玻璃态下淬冷致内应力诱导聚合物局部有序结构形成的机理研究

Recently researchers have found that local ordered structure often existed when PLLA or iPP melt is quenched below its glass transition temperature. And the local ordered structure is usually considered to act as ‘precursor’ to crystallization formed during the cooling procedure. In this work effect of inhomogeneous internal stress induced by quenching on the formation of local ordered structure and crystallization in polymer film will be studied. Different internal stress fields are obtained by changing the quench temperature and film thickness. And then the effect of polymer chain dynamics tuned by the chemical structure and molecular weight on the local ordered structure will be studied. We will carry out experiments to study the detailed structures and thermal properties of those local ordered structures. Moreover the effect of the local ordered structure on polymer crystallization will be studied. From the ordered crystalline structures obtained under different internal stresses the distribution of the local ordered structure and the internal stress can be analyzed. And more ordered crystalline structures can be obtained under different internal stresses. This work will be helpful for us to clarify the mechanism in the formation of local ordered structure in glassy polymer under quench induced internal stress, and more ordered crystallites which is quite different from those crystalline structures only ordered in one direction under the shear flow field can be induced to improve the mechanical properties of polymers.

现有研究发现将熔融态的聚乳酸、聚丙烯淬冷到低于其玻璃化转变温度以下时聚合物薄膜中存在局部有序结构，并且局部有序被归结为降温过程中形成的成核初级结构，本项目将主要研究淬冷过程中薄膜收缩产生的内应力诱导聚合物局部有序结构形成的机理。首先通过调节淬冷温度和薄膜厚度来构造不同内应力来研究局部有序结构的变化，然后通过调节聚合物分子链结构以及聚合物分子量来研究分子链动力学对局部有序结构的影响，进一步研究不同局部有序结构的微观结构、热稳定性等，最后研究不同局部有序结构对后续结晶行为的影响，通过淬冷后形成的取向结晶形貌来研究局部有序结构的分布，分析内应力的变化，同时进一步优化内应力得到更多取向结晶结构。本研究不仅能阐明内应力对局部有序结构形成及结晶行为的影响，而且有可能通过调节内应力场形成不同于拉伸的取向结晶结构，在改善材料结晶的同时提高其力学性能。

聚合物熔体淬冷到玻璃化温度以下所处于的状态一直是高分子物理研究的一个基本问题，特别是半结晶性高分子体系中，大部分研究都是集中在熔融态降温结晶，较少研究从非晶态的升温结晶。本项目将主要研究淬冷过程中薄膜收缩产生的内应力诱导聚合物局部有序结构形成的机理，进而研究不同局部有序结构对后续结晶行为的影响。.通过对PLLA的淬冷结晶行为研究，我们发现分子量越低、淬冷温度越低、薄膜越厚产生的内应力效果越明显，越容易形成取向结晶结构。产生取向结晶的临界薄膜厚度大概为50微米左右，低于这个厚度内应力很小无法导致链取向。通过x射线研究并未在淬冷后的PLLA薄膜样品中发现有局部取向结构，同时淬冷后结晶与直接降温结晶形成晶体晶型一致。.通过不同的PLLA嵌段共聚物淬冷后的结晶行为研究，我们发现PLLA-b-PCl相对PLLA-b-PEG更容易形成取向结晶结构。这说明第二组分对相结构以及应力响应分布有很大的影响。并且在实验过程中并未较多的考虑微相分离产生的相结构的影响，相结构对淬冷后结晶的影响在计划中并未过多考虑，但实际过程中确实影响很大，这一点在PLLA-b-PS体系中非常明显。.本研究不仅能阐明内应力对局部有序结构形成及结晶行为的影响，而且对非晶态下的取向结晶结构有一定借鉴意义，可能在改善材料冷结晶的同时提高其力学性能。部分研究结果发表了SCI论文2篇，EI论文一篇。