胶体分散体系的相行为及微流变性质的研究

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胶体分散体系丰富的相行为及其特殊的力学性能一直是人们十分感兴趣的问题。本文利用同步辐射小角X射线散射和扩散光谱技术对电荷稳定的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶体分散体系及其与聚氧化乙烯(PEO)组成的混合体系做了深入的研究,关注了离子浓度,高分子浓度,胶体粒子体积分数,高分子的分子量,以及温度等对胶体分散体系相行为及微流变特性的影响。  1.利用小角X射线散射技术研究了电荷稳定的PMMA胶体分散体系与PEO混合体系的相行为。对PMMA胶体分散体系与分子量为106g/mol的PEO组成的混合体系的研究表明,在较低PEO浓度下,混合样品保持均匀分散相;当PEO浓度足够高时,混合样品发生相分离,形成凝胶结构,并最终在重力作用下出现沉淀分层现象。在凝胶相区内,在一定PEO浓度和胶体粒子体积分数下,体系中的胶体粒子可以排列形成面心立方结构。对结晶结构的分析说明胶体粒子在聚集结构中由于胶体粒子表面电荷的存在,并不是紧密相靠的,而是有一定的空隙存在。  高分子的分子量也是影响混合体系相行为的重要因素。对PMMA胶体与分子量分别为3*105g/mol和105g/mol的PEO组成的混合体系的研究说明,PEO的分子量越高,混合体系越容易发生沉淀分层现象。而且,对两种混合体系相图的比较发现,在较低胶体粒子体积分数下,较高分子量的PEO容易使胶体分散体系中形成有序结构;相反的,在较大的胶体粒子体积分数下,分子量较低的PEO容易使胶体分散体系中形成结晶结构。另外,我们对形成了结晶结构的混合样品做了小角X射线散射在线观测。结果显示,体系中胶体粒子聚集形成的有序结构是随时间演化的,这说明体系中聚集结构中存在着重组现象。  2.利用扩散光谱技术研究了温度对PMMA胶体分散体系的微流变性质的影响。对于PMMA胶体分散体系,通过改变体系中的离子浓度,使体系中形成一定尺寸的集团或者使体系发生DLCA(Diffusion Limit Colloid Aggregation)凝胶转变。研究发现,在较低盐浓度下,胶体分散体系由单粒子或较小集团组成,温度升高将使体系中胶体粒子或小集团的扩散加快。而相反的,当体系中盐浓度达到一定值时,随温度的升高,PMMA胶体分散体系将在一定温度下发生凝胶化转变,变为非遍历性体系。而对于已经形成凝胶的样品,温度升高将加强体系的粘弹性,同时体系的非遍历性也随之增强。我们利用展宽指数衰减函数对体系的强度自关联函数做了拟合,结果显示,对于发生了凝胶转变的样品,利用该函数拟合是不恰当的。而三级指数衰减函数却能够较好的描述凝胶化样品的衰减行为,这说明样品是动力学不均匀的体系。除此,形成凝胶结构的样品的储能模量和耗散模量表现出一种Kelvin粘弹性行为。  3.利用扩散光谱技术研究了PMMA胶体分散体系与PEO组成的混合体系在不同温度下的微流变性质及其相行为的变化。在常温下,在一定PEO浓度下,混合体系因为depletion作用发生凝胶化转变,而在过高的PEO浓度下,由于高分子—高分子之间的相互作用,使depletion作用失效,体系中将形成单粒子与小集团的混合相。对于PEO浓度较低的体系,升高温度将加快单粒子和小集团的扩散运动。而对于形成depletion凝胶结构的样品,在较低温度范围下,升高温度可以加强体系的粘弹性。但在一定温度下,凝胶结构将在热力学作用下被破坏掉,形成集团相,变为各态遍历的体系。如果继续升高温度,体系将再次发生凝胶化转变,变为非遍历性体系。处于凝胶态的胶体分散体系的储能模量和耗散模量表现出典型的Maxwell-Kelvin粘弹性行为。对于在过高PEO浓度下的样品,当温度足够高时,体系发生depletion凝胶化转变,但形成的凝胶结构随温度的继续升高同样会出现破坏再重组的现象。
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