长链正烷烃的受限结晶研究进展

聚合物的结晶过程和最终凝聚态结构直接影响材料的加工使用性能.作为高分子材料的最大品种,聚烯烃由于分子量大,分子量分布较宽,结晶过程中形成多种亚稳态,因而从分子水平上阐明其结晶机理存在困难.与聚乙烯链结构相似的长链正烷烃可作为聚烯烃的模型化合物,研究其受限结晶行为能为复杂的聚合物受限结晶提供理想的模型体系.长链正烷烃的受限空间可以分为一维受限薄膜、二维受限微孔、三维受限微乳液或微胶囊等.相对于本体,长链正烷烃在每个受限体系中的结晶行为各不相同,这主要来源于受限体系对成核、结晶以及相转变的影响.本文重点综述了长链正烷烃在3种受限体系中的结晶特点,并结合各个体系中聚合物的结晶特点,阐述了长链正烷烃作为聚合物模型化合物的合理性.     

双酚A型聚碳酸酯的结晶增速改性研究进展

双酚A型聚碳酸酯(BAPC)因重复结构单元中含有两个苯撑而使分子链过于刚硬,导致其结晶极其缓慢。本文评述了BAPC的三类结晶增速改性剂,即成核剂(NAs)、晶体生长促进剂(CGAs)及成核-晶体生长耦合改性剂(NA-CGAs);提出机理上不同于异相成核(HN)的"离子簇集诱导成核(IAIN)"的概念,即NA所含离子(对)经交换反应转移至BAPC链端,而后经(单)遥爪离子静电簇集引发与之共价相连的链段在离子簇近围紧密堆砌从而诱导结晶成核的过程。NAs包括无机填料、有机小分子及有机高分子等;前者属于HN,而后两者属于HN或IAIN,取决于其中是否含有可交换离子对。CGAs包括有机溶剂、超临界CO2、酯类增塑剂、液晶小分子及柔性聚合物等;其均通过降低BAPC链段间作用力而加速晶体生长。NA-CGAs为将NA与CGA配合使用、协同促进BAPC结晶的混合物。然而,在实际熔融加工时间尺度内BAPC的结晶增速仍显不足;HN-IAIN-CGAs三元耦合改性剂有望成为今后的重点发展方向。     

高分子在氧化铝纳米孔道中受限结晶的研究进展

高分子材料在微纳米尺度常常表现出不同于本体的物理性质.对结晶性高分子来说,在纳米受限空间的成核机理、结晶结构和动力学特征都与本体材料有所不同.本文总结了近年来基于多孔氧化铝纳米模板(AAO)开展的高分子受限结晶的研究进展,重点介绍了本课题组的工作.研究发现,在AAO模板中,高分子结晶的过冷度大大增加,成核机理从本体的异相成核转变为均相成核或表面成核;高分子结晶结构通常表现为各向异性,动力学因素、热力学因素和界面性质均对取向结构有重要影响;受限情况下高分子结晶速率大大降低,表现出"成核控制"的动力学特征;空间受限使高分子结晶度降低,倾向于形成亚稳态晶型.最后,对该领域尚待解决的问题进行了展望.     

超快扫描量热技术表征高分子结晶动力学

高分子结晶行为是高分子材料加工过程研究的热点,因为高分子组分和加工工艺控制着高分子结晶及其产物性能。差示扫描量热仪(DSC)是研究高分子结晶动力学常规手段。但是,普通DSC所能达到的最快降温速率一般无法抑制较快的样品结晶,结晶行为将在等温结晶动力学测试之前发生,因此可进行等温结晶的研究温度范围局限于较低结晶过冷度的高温区域。近年来,具有超快速升降温扫描速率和精准控温的快速扫描芯片量热仪(FSC,其商业化版本Flash DSC 1)得到了广泛应用。FSC可以抑制高分子样品在升降温过程中的结晶成核,避免对之后的结晶动力学测试产生影响。因此FSC技术将高分子结晶动力学的研究温度区间延伸至具有较大过冷度的低温区,加深了我们对高分子结晶成核机理以及高分子工业加工过程的理解。本文首先介绍了由初级成核方程描述的高分子结晶动力学原理,初级成核自由能位垒(?G~*)和扩散活化能位垒(?U)分别控制了高低温区的结晶动力学。我们还总结了FSC技术的发展,包括氮化硅薄膜芯片技术、快速扫描量热仪、商业化Flash DSC 1在不同高分子结晶熔融行为研究中的应用。然后介绍表征高分子等温结晶动力学的方法,其中包括样品制备、质量估算、消除热历史、临界扫描速率的确定等,并举例介绍FSC在高分子结晶动力学研究中的应用,涵盖高分子总结晶动力学、结晶成核动力学、高分子焓松弛对结晶成核的影响、FSC联用技术等方面。应用举例中对应形貌和结晶信息,分析了通过FSC测试得到的结晶成核动力学特点。另外通过比较不同结构特点的高分子,总结了我们对结晶动力学行为的基本理解。总之,FSC技术是一种能够提供相转变动力学和热力学信息的高效工具,特别是应用于分析只能在快速扫描中得到的样品结构变化信息。同时我们希望本文能够帮助读者考虑超快扫描量热技术在其他材料研究上的应用,包括合金、药物、生物大分子等。     

高分子结晶理论的新概念与新进展

回顾了传统的高分子结晶成核与生长模型,指出了该模型在应用中遇到的一些问题;同时总结了Strobl根据近年小角X射线散射结果提出的高分子结晶新机理-中介相机理.介绍了Strobl等构建的热动力学图解对熔体、中介相和片晶的转变过程,阐述了各相间的平衡转变温度、潜在的转变热以及表面自由能,说明了处于熔体和晶体之间的中介相的热动力学性质是理解高分子结晶过程的重要依据.     

流场作用对聚丙烯结晶成核过程和晶体生长过程动力学的影响

通过改进基于构象张量构建的流动诱导结晶理论模型,考虑了流场对结晶生长的影响,对比研究了流场作用对聚丙烯(PP)结晶过程中成核与晶体生长两阶段速率的不同影响程度.理论研究表明,虽然相比成核过程,流场诱导作用对PP晶体生长速率的加速程度有限,但要更为精确地描述流动引起的整个结晶动力学过程,特别是在剪切速率较高且熔体结晶温度较低的情况下,考虑流场对结晶生长速率的影响是十分必要的.研究结果还显示,由于分子链的松弛作用,PP在较低温度下的晶体生长速率受剪切流场的影响要大于较高温度下的影响.本文理论预测结果与实验现象和实验数据的很好吻合亦说明模型改进的合理性和可行性.     

接枝咪唑阳离子对聚乳酸结晶行为影响研究

聚乳酸(PLA)受到伽马射线辐照发生降解,加入1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐(AMIMCl)与PLA发生接枝反应,可缓解其降解,得到咪唑阳离子接枝聚乳酸(PLA-IM).核磁共振(NMR)和凝胶渗透色谱(GPC)测试结果表明和直接辐照样品(PLA-S)相比,PLA-IM端羟基含量显著下降,分子量为PLA-S的3倍.利用偏光显微镜(POM)和示差扫描量热仪(DSC)研究PLA-IM等温结晶行为,发现其结晶时仍呈现球晶形貌,晶体生长速度变化相对较小,主要仍受分子量的影响,在相同结晶温度时,PLA-S的晶体生长速度最快,其次是PLAIM,而PLA-L最慢.咪唑阳离子接枝使PLA-IM成核密度显著提高,致使结晶动力学加快,当结晶温度≥125℃时,PLA-IM的半结晶时间小于低分子量的PLA-S.成核能力的提高是导致PLA-IM结晶动力学加速的主要原因.与共混物中离子液体降低PLA成核作用不同,PLA链上接枝阳离子后,离子相互作用有利于成核时高分子链段发生局部有序排列,促进晶核数目的提高.     

均聚物结晶与熔融化的稳态和亚稳态转变统计理论

基于多重微晶网络结构模型和分子分凝机制建立了高分子晶体的微晶核-和微晶粒-高分子链组模型,推导出了平衡态下高分子预结晶动力学方程,计算出了平衡态下不同尺寸微晶核-和微晶粒-高分子链组的几率分布函数.建立了非稳态下不同尺寸的微晶核-高分子链组的成核演化方程和微晶粒-高分子链组的增长演化方程,求解一般状态下的两个演化方程后,得到了不同时间和不同尺寸的微晶核-和微晶粒-高分子链组的一般密度分布函数.最后根据成核自由能和增长自由能对晶核和晶粒的尺寸大小的依赖性,提出了微晶核-高分子链组和微晶粒-高分子链组存在稳定性的热力学条件和动力学条件,成功地表征为三个特征区(稳态、亚稳态和非稳态).     

不同链结构的双酚A聚碳酸酯对脂肪族聚碳酸酯结晶行为的影响

脂肪族聚碳酸酯(APC)是一类可降解的高分子材料,因其生产工艺可固定温室气体的主要成分二氧化碳,这种可降解塑料得到了越来越多的关注.作为半结晶高分子材料,脂肪族聚碳酸酯的结晶性能和结晶结构对成型加工、力学性能和降解性能具有重要的影响.借助热分析(示差扫描量热仪DSC)和形态学观察(偏光显微镜POM)两种方法研究了不同链结构的双酚A型聚碳酸酯对半结晶脂肪族聚碳酸酯——聚碳酸1,4-丁二醇酯结晶动力学行为的影响.实验发现质量分数1%的双酚A聚碳酸酯的加入促进了聚碳酸1,4-丁二醇酯的成核,但不同链结构的双酚A聚碳酸酯对其晶体生长具有相反的作用,线形双酚A聚碳酸酯(PC-L)能够促进晶体生长,而支化双酚A聚碳酸酯(PC-B)则抑制晶体生长.用原子力显微镜在轻敲模式下研究了两种双酚A聚碳酸酯与APC共混物熔融状态下的相结构,发现熔体结构的不同是导致两种共混物与纯的APC相比,结晶速率呈现相反变化趋势的主要原因.     

蒸汽相中含硼多孔玻璃自转变合成沸石——Ⅱ．自转变动力学

以XRD为表征手段详细研究了408—453K温度范围、多孔玻璃粉在乙胺和水的蒸 汽相中自转变为B-Al-MFI型沸石的自转变动力学。由动力学曲线计算得到的成核活 化能和晶体生长活化能分别是102．0kJ／mol和34．7kJ／mol。沸石的结晶速率显 著受温度影响，低温有利于晶体成核和形成小晶体，高温有利于晶体生长和形成大 晶体。不同反应温度下的结晶速率几乎在相同时间内(cα．132h)达到最大值(νm) 。