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混物形态演变与流变行为的研究

吴幼军  
【摘要】: 聚合物共混物的性能与其加工条件和所形成的形态有密切关系。对共混物形态及其变化的研究和对共混物流变性能的研究,在共混物研究中占有重要的地位。当共混物中包含有液晶材料组分时,由于液晶材料的分子各向异性和在外场作用下容易取向,不相容体系表现出在外场作用下与柔性链聚合物体系截然不同的性质。为了更好地了解加工过程和控制产品的最终性能,必须要深刻理解液晶/聚合物之间的各向异性界面性质,以及液晶在聚合物基体中的相形态演变。 由于液晶分子具有与柔性链分子不同的结构特征和流场响应,液晶特有参数像指向矢的取向、界面定位能等都会影响到两组分之间的界面性质以及液滴相形态的演变过程,然而相关的理论和实验研究都非常欠缺。对于液晶分散相液滴在流场中的相形态演变进行系统的实验和理论研究可以填补这一空白,并为更好理解各向异性体系共混物流变行为提供理论基础,对于各向异性体系共混物材料加工工艺和材料性能的控制具有重要的指导意义。 在本文中我们系统研究了液晶/柔性链聚合物共混物的各向异性界面性质,液晶分散相在柔性链聚合物中在流场作用下的相形态演变,以及液晶/柔性链共混物的电流变行为: (1)液晶/柔性链体系之间的界面表现出与柔性链体系不同的行为,这些都是液晶指向矢取向结构在外场作用下发生变化引起的。我们采用液滴回缩法和Maffettone-Minale模型测量并计算了液晶和柔性链聚合物PDMS之间的表观界面张力,同时考虑了液滴变形的初始形变度、不同液晶液滴大小和温度等因素对两相界面张力的影响。首次通过实验发现液晶/聚合物之间的表观界面张力值表现出对初始形变度的依赖性,这是由于不同的流场强度会引起不同的液滴指向矢取向程度;首次通过实验研究发现,表观界面张力会出现随液晶粒径的增大而增大的趋势,这与各向同性液滴界面张力一般会随粒径增大而减小相反。这是由于液晶界面定位作用对液晶指向矢的影响不同;研究了液晶/柔性链聚合物表观界面张力随温度的变化趋势,发现表观界面张力在液晶的向列相会随着温度而上升,这是由液晶液滴界面指向矢取向有序降低引起的。 (2)采用外加直流电场控制液晶液滴指向矢取向,并研究了不同液晶取向结构对各向异性界面性能的影响,首次实验研究发现初始取向方向不同的液滴在聚合物基体中的回缩快慢不同,指向矢平行排布的情况下液滴回缩会随时间减慢,而指向矢垂直排布情况下液滴回缩会随时间加快;通过液滴回缩法和YB大形变模型计算两组分之间的表观界面张力,首次通过实验发现不同初始取向方向的液滴对表观界面张力的影响不同,指向矢平行排布时界面张力会随时间而减小,指向矢垂直排布时则正好相反。这种差异有力地证明了液晶不同取向结构对各向异性界面性能的影响。 (3)从实验和模型计算系统研究了两种小分子液晶在线性二维流场中的液滴变形和回缩过程,研究了液晶分散相形态演变与各向同性液滴之间的差别,这种差别正反映了液晶各向异性取向结构对液滴分散相形态和相界面的影响:首次实验研究了5CB和8CB在不同线性二维流场中的液滴变形过程和回缩过程,用MM模型和YZ LC模型进行了计算对比,YZ LC模型由于考虑了向列相液晶结构以及两相组分之间的耦合作用等因素,比MM模型得到更好的拟合结果;在向列相液晶液滴回缩的过程中,首次发现液晶液滴在回缩过程中取向角会发生变化,这与其他各向同性液滴在回缩过程中取向角不发生偏转不同,而且在瞬态流场和稳态流场中得到取向角的变化趋势不同。用YZ LC模型可以定性地预测到取向角这一变化的趋势,取向角的变化与液晶界面能和定位能的能量恢复有关;首次通过液滴回缩法计算了近晶相8CB/PDMS之间的表观界面张力,而用传统的悬滴法无法得到该数值。首次观测到近晶相8CB液滴在不同流场强度下与向列相8CB完全不同的形态变化,这种差异来自于液晶近晶相的不同取向结构。 (4)首次实验研究了小分子液晶分散在柔性链聚合物中所形成共混物的电流变性能,液晶/聚合物体系表现出与传统电流变流体不同的响应特征:8CB在近晶相和柔性链聚合物PDMS共混时可以形成类凝胶结构,通过对近晶A相8CB液滴在线性流场中的液滴形变研究,认为这种类凝胶结构来源于8CB液晶在流场中产生的微颗粒之间形成的相互作用。类凝胶结构的力学性能和粘度要显著高于向列相液晶共混物;对于分散相液晶聚合物体系而言,电流变响应是电场导致取向和电场导致凝聚两种效应共同作用的结果;近晶相共混的液晶/PDMS共混物类凝胶结构在电场作用和流场作用下都不能被破坏,共混物表现出应力屈服行为。类凝胶结构同样表现出正的电流变效应,而且随着电场强度的增加共混物的粘度达到饱和值。


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