振动作用下和热处理过程中高分子链的缠结

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本文采用差示扫描量热(DSC)和调制温度差示扫描量热(MTDSC)技术对振动作用下和热处理过程中高分子链的缠结问题进行了研究。首先对DSC实验中遇到的求解物质相变热焓过程中遇到的反应峰基线问题进行了讨论;然后以DSC作为研究手段,对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、高密度聚乙烯(HDPE)在超声振动作用下溶液浇铸凝聚成膜问题进行了研究;讨论了结晶高分子HDPE、聚丙烯(PP)在热处理过程中动态力学性能和熔融、结晶行为的变化:以及用动态力学分析仪(DMA)提供的动态振动作用,讨论了机械振动对:HDPE、PP结晶过程的影响;最后用MTDSC方法对PS的物理老化和PP热处理过程中形成的松弛峰与分子链凝聚结构进行了验证和探讨,得到了如下结论: DSC分析中根据零相变热焓等价曲线定义,给出零相变热焓等价基线BL(T表达式:根据上述原理,编写了。MathCAD程序,程序自动执行迭代运算,最终同时输出BL(T),ω(T)等实验结果;采用此方法计算得到PS试样的物理老化松弛焓,与MTDSC提供的不可逆热流信号上的松弛焓积分结果有类似的变化规律;也用此方法得到环氧树脂固化过程的真实固化基线,可以计算出固化反应过程准确的固化转化率、固化反应速率与时间的关系,从而得到更能反映实际情况的反应动力学数据。 非晶高分子PMMA、PS溶液凝聚成膜过程中,超声振动条件下成膜样品其凝聚结构较自然挥发成膜样品凝聚缠结增多,拓扑缠结减少。经过多次DSC循环升降温实验后,不同凝聚条件造成的结构差异逐渐消除,但由于PMMA和PS分子结构的差别,这种结构差异的消除不同。高分辨裂解气相色谱一质谱分析结果表明,超声成膜过程中PMMA分子链上的溶剂化溶剂分子少于自然成膜试样的,前者每85个结构单元中才包掳1个丙酮分子,而后者约每7个结构单元中就包掳1个丙酮分子。结晶高分子HDPE溶液凝聚成膜过程中,超声振动作用引发分子链或链段在一定尺度的取向,使其形成更加完善的晶体结构。 注射成型的HDPE试样在一定温度下进行热处理,成型过程中由于迅速冷却而使高分子链未来得及结晶或者结晶不完善的部分进一步结晶,在一定热处理时间内它的结晶度有不同程度的提高,动态力学性能中的储存模量和损耗模量也随之增高。随着热处理时间的延长,结晶度、储存模量和损耗模量很快都达到一平衡值。注射成型的PP试样在一定温度下进行热处理后的情况与HDPE的类似,但是如果热处理时间过长,则可能使高分子链的部分单元因为热处理形成的部分有序的缠结结构又发生解缠,使结晶度和储存模量都下降。注射成型的HDPE样条,在不同的振动频率、振幅以及熔体温度条件下获得的初生态试样,DSC的第一次升温扫描曲线显示它们的熔点都有不同程度提高,此变化在实验范围内对小振动频率和中等振幅敏感。而此过程中的熔融热焓没有明显的变化,说明振动作用下,形成的是更加完善化的晶体结构,但其中结晶的总量却没有明显变化。DSC第二次升温扫描结果表明,各试样熔点之间的差异缩小,说明试样在外加力场作用下形成的聚集态结构不断向一新的亚稳态结构弛豫。注射成型后的PP样条,在其熔点前后不同的温度下经简单静态热处理以及在DMA提供的振动场中以一定的振幅和频率作振动处理后,其DSC分析结果表明,存在一个温度窗口,在此窗口温度下处理样品,可使其熔点和结晶度都大幅度提高。简单静态热处理时此作用只发生在低于熔融峰的温区内,动态机械振动热处理时这一作用可在整个熔限内发生。在高于熔融峰值温度约5。C的区间内作动态机械热处理,可以使其熔点有最大幅度的提高。 PS、PP分别在不同温度下热处理不同时间后用MTDSC法进行了研究。MTDSC总热流曲线上PS的玻璃化转变温度附近出现一明显的向吸热方向的松弛峰,由可逆热流对应的玻璃化转变温度结果表明,PS试样在80℃以下进行热处理,其分子链之间将形成更多的凝聚缠结点,表现出试样玻璃化转变温度升高;高于85℃进行热处理,分子链凝聚缠结的解缠速率升高,表现出玻璃化转变温度降低。相对高的热处理温度将使分子链的凝聚缠结迅速达到平衡,并且认为该凝聚缠结更加规整,但与此同时这种更加规整的凝聚缠结数量减少,表现出松弛焓的下降。对于PP试样,MTDSC可逆热流对应的玻璃化转变温度表明,PP试样在不同温度下进行热处理后,其玻璃化转变温度不同程度升高,说明其非晶部分形成了局部有序结构。MTDSC不可逆热流曲线上100-120℃区间内出现向吸热方向的松弛峰,随着热处理温度的提高,该松弛峰对应的松弛温度也随之升高,松弛焓也呈升高趋势。该区间内的吸热松弛峰可能就是非晶部分局部有序结构的反映。
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