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高分子结晶动力学及相分离动力学的高速量热法探究

杨榕  
【摘要】:由于普通扫描量热技术难以达到较高的升降温扫描速率,快速扫描量热技术在材料科学领域逐渐引起人们的关注。此种量热技术对高分子的结晶动力学及相分离动力学研究发挥了重要的作用,特别是对于某些亚稳态的研究,可以更加精确的捕获样品热力学变化的动态过程。近年来,Schick等利用基于氮化硅薄膜技术的真空导热规作为传感器,建立了具有10~6K/s的可控升降温速率的非绝热功率补偿薄膜芯片热量仪,该技术已经成功应用于多种高分子材料的研究,例如高分子材料的熔体结晶和重熔过程、离子液体的挥发过程以及蚕丝蛋白材料等。随着这种高速量热技术的不断成熟和完善,高速扫描量热仪的发展和应用的可能性进一步增加。本文围绕超快扫描量热技术的发展和应用,首先研究了聚氧化乙烯(PEO)样品在三维受限小液滴中的等温结晶过程,获得了样品从玻璃化转变温度至熔点温度整个区间的等温结晶动力学。PEO本体样品由于异相成核作用明显,以50000K/s的速率降温依然无法抑制其在降温过程中的成核过程,而通过PEO薄膜去润湿获得的小液滴则可在10000K/s升降温速率下获得完全无序态的样品。对本体PEO和去润湿得到的PEO液滴样品进行不同温度的等温结晶实验,通过对比PEO受限前后等温结晶动力学的变化发现,相对于PEO本体样品,液滴样品的结晶速率在整个等温温度区间均有所下降。其次,本文还对高速扫描量热技术在高分子共混体系的相分离动力学研究领域的应用进行了探索,本文以LCST型二元相容高分子共混体系PVME/PS为样品,首先采用温度跃升法建立了该体系的相图。观察到样品的质量分数在几秒钟内的变化,当退火温度在380K上下浮动时,从共混物中PVME的玻璃化转变温度(Tg)的变化可看出,两相的构成随着时间有着明显的变化,此过程对应于从成核和生长(NG)机制到旋节线分解(SD)机制的转变过程,在相分离后期可以通过显微镜来证实。对于NG机理和SD机理,发现组分演化动力学的温度依赖性分别遵循Arrhenius和WLF法则。与早期研究相分离形态学的方法相比,此种方法能在相分离形貌发生变化之前,就可以识别诱导其相分离的机制。最后,本文对上述工作进行了总结,并对后续的研究工作做了一系列展望与规划,本文的研究工作有望为高速扫描量热技术的发展和应用提供一定的参考和借鉴。


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