混合溶剂结构与高分子溶解能力的关系：从共混不互溶现象说起

The role of structures of mixed solvent on polymer solubility are studied by a combination of small angle neutron scattering (SANS), dynamic & static laser light scattering (DLS & SLS), nuclear magnetic resonance (NMR) and fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). There are multi-scale structures in mixed solvent. The solvent molecules may interact directly with polymer via interactions (direct interaction) such as hydrogen bonding, van der waals force, et al., and they may also affect polymer solubility indirectly (indirect interaction) by forming a complex, who can be considered as a new "solvent". Because those two effects always co-exist in polymer dissolution process, contrast matching techniques in SANS must be involved to distinguish their contributions. Then the micro-structures of mixed solvent can be connected with polymer dissolution, and a general theoretical framework can be established. According to the theoretical framework, some physical debates can be clarified, e.g., the origin of co-nonsolvency, and the relationship between structure of mixed solvent and phase separation process in polymer solution. Moreover, the framework is essential to optimize the solvent selection of natural cellulose.

通过联用小角中子散射、动静态光散射、核磁共振、傅里叶红外技术，我们重新观察混合溶剂结构对高分子溶解行为的影响，辨识高分子-溶剂之间直接相互作用与间接相互作用在高分子溶解过程中的贡献。混合溶剂中存在多尺度结构，溶剂分子既可以通过诸如氢键、范德华力之类的相互作用直接作用于高分子，又能通过多尺度结构形成新的"复合物"间接作用于高分子。我们通过使用小角中子散射的衬度匹配方法，确定哪种作用对高分子的溶解起主导作用，从而将混合溶剂的微观多尺度结构与高分子的宏观溶解行为联系起来，逐步解决理论与实际生产过程的难题：探索共混不互溶现象的本质，研究混合溶剂结构与高分子溶液相转变过程的关系，从而建立高分子溶解的微观模型，指导纤维素加工过程中绿色溶剂的选择。

通过联用小角中子散射，中子全散射和其它研究手段，我们重新观察混合溶剂结构对高分子溶解行为的影响，辨识高分子-溶剂之间直接相互作用与间接相互作用在高分子溶解过程中的贡献。混合溶剂中存在多尺度结构，溶剂分子既可以通过诸如氢键、范德华力之类的相互作用直接作用于高分子，又能通过多尺度结构形成新的“复合物”间接作用于高分子。我们通过使用小角中子散射的衬度匹配方法和全原子计算机模拟，发现随着共溶剂的加入，由于溶剂-共溶剂之间强烈的吸引相互作用，与高分子形成的氢键总数减少；高分子与共溶剂憎水部分之间的范德华相互作用随共溶剂的加入而增加。如果范德华相互作用的增加可以补偿氢键作用的减少，共混不互溶现象就不会发生；相反，如果不能够补偿，共混不互溶现象就会发生。所以，直接和间接的相互作用都会作用于高分子的溶解过程，而间接的溶剂-共溶剂分子之间相互作用，影响了直接的高分子-溶剂和高分子-共溶剂相互作用。我们的工作将混合溶剂的原子尺度结构与高分子的宏观溶解行为联系起来，探索了共混不互溶现象的物理本质，建立了高分子溶解的微观模型。本项目已发表SCI论文7篇，另有1篇仍在准备。