原位研究聚丁二酸丁二醇酯及其共聚物在外场下的微观结构形成和演化机理

The property of semi-crystalline polymers is strongly correlated with the microstructure (crystal form, crystallinity, lamellar thickness, orientation etc.), which generally forms under certain out field condition during processing (temperature, shear and tension). Therefore, a deep understanding of the structural formation and evolution mechanism is critical for establishing the processing-structure-property relationship of polymers. In the present project, biodegradable poly(butylene succinate) (PBS) and its multi-block copolymers will be chosen. By synchrotron X-ray scattering, the structural formation and evolution mechanism of PBS and its copolymers will be investigated in-situ. The possible structural features formed under out field (crystal form, morphology, microfibrils, cavitation and microcracks) will be focused. By controlling the out field condition, PBS and its copolymers with different structure will be prepared. The property of these samples will be tested. Based on the above results, the processing-structure-property relationship of PBS and its copolymers will be established. By comparing the different structural evolution feature between PBS and its copolymers during deformation, the reason for the higher mechanical properties of PBS copolymers can be uncovered, which will provide theoretical guidance for developing high performance PBS materials.

半结晶高分子材料的性能同其微观结构（晶型、结晶度、片晶厚度、取向等）密切相关，而材料的微观结构是在加工过程中某些外场（如温度、剪切、拉伸等）作用下形成的。因此，深入研究高分子材料在外场作用下微观结构的形成和演变机理，对于理解高分子材料的加工?结构?性能关系至关重要。本项目拟以可生物降解的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）及其多嵌段共聚物为研究对象，借助同步辐射X射线散射的有力工具，原位在线研究不同外场条件下PBS及其共聚物的结构形成和演变机制，阐明PBS及其共聚物在温度和应力等外场条件下的结构演化特征（如晶型、结晶形貌、微纤化、孔洞化、微裂纹等）。系统控制外场条件制备出一系列不同初始结构的PBS及其共聚物样品，结合性能测试，建立PBS及其共聚物的加工?结构?性能关系。并通过对比PBS和PBS共聚物在应力作用下的结构转变差异，揭示共聚物具有较好力学性能的原因，为高性能PBS材料的开发提供理论指导。

半结晶高分子材料的性能同其微观结构密切相关，而材料的微观结构是在加工过程中外场（如温度、剪切、拉伸等）作用下形成的。因此，深入研究高分子材料在外场作用下微观结构的形成和演变机理，对于理解高分子材料的加工−结构−性能关系至关重要。本项目以可生物降解的聚丁二酸丁二醇酯（PBS）及其共聚物为主要研究对象，借助同步辐射X 射线散射的有力工具，原位在线研究不同外场条件下PBS 及其共聚物的结构形成和演变机制。主要开展了以下几方面的工作。（1）PBS及其共聚物拉伸形变机理研究。在PBS中发现了应力诱导的片晶增厚现象，提出不同晶型中c轴长度的变化是片晶增厚的根本原因。在聚丁二酸乙二醇酯（PES）中证实了该机理的普遍性。（2）对聚丁二酸丁二醇酯-聚丁二酸（1,2）丙二醇酯多嵌段共聚物（PBS-co-PPS）晶型转变的的临界应力进行了测定，发现不同PPS含量的共聚物具有相同的临界应力，提出了“串联”微观结构模型。（3）研究了PBS在剪切场下的结构形成和演变，发现PBS的结晶速率随着剪切速率、剪切时间的增加而加快。在高剪切时出现明显的取向结构。（4）聚（丁二酸丁二醇酯-壬二酸丁二醇酯）无规共聚物（PBS-ran-PBAz）的结晶和微观形貌研究。发现随着共聚组成的变化，共聚物的熔点、结晶温度、结晶结构和形貌发生规律性变化。当PBS单元摩尔含量为45%时，出现两种结晶结构，观察到互穿球晶的形貌。（5）利用本项目搭建的原位拉伸和剪切装置，将工作拓展到其他结晶性高分子的结构演化研究。研究了β-聚丙烯在拉伸场和剪切场下的结构演变，PBS/聚偏氟乙烯（PVDF）共混物拉伸形变机理，以及聚左旋乳酸和聚右旋乳酸（PLLA/PDLA）在拉伸和剪切场中的结晶和取向。通过本项目的工作，基本阐明了PBS及其共聚物在温度和应力等外场条件下的结构演化特征，初步建立PBS及其共聚物的加工−结构−性能关系，为高性能PBS材料的开发提供了参考。