具有极限非指数动力学特征玻璃形成体的焓弛豫研究

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玻璃态材料的弛豫行为可以用多种方式表征,其中最基本的也是最重要的是借助量热技术进行的焓弛豫研究。借助焓弛豫可以对玻璃形成材料的非简单热激活、非指数性和非线性三大弛豫特征进行探究。非指数性弛豫是弛豫的本征特征,一般用非指数性参数β来表征。过去针对具有一般非指数性弛豫特征的体系建立了很多弛豫参数间的关联如非线性参数x小于β的关联、β和脆性参数m间的Bohmer关联、归一化玻璃转变宽度与m和β的关联等等,但对于具有极限非指数性弛豫特征的体系,已有的弛豫参数间的关联是否仍然适用以及是否存在新的弛豫参数间的关联有待探究。这里我们选取了具有极弱非指数性弛豫特征的体系(非晶态金属有机框架材料ZIF-4)、具有极强非指数性弛豫特征的体系(非晶态脱氧胆酸)和具有指数性弛豫特征的体系(单羟基醇异构体),利用焓弛豫的方法对这类具有极限非指数性特征的体系进行了详细探究。通过对金属有机框架材料ZIF-4的研究,利用焓差的方法建立冷却速率与结构温度的关系并得到其脆性参数m=34,其低的m值可用其低的热压系数来解释。Tool-Narayanaswamy-Moynihan-Hodge(TNMH)方程拟合其归一化热容曲线得到其非指数性参数β=0.71和非线性参数x=0.47,极高的β值对应弱的非指数性弛豫。x=0.47小于其β=0.71,符合以前建立的x<β的关联。将非指数性参数β与脆性参数m的关系与Bohmer关联对比后,发现很好的符合。将利用β与m计算的归一化玻璃转变宽度值与实验值对比后,发现也符合以前建立的关联。这表明上述这些弛豫参数间的关联对于具有极弱非指数性弛豫特征的ZIF-4体系是适用的。选取药物体系脱氧胆酸(Doxycholic acid),利用球磨方法和熔体淬火的方法分别得到其完全非晶态。利用焓弛豫的研究方法测试其热力学特征后发现,对比熔体淬火玻璃,球磨玻璃的热玻璃转变行为显示出缺少overshoot的独特特征,进一步分析发现除了早期提出的高的结构温度Tf会导致低的overshoot,非指数性参数β也是决定overshoot的一个重要参量。基于上述结果,我们首次在球磨玻璃体系中构建了overshoot热容增量ΔCp-os与结构温度Tf和非指数性参数β的线性关系。球磨玻璃低的非指数性参数β(β<0.4)源于其球磨过程中引入了大量的比表面,表面上与块体内分子弛豫速率的差异性导致了其低的非指数性参数β。选取八种单羟基己醇的异构体,利用焓和介电弛豫的研究方法对其指数性的德拜弛豫过程进行了详细表征。我们首次发现玻璃转变处的用beads数归一化的玻璃转变热容增量与α弛豫强度间存在明显的指数性关联,而对德拜弛豫并未发现其与归一化热容增量的关联。我们还发现弛豫时间为100 s时德拜弛豫激活能与α弛豫激活能显著相关,结合其无热信号以及动力学弛豫特征与Rouse模式的相似性,提出了单羟基醇中熵驱动的德拜弛豫过程。综上,我们在具有极弱非指数性弛豫特征的非晶态金属有机框架ZIF-4体系中检验了以前的弛豫参数间的关联:x<β的关联、β和m间的Bohmer关联、归一化玻璃转变宽度与m和β的关联。我们在具有极强非指数性弛豫特征的球磨脱氧胆酸玻璃中首次利用结构温度Tf和非指数性参数β来解释overshoot的高度,建立了新的overshoot高度ΔCp-os与结构温度Tf和非指数性参数β的定量关联。在具有指数性弛豫特征的单羟基己醇异构体中,在玻璃转变处建立了新的归一化玻璃转变热容增量与α弛豫强度间的关联以及德拜弛豫激活能与α弛豫激活能间的关联。上述结果加深了我们对具有极限非指数性弛豫特征体系的认识,为解决玻璃转变和弛豫难题提供帮助。
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