聚合物在不同維度受限體系下的熔融和結晶性能應用研究

摘 要：研究表明，在受限環境下的聚合物薄膜物理性質會發生顯著變化，與不添加修飾的聚合物薄膜相比往往會呈現出明顯的結構和性質上的差異，對聚合物薄膜在受限環境下的結構變換原理進行微觀意義上的分析和研究對我國的材料科學創新和發展具有非常積極的推動意義，為此，本文以聚羥基丁酸酯為例對其在不同受限環境下的熔融和結晶的溫度變化進行了實驗探究，并且得出了在不同約束下的從微觀分子結構角度出發的聚合物薄膜性狀變化規律。

關鍵詞：蒸涂修飾;聚合物薄膜;熔融重結晶;受限環境

1 聚合物薄膜熔融結晶研究分析

聚合物材料是一種有機高分子材料，在不同的外界條件下聚合物薄膜的結構可能會發生明顯的變化，對材料的導電性和導熱性以及其他物理性能方面產生較大差異，這是由于聚合物中的高分子結構發生了明顯的轉變，形成了具有不同性質的分子鏈，使得聚合物在宏觀上的物理特性發生了變化。在材料科學的發展過程中對于聚合物不同相體系的研究是十分重要的一個研究領域，基于聚合物的不同相體系進行的研究能夠推動新材料的發展，為我國科技水平和人民生活質量的提升帶來社會效益和經濟價值，為此，充分利用聚合物薄膜作為軟物質而具有的自組裝特性，從不同的尺度和方法出發對聚合物分子結構上的變化進行分析，能夠對其相體系的變化對聚合物宏觀特性的影響規律進行研究和摸索，進而解釋聚合物固相結構的形成、發展、演變和終結全過程的一些物理行為，分子水平上解釋聚合物結晶凝聚過程的一些基本物理問題，在進一步完善和發展高聚物結晶機理的基礎上，在這樣的理論基礎上，能夠實現對聚合物不同晶相和形態結構的有目的調控。

在聚合物高分子體系當中，通過對聚合物分子進行結構上的改造，由于受限環境之下能夠實現其相體系的變化，進而發生分子取向的改變，通過對聚合物體系構建不同的受限環境能夠實現對聚合物不同結構和特性的探索，并且隨著不同受限環境性狀的變化，聚合物的性質還能夠產生出與本體自組裝時難以實現的高分子結構形式，進而產生新的材料性能。根據不同聚合物的受限狀況，在實際的聚合物受限環境下的熔融和結晶過程研究當中，將其受限環境分為了三種，分別為一維受限環境、二維受限環境和三維受限環境，受限環境主要是通過基體對聚合物的性狀進行約束，在具體的實踐過程中通過將聚合物基體的表面暴露于不同的環境對聚合物的結構進行分析，是聚合物自組裝研究領域較為原始的研究方法。對于二維聚合物受限體系的研究則是通過兩個方向對聚合物的結構進行滾約束，例如在實驗操作的過程中通過圓柱孔對其結構進行有效約束，最終聚合物的結構和性狀與圓柱孔的孔徑大小和結構有著十分密切的聯系，不同的材料在圓柱孔中的相體系變化也不同，與本體自組裝相比產生了不同的相體系特性，聚合物的結構體系得到了明顯優化。而三維受限環境中的自組裝則是通過納米球等三維的約束體系對聚合物的結構進行分析和研究，隨著球壁結構的變化以及其不同的球壁分子特性不同，高分子聚合物的性質也呈現出不同的相體系行為。

2 聚合物在不同維度受限體系下的熔融和結晶性能應用

2.1 聚合物薄膜的受限熔融結晶

在受限條件下，由于凝聚過程中聚合物的分子鏈受到限制，往往形成一些特殊的形態結構，從而產生異乎尋常的物理和力學性能。實際上，有很多研究聚合物形態結構方面的工作都與受限環境有關聯。另外，從某種意義上講，許多聚合物多相體系所表現出的特殊晶體和形態結構也屬聚合物受限結晶的范疇。目前，有意識地研究聚合物受限環境中的凝聚過程及其凝聚相結構的工作主要是對嵌段共聚物和一些聚合物雜化混合體系中可結晶聚合物的凝聚行為與終態結構，在這些體系中，由于非晶聚合物鏈或雜化形成的框架結構對結晶聚合物鏈段的牽制作用，致使結晶聚合物的凝聚過程受到影響，從而形成不同于熔體結晶所產生的微觀結構。

2.2 一維受限環境下的聚合物薄膜熔融結晶性能探究

一維受限環境的實現主要是通過對聚合物薄膜進行基板設計而完成的，在具體的操作當中，通過制備結晶聚合物聚羥基丁酸酯的薄膜能夠探究在一維受限環境下完成的聚合物薄膜厚度不同對其結晶和熔融性能產生的影響。在實驗結束后，通過對有機高分子薄膜的不同厚度的退火結晶樣品進行研究和分析能夠初步得出高分子聚合物薄膜的厚度和其結晶溫度之間的關系，并且與沒有添加受限條件的聚合物薄膜熔融溫度和結晶溫度進行比較，最后得出相關的實驗結論。通過電鏡方法的測試結果對材料的結晶點變化進行分析能夠看出，厚度越小的有機高分子薄膜結晶溫度呈現出逐步降低的變化規律，從微觀角度分析，由于薄膜厚度的減小會導致聚合物分子的運動靈活性下降，所以進行結晶所需要的能量也增大，導致其結晶溫度與沒有添加受限條件時相比有所降低。此外，對其熔融溫度的變化進行分析，通過研究可以看出有機高分子薄膜的厚度逐步上升，其熔融溫度會出現較為快速的上升，這也在數據層面證明了有機高分子薄膜在一維受限的環境下存在著臨界受限的厚度這一實驗結果，從分子微觀角度進行分析可以得出，由于不同種類的聚合物具有不同的分子量，所以基板對于聚合物高分子材料薄膜的約束性與其分子結構具有直接的關系，往往其約束限度在受限聚合物分子大小的四倍到六倍之間。

2.3 三維受限環境下的聚合物薄膜熔融結晶性能探究

在三維受限環境下，聚合物薄膜的受限環境界面性質以及不同的尺寸會對聚合物的凝聚結晶和相體系的變化產生直接的影響，通過對PHB在不同三維受限環境中的結構變化進行研究等得到了相關的研究結果。實驗過程中采用PHB材料制備聚合物薄膜，以碳納米球作為聚合物薄膜的外殼結構材料，通過采用二氯二硫對聚合物和外界的納米球結構進行聯結。根據不同的結晶溫度能夠將聚合物薄膜的受限環境分為軟受限環境和硬受限環境兩種，不同的受限環境會給聚合物薄膜的結構變化帶來不同的影響，在硬受限環境當中材料的結晶溫度比原來的溫度有所降低，實驗數據表明降低了50℃。從微觀角度分析，由于在交聯的過程中硬的受限環境使得聚合物內部的結構分散程度被提升，所以材料融合的難度被加大，并且得出了在高分子聚合物相體系當中的實際成核的具體過程對于材料結晶具有直接的顯著影響，而在實踐當中往往只能通過提升實驗中的材料過冷度實現成核速率的優化。此外，在研究中還發現在三維硬受限環境之下的熔融溫度也隨著結晶溫度的降低而降低了，這在一定程度上表明硬受限環境之下聚合物形成的晶體結構還有待進一步完善，硬受限結構對晶體的結構和厚度約束能力太強導致其晶體的厚度較小，而設計軟受限環境重復實驗，材料的熔融溫度與材料的本體差距較小，基本能夠達到本體的最高熔融溫度。最后通過電鏡研究材料在三維受限環境下的微觀分子結構變化能夠發現，在碳納米球中的聚合物高分子是通過堆積的方式進行排布的，并且不同的聚合物結構層的產生具有不同的先后順序，呈現一個完整的連續變化過程，而對于每一個單位聚合物高分子來講，成核的過程僅發生一次。

3 結束語

綜上所述，本文通過真空蒸鍍的方式為有機聚合物薄膜添加修飾進而形成了一維和三維的受限環境下的有機物分子相體系，并且在相關實驗設備的支持下對其微觀結構的變化和宏觀物理性質的改變進行了數據的統計和原理的分析，對于更有針對性的調節聚合物分子結構在宏觀上的變化具有一定的理論研究意義和研究價值。

參考文獻：

[1]吳佳駿.模擬研究聚合物在受限環境中的自組裝結構和動力學性質[D].杭州：浙江理工大學，2017.

[2]高文敏.高分子聚合物共混體系在受限狀態下的相行為研究[D].臨汾：山西師范大學，2013.

作者簡介：

王靜（1986- ），碩士研究生，講師，贛南衛生健康職業學院教師。

本文研究結果來自于江西省教育廳科學技術研究項目--蒸涂修飾聚合物薄膜熔融與結晶的研究，項目編號：171435。