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西南大學張貽川、郭鳴明 Macromolecules：含界面反應的聚合物熔體動態潤濕行為

2023-02-17 來源：高分子科技

潤濕是自然界中普遍存在的自然現象（例如水滴在荷葉上的流動），同時也是工業應用中的重要過程（如粘接、噴涂和復合材料成型等）。因此，動態潤濕從實驗、計算機模擬、物理模型等方面得到廣泛的研究。通常為了更好地理解潤濕機理，人們普遍選擇惰性的固液氣體系。這樣的選擇，有利于排除一些復雜因素（如接觸角滯后、界面吸附等）對潤濕機理理解的干擾。然而在實際的工業應用中，人們往往需要固體與液體之間的產生界面化學反應（例如Sn/Cu焊接過程中金屬互化物的產生、復合材料成型過程中聚合物和增強體之間的界面反應），從而提高最終產品的界面性能。目前人們對含界面化學反應的動態潤濕（反應型動態潤濕）的理解還相當有限。

西南大學張貽川副教授等考慮到馬來酸酐(MA)基團容易與?OH發生化學反應，選用馬來酸酐接枝聚丙烯（MA-g-PP）熔體作為研究對象，研究了其在玻璃基底上的動態潤濕過程，并用分子運動理論（molecular-kinetic theory，MKT）分析了MA-g-PP熔體的動態潤濕機理。圖1a展示了MKT可以很好地描述MA-g-PP熔體動態接觸角與接觸線速度的依賴關系。與惰性熔融聚合物潤濕體系（聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚丁烯（PB））相比，MA-g-PP體系的接觸線摩擦與粘度呈現出一個非線性的依賴關系（圖1b）。如圖1c所示，作者通過運用MKT與線性MKT理論，將整個動態潤濕過程分為三段：慣性區域（I），化學影響區域(II)和不受化學反應影響區域(III)。作者基于區域II和區域III接觸線摩擦的值（如圖1d），估算出界面化學反應所影響的接觸線摩擦占總接觸線摩擦的36?49%。

圖1. MKT和線性MKT分析 MA-g-PP熔體動態潤濕過程

此外，作者對比示意了界面化學反應對動態潤濕過程的影響（圖2a），新界面的產生以及分子鏈的纏結影響了接觸線附近的三相區（TPZ）內分子鏈的運動（圖2b，c）。不同于小分子體系接觸線摩擦的能量耗散只發生在TPZ區域，作者提出了新的中間區域 “mesozone”，在該區域的分子鏈通過纏結影響TPZ區域內分子鏈的運動。基于自由旋轉鏈模型，作者估算出mesozone的長度l_m約為42.8 nm。

圖2. MA-g-PP熔體在區域II動態潤濕示意圖

上述研究工作近期以“Reactive Spreading Dynamics of Molten Polymer Liquids” 為題發表在《Macromolecules》上（Macromolecules 2023, 56, 1111?1121）。西南大學化學化工學院張貽川副教授為該論文第一作者兼通訊作者，郭鳴明教授為通訊作者，合作者包括比利時法語布魯塞爾自由大學（ULB）Jo?l De Coninck教授和荷語魯汶大學（KU Leuven）David Seveno教授。該工作得到了國家自然科學基金（No. 52103036）和中央高校基本科研業務費（No. SWU-KR22041）支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c02530

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（責任編輯：xu）

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