有机高分子材料的受限结晶研究:从长链烷烃到聚乙烯

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长链正烷烃和线性聚烯烃尤其是聚乙烯,都是由饱和碳氢链CH3-(CH2)n-2-CH3(简写为Cn)组成的有机高分子。它们结晶都是亚甲基序列以全反式构象密堆积形成正交鱼骨亚晶胞的过程。然而,聚乙烯和长链烷烃的结晶动力学是截然不同的,主要差别来源于聚乙烯晶核表面由链折叠部分组成,其表面自由能远远高于长链烷烃的晶核表面自由能。因此,从长链烷烃到聚乙烯的过渡与链折叠、成核方式密切相关的。本文设计了微胶囊和二氧化硅微球两个受限体系,综合利用DSC、广角X射线衍射和变温固体核磁等方法,系统研究了长链烷烃、长链醇的受限结晶行为,进一步扩展到低分子量聚乙烯的受限结晶研究,期望能为复杂的聚合物受限结晶提供确切的模型体系,真正构建起从长链烷烃到聚乙烯的桥梁。本文的主要研究内容和结论如下:  1.微胶囊中双组分混合烷烃结晶行为研究  通过DSC和原位广角X射线衍射研究了C16/C18混合烷烃在微胶囊中的结晶行为。微米级几何空间赋予微胶囊化混合烷烃(m-C16/C18)新的结晶特点:m-C16/C18的表面结晶现象增强,表面单分子层是由C16和C18两个组分组成的理想固溶体;此外,全组分范围内的m-C16/C18均结晶形成旋转RI相,而只有特定组分比的本体C16/C18混合烷烃才会结晶形成RI相。最后,首次成功地绘制了m-C16/C18的温度-组成相图,全面地展现了微胶囊化烷烃的受限结晶特点。  平均链长((n))影响着双组分混合烷烃的相分离行为。固定两组分烷烃的碳数差(△n=2)和组分比(10/90或90/10),通过改变n来调控体系的平均链长(n),研究了m-C14/C16、m-C16/C18、m-C18/C20和m-C20/C22的相分离行为。不论是在本体还是微胶囊体中,随着平均链长(n)减小,Cn/Cn+2混合烷烃的相分离行为均从完全相容、部分相分离变化到完全相分离。由于硬三维几何空间有效地抑制了双组分混合烷烃的相分离行为,因此微胶囊体系中发生部分相分离的Cn/Cn+2混合烷烃的平均链长(n)m,c小于本体的(n)b,c。  2.二氧化硅表面长链烷烃和长链醇的受限结晶研究  长链烷烃和长链醇在St(o)ber法二氧化硅表面的受限结晶存在共同点:旋转相稳定性增加,液固相转变温度降低,低温结晶结构发生变化等。  长链烷烃和长链醇与二氧化硅表面的相互作用不同,因此它们的受限结晶又存在不同点。长链烷烃在二氧化硅表面的结晶行为明显受到分子链长的影响。当 n<44时,长链烷烃/SiO2复合物在高于本体液固相转变温度之上出现双表面结晶现象,并且旋转相稳定性增强;当44≤n≤60时,长链烷烃/SiO2复合物只有一个表面结晶峰,且在低于液固相转变温度时不再出现新的固固相转变峰,二氧化硅网络对旋转相稳定性的影响消失。由于分子链末端羟基的存在,长链醇与二氧化硅表面形成较强的氢键相互作用,导致长链醇/SiO2复合物体系没有出现增强的表面结晶现象。  3.二氧化硅表面低分子量聚乙烯的受限结晶研究  随着二氧化硅含量增加,PE/SiO2复合物熔融热焓值降低,结晶度下降。为了增强St(o)ber法纳米SiO2粒子与PE之间的相互作用,用硅烷偶联剂KH-550将SiO2粒子表面进行了疏水改性。当改性SiO2的质量分数高达98%时,PE/改性SiO2复合物的DSC曲线上没有明显吸热/放热信号,聚乙烯的结晶度和结晶能力大大下降。
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