伴随着资源短缺问题的日益严峻,天然高分子材料以其来源广泛、绿色环保和性能可调等优点得到了广泛的关注。通过分子间弱相互作用自聚集,天然高分子水溶液能够形成具有稳定三维网络空间结构的凝胶。该凝胶是一种典型的软物质,溶胀率高,生物相容性好,具有独特的物理化学特性,在工业、农业、食品加工、生物医药等众多行业具有重要应用,创造了巨大的经济价值和社会价值。高压作为一种重要的极端条件,与温度、组分构成了物质体系研究中三个完全独立的物理参量。近年来,高压下天然高分子等软物质的结构和性质研究得到了众多研究者的密切关注,成为一个热点研究领域。考虑到压力和温度在热力学上的等效关系,压力对胶凝行为可能具有相似于温度的效果。在高压下天然高分子聚集体的形成过程中,压力对天然高分子之间的相互作用、相态转变以及动力学过程的影响,是目前高压软物质研究中要解决的关键科学问题。另外,在天然高分子聚集体中,微观结构也是影响凝胶材料性能的根本因素,建立微观结构与性能之间的关联是实现对其物化性能调控的关键。然而,目前关于压力因素对天然高分子溶液自聚集影响多是对卸压后的样品进行研究,缺乏压力条件下对相变过程的原位研究。粘度是凝胶相变过程的一个重要物理量,本研究以此为出发点,设计了两套用于变温变压条件下液体粘度测量装置,进而能够原位研究以甲基纤维素和琼脂糖为代表的天然高分子水凝胶的相变过程。具体内容如下:1.利用荧光分子探针的荧光强度与环境微观粘度的相关性,自行设计了一套基于四窗口大腔体压机的原位变温变压微观粘度测量装置。该装置压力测试范围为0.1~500 MPa,压力精度为1 MPa;控温范围为-30~120℃,温度精度为0.1℃。利用该装置分别测量了不同温压环境下乙醇和甲基纤维素水溶液添加荧光探针前后的荧光光谱,分析了温度和压力对荧光探针发光性质的影响。为了研究天然高分子水溶液在更高压力条件下的相变过程,自行设计一套基于金刚石对顶砧(DAC)的原位变温变压宏观粘度测量装置。该装置主要由DAC、显微镜、CCD等元件组成。目前可在10 GPa的压力范围和20~400℃温度范围内进行高压粘度测试。用丙三醇作为校准样品,分别测量变温变压条件下样品的粘度值,实验结果与文献报导结果符合较好,实验装置达到设计预期。2.首次采用荧光强度测量的方法原位研究了甲基纤维素水溶液的热致和压致凝胶过程。研究结果表明:甲基纤维素水溶液的微观粘度在相变点附近有明显变化。利用该方法,通过改变温压条件,构建了甲基纤维素水溶液在200MPa压力以内的温度-压力相图。相图结果表明:样品的熔点随着压力增大而提高。同时,利用显微镜对甲基纤维素水溶液的压力诱导凝胶过程进行原位观察,发现随着压力增大,样品的凝胶相逐渐消失而溶胶相逐渐形成。卸压过程证实,甲基纤维素水溶液的压致相变是可逆的。3.首次采用基于DAC的粘度测量装置对甲基纤维素水溶液的凝胶化过程进行研究。研究结果表明:常压下,1 wt%的甲基纤维素水溶液的溶胶-凝胶相转变温度约为53℃。室温条件下(22℃),该水溶液在478 MPa压力附近粘度发生突变,完成凝胶化过程。通过改变温压条件,构建了甲基纤维素水溶液在500MPa压力范围内的抛物线相图,相图结果显示:甲基纤维素凝胶熔点温度,随着压力增加出现先升高随后降低的趋势。在此基础上,对甲基纤维素水溶液溶胶-凝胶相转变机理进行了讨论,认为氢键和疏水键都参与了凝胶的形成过程,但是二者在热致凝胶和压致凝胶过程中作用不同。热致相变时,分子间甲基基团的疏水性结合占主导地位;而压致相变时,氢键的贡献则超过疏水键的贡献。4.基于流变学和荧光寿命测量方法研究了琼脂糖水溶液的溶胶-凝胶相转变行为。流变结果表明,升温过程中,储能模量G′逐渐减小,但是在65℃时G′出现急剧变化,然后趋于稳定。荧光测量结果表明:琼脂糖水溶液溶胶-凝胶热致相变温度与浓度无关,几乎保持在65℃,该结果与流变学实验结果一致。高压实验结果表明:在琼脂糖水溶液中荧光分子探针的荧光寿命在相变点附近出现突变,因而可以通过荧光寿命表征其溶胶-凝胶相转变。利用该方法,通过改变温压环境,构建了琼脂糖水溶液的温度-压力相图。相图结果显示:凝胶的熔化温度随着压力的增大而升高。基于相图结果,研究了常压和300 MPa压力下琼脂糖水溶液的凝胶样品。回收样品的光学微流变实验结果显示:高压条件下制备的琼脂糖凝胶具有较高的弹性系数和较低的粘度系数;在较大压力作用下形成的凝胶,其三维立体网状结构更加致密,孔隙更小,具有更优良的流变性能。因此,压致胶凝的方法为高弹性凝胶的制备提供了新的思路。