运动反而受限.     

Elastic Behavior of Polymer Chains

在三维非格子模型中研究了高分子链的弹性行为. 使用蒙特卡罗方法在构相空间中对高分子链抽样,每种链都得到了超过109个样本,然后使用类橡胶弹力的非高斯理论对这些样本进行数值分析并进行统计分析. 通过观测链柔性以及伸长量对高分子链的均方末端距、平均能量、平均赫尔姆霍兹自由能、弹力、能量对弹力的贡献和熵对弹力的贡献等性质的影响,发现刚性链比柔性链更加容易被拉伸. 而由于熵的作用,当拉伸长度大到一定程度时,刚性链的拉伸难度会大大增加.     

二元高斯核模型的相不稳定性研究

从考虑巨势Ω在平衡点附近随密度的微小涨落δρ_α(r)的变化出发，由系统的关联函数可以研究描述高分子链二元系统的相不稳定性.在超网链(HNC)近似下研究了二元高斯核模型的相不稳定性，得到了它的相不稳定线，同时确定此相变是由浓度涨落为主的相不稳定性引起的退混合相变.将HNC近似下的结果与随机相近似下的结果进行了比较. 关键词： 高斯核模型 关联函数 相不稳定性 高分子链     

Translocation of Polymer Chains Through a Channel with Complex Geometries

采用nPERMis (new pruned-enriched rosenbluth method with importance sampling) 算法,研究了高分子链在通道中穿行的力学行为. 在管道穿行的过程中,计算了其作用力,发现进入中间通道的过程其对应的作用力f和第一个单体在x轴方向的位置关系曲线有一个平台(f>0). 由于高分子链的受限减少了高分子链的构象数目和熵,从而增加了其自由能, 因此只有在外力的作用下,高分子链才可以进入中间管道. 当高分子运动到某一位置后,第二个平台开始形成(f<0),这时高分子链自发进入右通道. 这是因为在右通道中高分子链的自由能降低的比左通道中高分子链的自由能升高的快. 右通道中的高分子链自发地拉动左通道中的高分子链. 研究了链长、左、右通道宽度对穿孔有很大影响. 通过这些研究可以详细解释各部分穿行时间不同的原因.     

中性/聚电解质高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附

本文应用分子理论,研究中性(A)/聚电解质(B)高分子混合刷对蛋白质的吸附/解吸附特性.理论模型考虑蛋白质与中性高分子A的排斥、以及与聚电解质高分子B的静电吸引.研究发现,在pH=4～6、中性高分子A处于弱水合状态时,混合刷中A高分子链塌缩,B聚电解质链溶胀.由于蛋白质和B聚电解质链间的静电吸引,导致高分子混合刷对蛋白质的吸附.当A高分子水合性增强时,A高分子链溶胀,B聚电解质链塌缩.由于蛋白质与A高分子链间的排斥作用增强,与B聚电解质链间的静电吸引减弱,混合刷对蛋白质解吸附.     

均聚物结晶与熔融化转变的稳态和亚稳态统计理论Ⅴ 分子分凝统计结晶动力学—结晶增长速率对结晶生长机制和高聚物起始结构的依赖性

首先对结晶增长速率同浓度、分子量和链柔性依赖性进行总结,然后基于微晶核和粒———高分子键组网络结构模型和高分子分子分凝统计结晶动力学,根据高分子链组是微晶粒同连接链段复合体的结构特征及它们间存在的四个相关性(并存性、简并性、顺反式构象共存性和物料守恒性)的事实,成功地把连接链段缩短增长动力方程同微晶粒体积增大增长动力方程有机结合在一起,从理论上创建出一种微晶粒数增长速率和微晶粒尺寸增长速率表达的一般化计算法,推导出结晶体系的微晶粒数增长速率和微晶粒尺寸增长速率同四种增长机制(近邻折叠,近邻伸直,近邻折叠同近邻伸直并联并存和近邻折叠同近邻伸直串联并存)、结晶温度和高分子起始结构(分子量)间定量表达式.当把分子量的指数同链的构象分数相连后,就又从理论上得到了分子量指数同温度和链柔性间的关系式,并讨论了它们同增长机制间的关系.最后以大量结晶动力学实验数据对上述所得到的关系式进行了验证,结果表明它们均能同实验结果很好符合.