离聚物体系的线性与非线性流变学行为研究

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离聚物是指聚合物主链上以共价键连接少量离子基团(通常低于10mol%)的缔合高分子。在以碳氢为主链的离聚物中,由于高分子基体的低极性,极性离子基团之间由于静电吸引作用形成较强的物理交联。这种物理交联相互作用赋予了离聚物优异的力学与机械性能,使其被广泛用于胶黏剂,涂料以及包装和弹性体等领域。根据主链上离子基团分布位置的不同,离聚物通常可以分为离子无规地分布在聚合物主链上的无规离聚物和离子基团固定在聚合物主链两端的遥爪型离聚物。其中,如果离子基团固定在聚合物主链两端并且存在一定数量的分布,又称为新型遥爪离聚物。虽然传统遥爪离聚物和新型遥爪离聚物中的离子基团均位于分子链末端,但是传统遥爪离聚物由于离子之间等距离近似分布,使其有利于形成均一有序的网络结构,而新型遥爪离聚物由于离子基团在聚合物主链两端并且存在一定数量的分布,使其表现出多级松弛行为特征。无规离聚物,遥爪离聚物以及新型遥爪离聚物由于离子间距的大小和位置分布的不同,通常会形成不同程度的离子聚集,并表现出不同的动力学行为。本论文主要围绕传统型遥爪离聚物、新型遥爪离聚物和无规离聚物三种离聚物模型体系展开,系统地研究了离子基团种类、离子数量和分布位置对离聚物聚集结构、线性和非线性流变学的行为的影响,具体内容如下:第一章和第二章分别介绍了研究背景和测试原理方法。第三章围绕聚丙烯酸异丁酯末端含有羧酸钠与磺酸钠盐的传统型遥爪离聚物展开。结合X射线散射实验、线性与非线性流变测试,系统地研究了离子基团种类和链长对于网络结构、线性与非线性流变学行为的影响。研究发现,虽然末端含有羧酸钠和磺酸钠的交联网络均由“超桥”链构成,前者的离子聚集能具有分布不均一的特性,这样的差异导致了两种离聚物表现出不同的非线性流变学行为。在强剪切或拉伸流场下,末端为羧酸钠样品较末端为磺酸钠样品表现出更好的韧性,主要源于离子聚集能的宽分布,该分布有利于在拉伸应变诱导解缔合后的结构重组和能量耗散。第四章围绕聚丙烯酸异丁酯末端具有一定离子数量分布的新型遥爪离聚物体系的线性黏弹行为展开。研究发现这种新型遥爪离聚物随着离子浓度的增加,存在多级松弛行为。进一步研究发现,该多级松驰行为与末端的相邻离子运动存在耦合效应相关:由于相邻离子同时缔合与解缔合,链末端缔合能随着相邻离子数的增加成倍数地增加,造成了多级松驰行为。第五章围绕上述新型遥爪离聚物体系的非线性流变学行为展开。剪切和拉伸流场下的非线性流变行为进一步证实了离子末端的解缔合速率随着相邻离子数的增加而变缓,且非线性流变学行为强烈依赖于流场与末端不同数量离子的解缔合的相对速率。也就是说,非线性流变行为主要依赖解缔合速率比流场速率慢的末端形成的网络结构。第六章围绕无规磺化聚苯乙烯磺酸钠盐离聚物体系在拉伸流场下的脆韧行为展开,系统地研究了该体系分别在不同碱金属(钠、钾、铷和铯)反离子、不同钠/铯共混离子以及不同钠/铯部分中和三种实验体系的非线性拉伸流变行为。研究发现在流场下离聚物的脆韧转变行为与流场、离子解离和链Rouse运动的相对速率相关:当拉伸速率慢于离子解离速率,而快于链Rouse运动的速率时,拉伸应变诱导“解缔合”,此后的链回弹速率受链Rouse运动速率控制,链回弹越慢,越有利于耗散能量和抑制“流动不稳定性”,进而减少体系断裂缺陷的形成,并最终实现材料韧性的改善。
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