聚合物在二氧化硅表面和网络空间中的受限结晶行为

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聚合物在受限空间中往往表现出不同于本体材料的特殊凝聚态结构,因而引起人们的广泛关注。纳米粒子引入的界面和空间受限效应强烈影响聚合物的结晶行为,决定材料的性能。因此,研究聚合物基纳米复合物的受限结晶行为,不仅可以丰富对高分子结晶的认识,而且可为材料的设计和应用提供一定的理论指导。在本论文中,我们利用单分散St(o)ber二氧化硅(SiO2)构建受限环境,以聚氧化乙烯(PEO)和聚乙烯(PE)为研究对象,深入探讨了粒子含量、粒径、表面性质以及聚合物分子量等因素对受限结晶行为的影响,并取得如下研究结果:  1.粒子尺寸对PEO/SiO2复合物受限结晶行为的影响  系统研究了SiO2粒径和含量对PEO受限结晶行为的影响。一方面,SiO2堆积形成的网络结构与粒子尺寸无关,其引入的空间受限效应导致PEO/SiO2复合物的结晶行为出现转折点。另一方面,SiO2粒径越小,界面受限作用越强,并且高SiO2含量的复合物出现两个结晶峰,而纯PEO只有一个结晶峰。这是由于聚合物-纳米粒子的界面作用导致复合物中存在三种不同结晶能力的PEO分子链:紧密束缚、疏松束缚及本体PEO。对于紧密束缚PEO,绝大部分分子链以氢键与SiO2表面作用,不能结晶。疏松束缚层PEO主要由吸附于SiO2表面的“loops”和“tails”组成,可结晶形成低温结晶峰。本体PEO则分散子粒子之间的空隙中,与纯PEO结晶行为相近。  2.聚合物分子量对PEO/SiO2复合物受限结晶行为的影响  研究了一系列不同分子量PEO/SiO2复合物的受限结晶行为,发现其表现出明显的分子量依赖性。这种现象与聚合物在SiO2表面的吸附状态有关。对于紧密束缚层PEO,其厚度为~1.1nm,与聚合物分子量无关。对于疏松束缚层PEO,随着聚合物分子量的增加,PEO疏松束缚层内“loops”和“tails”所占比例逐渐增加,对结晶的贡献作用增强:由最初不能结晶转变为结晶形成低温结晶峰(Tc<-25℃),甚至可以与本体PEO一起结晶。对于界面PEO分子链,其运动能力严重受限,成核成为结晶过程的决定因素。除此之外,PEO分子量大小也对SiO2网络结构的形成产生一定影响。  3.粒子表面性质对PE/SiO2受限结晶行为的影响  制备了三种不同表面性质的SiO2,研究了不同界面作用对PE受限结晶行为的影响。随着PE与SiO2之间界面作用的增强,PE分子链的运动能力和结晶能力逐渐下降。由于PE与SiO2之间的相互作用仅为范德华力,SiO2网络结构的形成与SiO2表面性质无关,粒子-粒子相互作用占主导因素。这种三维网络结构严重束缚了聚合物分子链的运动,导致PE/SiO2复合物结晶行为出现转折点。
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