高分子多尺度结构与动力学的固体NMR研究

高分子材料中的微观结构和动力学特征决定了材料的最终物理化学性能,并具有典型的时间和空间上的多尺度特性。在不同时空尺度上表征凝聚态下高分子中多尺度的结构、动力学及其动态演变等问题,进而阐明其结构-性能间的关系一直是高分子科学研究中的挑战性课题。目前,固体NMR技术已成为从原子至100nm的空间和10-9～10s的时间尺度上研究固态高聚物体系中多层次结构和复杂运动并阐明其结构与性能关系的有力工具。本文将综述我们近年来系统构建的多尺度固体NMR实验技术,及其在阐明高分子链结构、链间相容性和相互作用、界面相结构及相区尺寸、以及从高频到超慢链运动等问题中的应用。     

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.     

纳米二氧化硅诱导聚氨酯弹性体结晶行为的研究

使用溶剂共混法制备了热塑性聚氨酯弹性体/纳米二氧化硅复合材料,采用多种实验技术阐明了纳米二氧化硅诱导聚氨酯弹性体中软段结晶的微观机理.TEM表明纳米二氧化硅在聚氨酯弹性体中有很好的分散性,DSC实验发现高温退火后等温结晶处理的聚氨酯纳米复合材料中软段的结晶性和玻璃化转变温度显著提高,纳米二氧化硅的加入量影响玻璃化转变温度和熔融焓最终的平衡值以及它们的增长速率.固体NMR实验发现退火后复合材料中的软段分子运动受到限制,而硬段的链运动明显提高.上述实验结果表明硬段链间的氢键在高温下被破坏,在退火过程中纳米二氧化硅与硬段间的相互作用使得硬段链运动增强,进而促进了与硬段相连的软段结晶能力的提高.基于实验结果建立了聚氨酯/无机纳米复合材料在高温退火和低温等温结晶处理下微观结构和动力学演化的物理模型.     

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.