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聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)作为芳香族聚酯的一种,具有比聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)更加优异的弹性回复性和加工优势等特点,使得其在纤维、薄膜和工程塑料等领域均有良好的应用前景,因此,对其结构和性能的研究越来越引起人们广泛兴趣。虽然前期的研究在PTT晶体结构和多重熔融行为方面已经有了一定的探讨,但是对此仍存在许多争议。为了给以后的性能研究提供更多的技术支持和理论依据,更好的解决PTT实际应用中存在的问题,有必要对PTT不同结构的形成机理、演变过程及如何调控这些结构和性能做进一步全面深入的研究。
本论文结合POM、DSC、AFM、TEM、FTIR、WAXD和SAXS等多种技术手段详细研究了PTT在熔体结晶和冷结晶时形成结晶形貌和晶体结构,以及PTT在升温熔融过程中的结构转变。主要结果如下:
1.PTT的晶型结构与样品的结晶温度和初始态无关,但结晶形貌却存在很大差异。熔体结晶时通常形成球晶,而从熔体淬冷状态开始结晶时形成棒状晶体。冷结晶温度较低时,较薄片晶无规分布,温度较高时,较为完善的棒状晶体以片晶簇的形式分布。对于PTT薄膜样品来说,熔体结晶时形成flat-on片晶,即晶相分子链的排列方向(折叠方向)与基底表面垂直;冷结晶时形成edge-on片晶,即分子链的排列方向平行于基底表面。另外,PTT熔体结晶和冷结晶过程中分子链的排列方式不同:熔体结晶过程中,柔性链段首先调整为tggt构象,进行有序排列,然后刚性链段再排入晶格;而冷结晶时柔性链段和刚性链段同时发生构象转变,参与结晶,从而导致了PTT晶胞内基团的局部构象差异。
2.PTT等温熔体结晶样品的熔融过程中,较低温度的熔融峰对应的是原始片晶中较不稳定晶体的熔融,而较高温度的熔融峰是由稳定性较高的原始片晶和重结晶形成的完善晶体这两部分引起的。而对于非等温熔体结晶的PTT样品,其升温过程中并没有不完善片晶的熔融再结晶发生,而是在刚性无定形相(RAP)松弛之后经历一个分子链由非晶直接向结晶结构转变的过程,是原有片晶的增厚或继续生长。
3.PTT等温冷结晶样品也具有多重熔融行为,只是较低温度熔融峰的焓值较小,是部分初始片晶的熔融或片晶表面熔融,而较高温度的熔融峰还与升温过程中的结构转变有关。不同结晶温度的PTT样品,其片晶结构和分布的不同导致了玻璃化转变温度随结晶温度的升高而降低。对于熔体淬冷的PTT样品,其升温过程先发生冷结晶,形成稳定性较差的不完善片晶、刚性无定形相和中间相,在继续升温过程中,刚性无定形相中的分子链段发生松弛,中间相中的分子链段则重排形成更加有序的晶相结构,而不完善的片晶则熔融重结晶形成更完善的晶体,致使各种晶体在熔融前达到相近的稳定性,因此最终在相同温度熔融。