氢键键合的超分子聚乳酸的物理老化行为及其性能研究

来源 :浙江理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:PLMM1986
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氢键作为一种具有高度取向性和方向性的非共价键,常用于超分子聚合物的制备。2-脲基-4[1H]-嘧啶酮(UPy)是一种可形成四重氢键的基团,将其引入小分子或低聚物的侧基或末端,通过氢键键合作用形成超分子聚合物。选择聚乳酸和聚乳酸/聚丁二烯嵌段共聚物为前躯体,在其末端引入UPy基团,可制备序列结构有序的超分子聚合物(SMP)。由于氢键的动态可逆性等特点,制备的超分子弹性体具有形状记忆,自修复性等功能特性,可用于制备功能弹性体材料。这些超分子聚合物材料在室温下使用无法避免物理老化的影响,在聚合物从热力学非平衡态向平衡态转变过程中,材料的热力学性能、机械性能、光学性能等会随时间变化发生显著变化,影响超分子材料在工业上的应用。本文利用差示扫描量热仪(DSC)、广角X射线散射(WAXD)和拉伸测试等手段观察超分子聚合物物理老化过程,探求超分子聚合物物理老化过程性能的变化规律。首先,以己二醇和三羟甲基丙烷为引发剂,通过控制L-丙交酯与引发剂的比例,制备一系列分子量两臂及三臂的聚左旋乳酸(PLLA)前驱体,再与UPy基团反应,得到双端、三端UPy官能化的PLLA。通过DSC对未老化和老化样品表征,系统研究了超分子PLLA的物理老化行为及其后续结晶。在非等温结晶中,与PLLA前躯体相比,发现UPy末端官能化的超分子聚乳酸的结晶行为和熔融行为对老化时间(ta)更加敏感。在低于玻璃化转变温度(Tg)退火处理时,由于老化的热力学驱动力和结构弛豫的分子迁移率的组合效应使得未官能化和UPy官能化的PLLA老化速率都随着退火温度(Ta)先上升后下降。随着老化温度的升高,冷结晶温度逐渐下降,而熔融焓则逐渐增大。此外,超分子PLLA的老化速率表现出对分子量的依赖性。与线性聚合物相比,拓扑结构会增加了聚合物链的局部刚性,使自由体积扩散相关的松弛速率减慢。等温结晶测试进一步表明了超分子聚乳酸的冷结晶速率随老化时间的延长而加快。其次,以双羟基封端的聚丁二烯(PB)为引发剂,通过调控L-丙交酯与PB的投料比,制备一系列不同分子量的聚左旋乳酸-聚丁二烯-聚左旋乳酸(PLLA-PB-PLLA)三嵌段低聚物,并在其末端引入UPy基团,制备了可形成四重氢键的PLLA-PB-PLLA-UPy超分子聚合物。通过溶液浇铸法,形成了透明的薄膜,未UPy官能化的嵌段共聚物为粘流态或脆性固体不能成膜。在拉伸测试中,与未老化的超分子聚合物相比,从0 h到老化120 h,断裂伸长率从62.2%下降到5.4%,由韧性向脆性断裂转变,SMP的强度、模量和韧性在物理老化过程中逐渐下降。由于氢键动态可逆性,使得超分子弹性体具有自修复特性。通过老化对自愈性的调控,发现老化的SMP在紫外灯照射下表现出更高的自愈效率,在33℃老化120 h后,自愈效率为100%,而未老化的SMP为50%。且修复后样条的拉伸强度、模量显著增加。随着老化时间的延长,SMP的更快的形状恢复速度和更好的形状记忆能力。通过DSC与WAXD研究发现物理老化不影响所研究的ta区域中Tg附近的松弛焓变,但结晶温度逐渐降低。此外,发现老化SMP发生应力诱导结晶,表明在老化过程中可能发生聚合物链的重排,揭示了物理老化对氢键SMP的自修复、机械性能恢复、形状记忆特性的影响。
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