气相白炭黑/低分子量聚乙二醇悬浮体系的分子弛豫与流变行为

采用亲水气相二氧化硅(FS)、非缠结聚乙二醇(PEG,重均分子量400)制备悬浮体系,考察FS体积分数(φ)对PEG本体相α-松弛、结晶行为及悬浮体系流变行为的影响.结果表明,FS可延缓PEG本体相α-松弛,提高玻璃化转变温度,并显著增加浮体系黏度,降低本体PEG相结晶与熔融焓.低填充时,FS起成核作用;高填充时,FS延迟PEG分子扩散,并降低结晶温度.FS对PEG结晶的不同作用发生在悬浮体系溶胶-凝胶转变附近,此时悬浮液非线性动态流变行为呈现显著的硬化软化特性,线性动态流变行为呈现最为显著的频率依赖性.通过建立线性动态流变行为叠加曲线,揭示了FS对PEG分子链扩散行为的显著推迟作用.     

良溶剂中环形高分子单链的结构与动力学性质的模拟研究

本文采用多粒子碰撞动力学与分子动力学耦合的模拟方法研究了环形高分子单链在良溶剂中的静态与动态性质,并与线形分子进行了对比.研究发现,环形高分子链内粒子之间的平均距离小于线形链,即粒子排列得更加紧密;相应的均方回转半径也小于线形链,线形链与环形链的均方回转半径的比值为1.77;同时,环形链扩散的速度也比线形链快,两者比值为1.10.模拟结果揭示了扩散行为是排斥体积作用和流体力学相互作用耦合的结果,在扩散过程中,流体力学相互作用消减了排斥体积作用对扩散行为的贡献.此外,通过对有和没有流体力学相互作用的多粒子碰撞动力学得到的结果作对比,研究了流体力学相互作用对高分子静态和动态行为的影响,结果表明,流体力学相互作用使高分子链在极稀溶液中的扩散速度变快.     

核/壳纳米复合粒子填充聚苯乙烯的流变行为

采用细乳液聚合制备了以偶联剂改性纳米二氧化硅粒子(SiO2)为核、交联聚苯乙烯(PS)为壳的SiO2@PS复合纳米粒子(SCCSN).采用透射电子显微镜(TEM)、动态光散射(DIS)法考察了SCCSN的粒子形貌特征,发现SCCSN呈球形,粒径约90 nm,均匀分散;采用热失重(TG)、调制式差示扫描量热(MDSC)与动态力学分析(DMA)研究了SCCSN的结构特征,发现PS包覆率随交联剂含量增加而升高,且玻璃化转变温度(Tg)显著升高.交联壳层不仅能够将聚合物锚固在SiO2表面,屏蔽SiO2粒子与基体PS间相互作用,而且阻止PS壳层与基体PS分子链间的缠结.MDSC结果显示,SiO2与SCCSN填充可降低复合物Tg.动态流变结果表明,填充PS熔体非线性流变行为与PS分子链解缠结有关,SiO2与SCCSN均不影响填充熔体非线性流变机理.SCCSN的SiO2核对PS的增强效应略优于SiO2,且增强效应与壳层交联度有关.     

巨型分子的黏弹性研究进展

巨型分子是一类新型高分子,其构建基元为结构更具刚性的分子纳米粒子,如多面体齐聚倍半硅氧烷(POSS)等.将多个分子纳米粒子三维连接而形成的一类巨型分子能够保持三维形状,这不同于传统的一维链状高分子.我们采用流变学手段研究了一系列处于本体条件、且具有不同直径的巨型分子,发现在玻璃化转变温度之上,其动力学由其直径决定.这与传统高分子中缠结主导的动力学截然不同:当巨型分子的直径跨过临界直径时,其松弛时间增加至少108倍;在临界直径以上的巨型分子不能扩散和松弛,表现出储能模量的平台,而且模量随温度线性增加,对应于分子纳米粒子的受限运动.跳出传统高分子的框架,巨型分子展现出不同于"蛇形运动"、"缠结"和"管子模型"的新规律,成为连接高分子体系和胶体体系的桥梁.随机一级相变理论推测,玻璃化转变时协同运动区域的直径大约为微观运动单元直径的6倍,这个分界与实验中巨型分子的临界直径一致,因此我们将这种类似于玻璃化的状态称为协同玻璃态.以这些巨型分子为代表的软团簇或可类比为玻璃化中的协同运动区域,将为研究玻璃化转变提供新的实验支持.     

粒子填充HDPE复合体系动态流变行为研究

研究了炭黑(CB)和石墨(GP)填充高密度聚乙烯(HDPE)复合体系的动态流变行为.发现高填料含量时出现似固体行为,并认为它归因于无机粒子网络逾渗结构的形成.在相同聚合物基体条件下,粒子种类和粒子几何参数(粒子形状、大小、粒径分布)对低频区域流变行为、流变参数的逾渗行为和逾渗阈值(φ_c)有决定性影响,且种类的影响相比于粒子几何参数更为显著.此外,高表面活性及高比表面积(大径厚比、小尺寸)粒子填充体系具有较低的φ_c.     

基于分离粒子随机扩散理论的色谱模拟

为了对扩散分子的轨迹实施动态追踪与模拟, 深入理解分子扩散对色谱动力学的影响, 本文利用微尺度受限空间随机行走的模拟方法对色谱填充柱中的分子扩散过程进行了模拟. 重点考察了固定相的填充率、固定相的形状和柱长对色谱动力学行为的影响. 模拟结果表明短柱和大填充率具有较高的柱效; 在相同的密堆排列下, 固定相形状对分子扩散过程影响微弱; 待分离粒子的运动表现出微尺度空间限域的扩散特征, 但粒子的流动行为会随外部压力的增大而增加. 本论文提出的模拟方法对于发展高效能色谱, 开发新型分离技术等具有参考意义.     

聚合物薄膜玻璃化转变及其分子松弛行为的研究进展

随着纳米技术的发展,受限聚合物的玻璃化转变以及分子松弛行为受到了高分子物理学家的关注.由于纳米尺度效应,高分子薄膜的玻璃化转变以及分子松弛行为偏离于本体,呈现出尺寸依赖性.研究聚合物薄膜的玻璃化转变及其相关分子松弛行为对聚合物纳米材料的结构设计,进一步理解聚合物玻璃化转变的物理本质具有重要意义.本文总结了近20年来聚合物薄膜玻璃化转变行为的研究成果,介绍了薄膜分子松弛行为偏离本体的主要物理机制、聚合物薄膜分子运动能力的深度分布特征以及薄膜分子松弛行为的相关理论模型,并对该领域研究进行了展望.     

炭黑填充聚苯乙烯熔体流变行为

研究了炭黑(CB)填充聚苯乙烯(PS)熔体的稳态和动态流变行为. CB/PS复合体系在CB体积分数φ=0.06时发生逾渗转变. 结果表明, 低应变区熔体模量降低主要归因于粒子-粒子及粒子-高分子间作用力的破坏, 高应变下模量的急剧下降则主要与高分子链间解缠结有关. 采用“两相”模型拟合线性动态流变行为, 发现应变放大因子A_f(φ)、填充相模量及松弛指数与温度有关. A_f(φ)~φ关系符合Guth方程和扩散控制的粒子簇聚集模型. “粒子相”形状参数与聚集体分维度均随温度升高而有所降低, 说明CB粒子聚集体因团聚而趋于各向同性, 应变放大效应减弱. “粒子相”特征模量G'_f1(φ)和G"_f0(φ)与φ关系满足标度律. 当φ > 0.06时, G'_f1(φ)和G"_f0(φ)及其标度指数均随温度升高而明显降低, 其G'_f1(φ)变化幅度略大于G"_f0(φ), 说明“粒子相”弹性与黏性组分具有不同的温度依赖性. 随着温度升高, 扩散控制的CB粒子团聚过程加快, 应变放大效应减弱.     

类玻璃高分子的再加工

类玻璃高分子(vitrimer)是一类含有动态共价键的共价交联聚合物网络, 结合了热固性聚合物和热塑性聚合物的优点. 在外界刺激作用下, 类玻璃高分子的动态共价键能够可逆断裂及形成, 而交联密度不会发生变化, 这种独特的性质使其能在保持三维交联网络结构的同时, 实现再加工、回收再利用、焊接和愈合等功能. 因此, 类玻璃高分子有望解决传统热固性聚合物无法进行再加工和回收再利用等问题, 推进资源的循环利用和社会可持续发展. 重点介绍了类玻璃高分子不同的再加工方式, 包括热加工、光热加工、电热加工和小分子辅助加工, 并对各个加工方式的原理、特点和应用进行总结. 最后, 对类玻璃高分子再加工的发展进行了展望.     

多组分高分子体系动态流变学研究

根据动态流变学基本理论介绍了多组分高分子体系动态流变学行为,评述了动态流变学方法在研究高分子共混体系、嵌段共聚物体系、填充高分子体系及溶胶-凝胶体系的形态、结构方面的最新进展,认为动态流变学方法是研究多组分高分子体系形态与结构的一种有效方法.     

SSBR/SiO_2混炼胶的动态黏弹行为

研究了白炭黑(SiO2)填充溶液聚合丁苯橡胶(SSBR)的动态流变行为,考察了时间-浓度叠加(time-concentration superposition,TCS)原理在粒子填充橡胶中的应用,获得以未填充SSBR为基准的流变叠加曲线.流变叠加曲线在低频下呈现模量平台,复数黏度呈现剪切变稀行为,而损耗因子tanδ在特定频率下出现峰值.基于刚性粒子所导致的应变放大效应以及SiO2粒子间SSBR分子的受限运动,探讨了TCS模量平移因子AG与频率平移因子Aω随SiO2体积分数φ的变化.AG与Aω均为φ的标度函数,但AG～φ关系不符合粒子聚集体团聚(cluster-cluster aggregation,CCA)模型.讨论了偶联剂3-辛酰基硫代-1-丙基三乙氧基硅烷(NXT)对动态流变行为的影响.NXT不影响性叠加曲线的低频平台模量与剪切变稀幂律指数.然而,与不含偶联剂的混炼胶相比,NXT造成SSBR特征弛豫时间缩短,稠度与A增大.     

介电松弛谱法用于高分子链动力学行为的研究

介电松弛谱法是研究高分子链松弛运动的一种有效方法.它可反映出分子的特征结构信息,对揭示高分子链动力学行为的本质及规律、调控其凝聚态结构意义重大.本文从介电松弛谱理论出发,总结出几种常用的介电特征参数以及用于解析这些参数的数学模型.通过介电松弛谱中高分子链的弛豫过程的解析,可得出与高分子链运动相关的特征参数,如介电常数、介电松弛强度以及链运动的特征松弛时间,从而判断链松弛运动的尺寸小大,松弛的基团以及链运动的协同过程;还可与Arrenius方程、Vogel-Tammann-Fulcher（VFT）方程、统计学模型建立联系,获得界面构造、分子内部组成、链动力学行为同环境的依存性等信息,为高分子材料的分子设计、开发与应用奠定高分子物理理论基础.     

高分子复杂体系的结构与流变行为

流变学测试对非均相体系的结构变化具有敏感响应,被认为是表征多相/多组分聚合物体系结构与性能极为有效的方法.本文主要依据作者及其合作者的工作,对近年来围绕非均相体系形态结构与流变响应所开展研究的最新结果进行了总结和评述,涉及LCST型高分子共混体系的相形态与黏弹松弛、嵌段共聚物的微结构与线性/非线性黏弹行为、聚烯烃剪切诱导结晶时间尺度与流变响应、填充聚合物体系的结构性能和流变行为.对多相/多组分高分子共混体系形态结构演变的特征流变响应的充分认识,将有助于优化非均相体系的形态结构与最终力学性能.     

流变-导电同步测试法研究炭黑填充高密度聚乙烯的等温结晶行为

采用流变-导电同步测试法,研究炭黑(CB)填充高密度聚乙烯(HDPE)在124.3～125.3℃范围的等温结晶行为,发现应变、频率与预降温速率均显著影响等温结晶过程中动态流变与导电行为.动态储能模量(G')与电阻均在结晶过程中发生显著变化.其中,CB粒子在熔体中发生扩散,造成原有逾渗网络结构破坏,导致复合体系电阻在结晶诱导期内增大.随结晶度增加,G'在结晶诱导期附近开始显著增大,其临界时间对应1%～2%相对结晶度;同时,CB粒子在无定形区相互聚集而形成渗流网络结构,使得复合体系电阻显著降低.电阻的变化被认为与CB粒子在熔体中的迁移以及在HDPE晶体生长过程中的聚集行为有关,且比依时性动态流变行为更敏感.     

尼龙短纤维/白炭黑填充天然橡胶的流变与动态力学行为

以尼龙短纤维(NSF)增强天然橡胶(NR)混炼胶为研究体系,以马来酸酐接枝天然橡胶(MNR)为增容剂,考察增容剂、NSF含量对NR/NSF母胶动态流变行为的影响;将NR/NSF母胶加入30份白炭黑(Si O2)填充NR混炼胶中,对比研究NR/NSF、NR/NSF/Si O2混炼胶的线性与非线性流变行为及动态力学行为,采用修正的两相模型分析"粒子相"的增强作用,探讨硫化胶储能模量E'和损耗因子tanδ的变化.结果表明,MNR影响NSF在基体中的分散性和NSF/NR混炼胶的动态流变行为;高填充Si O2和少量NSF之间存在协同增强作用,使NR/NSF/Si O2混炼胶的补强因子和应变放大因子均高于NR/NSF混炼胶,显著增加"粒子相"的黏性与弹性贡献,限制"粒子相"的松弛;硫化胶的E'和tanδ峰值随NSF体积分数增加分别升高和降低.     

动态力学分析技术在类玻璃高分子性能表征中的应用

类玻璃高分子因结合了热塑性材料可塑形变的能力以及热固性材料永久定型的特征,目前在高分子研究领域备受青睐。采用动态力学分析技术可深入研究此类材料的动态黏弹性和流变行为,建立类玻璃高分子交联网络、动态键等结构与材料性能间的关系。本文重点阐述动态力学分析技术在类玻璃高分子的动态黏弹性、交联网络结构、流变行为、膨胀及形状记忆行为等方面的表征应用,为此类材料的结构设计、性能评价以及加工应用等从测试表征角度提供参考。     

Monte Carlo模拟研究高分子单链在基体中扩散的拓扑效应

高分子流体的性质同高分子的链结构及其动力学行为密切相关. 在高分子共混物中,共混组分的性质不仅依赖于自身的拓扑结构,还受到其它组分分子拓扑的影响. 本文中采用基于格子模型的Monte Carlo模拟方法研究了在高分子基体中扩散的4种不同拓扑组合（环形或线形高分子链）体系中目标单链的静态和动态性质. 结果发现,环形目标单链的性质受基体分子拓扑结构的影响要大于线形目标单链;其中环/线这一拓扑组合中目标单链的扩散机理相比其本体已经发生了较大改变,链末端在其中起了重要作用. 此外,我们对引起这一现象出现的可能原因做了分析.     

可溶解的聚氨酯脲微凝胶的合成及其分子尺寸的测定

以聚氧化四亚甲基二醇、4,4′ 二苯甲烷二异氰酸酯和己二胺为原料 ,利用高分子在溶液中基本形态是无规线团的特征 ,设计了一个含有分子内和分子间反应的交联聚合体系 ,由于分子内反应与分子间反应是一对竞争反应 ,使得交联过程得以控制 ,在溶液聚合体系中合成了可溶解的微凝胶 .在分子尺寸测定过程中 ,发现了这种高分子在溶液中非常容易形成分子簇 ,且分子簇的形成与解离处于不平衡之中 ,这可能是交联高分子的一种特殊的溶液行为     

用耗散粒子动力学方法研究高分子链取向对形变液滴回缩法测定界面张力值的影响

在利用形变液滴回缩法(DDRM)测量了分子共混体系界面张力的过程中, 要求椭球液滴内高分子链应力松弛速度远快于椭球的回缩速度. 我们建立高分子链取向模型, 用耗散粒子动力学研究高分子链的取向及应力松弛对界面张力测量值的影响. 结果表明, 当高分子链沿着流场方向取向时, 应力是否完全松弛对界面张力测量值的影响较大, 当高分子链取向方向垂直于流场方向时, 应力是否松弛对测量值影响较小.     

电响应聚合物薄膜的表面图案化

研究了炭黑(CB)和石墨(GP)填充高密度聚乙烯(HDPE)复合体系的动态流变行为.发现高填料含量时出现似固体行为,并认为它归因于无机粒子网络逾渗结构的形成.在相同聚合物基体条件下,粒子种类和粒子几何参数(粒子形状、大小、粒径分布)对低频区域流变行为、流变参数的逾渗行为和逾渗阈值(φc)有决定性影响,且种类的影响相比于粒子几何参数更为显著.此外,高表面活性及高比表面积(大径厚比、小尺寸)粒子填充体系具有较低的φc.