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上海交大俞煒教授課題組 Macromolecules:聚合物熔體拉伸流變中π-π堆積和側鏈自稀釋效應的協同分子機制
2025-03-04  來源:高分子科技

  非線性拉伸流變學中瞬態應變硬化的起始和程度對高分子加工及應用具有決定性影響。盡管Rouse模型和管子模型作為經典分子理論,已為聚合物熔體線性黏彈性的普適性描述奠定了重要基礎,但線性聚合物在拉伸流場下應變硬化的分子機制仍存在顯著爭議。目前,已經提出了流場誘導單體摩擦系數增強和降低兩種觀點以解釋不同聚合物中的實驗結果。近期研究進展揭示了兩種機制的復雜性。一方面,非纏結的短側鏈苯基聚合物(PVBP)中能夠在流場誘導下形成更強的π-π堆積作用,導致摩擦系數增強;另一方面,基于增強拉伸松弛(ERS)模型的研究表明,較長的烷基側鏈可能通過溶劑化效應稀釋主鏈骨架,從而減弱了摩擦系數的降低。然而,特殊的分子結構設計可能使聚合物同時具備長烷基側鏈以及π-π堆積作用。這使得兩種機制的相對重要性成為亟待解決的科學問題。


  近日,上海交通大學流變學研究所俞煒教授和博士生尚泊丞基于之前研究的光可逆調控側鏈構象的偶氮苯高分子(Macromolecules 2022 55 (9), 3711-3722),合成了一系列各向同性非纏結的偶氮苯共聚物和烷基側鏈共聚物,如圖1所示。結合大應變下的瞬態拉伸流變與原位廣角X射線散射(WAXS)技術,系統地研究了側鏈自稀釋和π-π堆積作用與非線性拉伸流變之間的關系。


圖1.(a)偶氮苯聚合物的化學結構和光異構化。(b)具有不同摩爾分數的甲基丙烯酸丁酯和偶氮苯的無規共聚物樣品(Co1-Co5),以及投料比m=0.8的烷基鏈無規共聚樣品(Co6Co7)。


  圖2分別展示了部分樣品的非線性拉伸流變和瞬態應變硬化能力。在所有樣品均處于Rouse類型的線性黏彈性下,含有偶氮苯基團的樣品相較于僅含烷基側鏈的樣品,表現出顯著增強的瞬態應變硬化能力。


圖2.部分樣品的瞬態拉伸粘度(a)和瞬態應變硬化比與歸一化時間的函數關系(b)。


  為了更深入地理解上述非線性拉伸流變的顯著差異性,作者系統分析了所有樣品的應變硬化能力與韋森堡數之間的關系,并基于分子結構特征將其分為三類進行討論,如圖3所示。(a)構象對應變硬化的影響:反式和順式偶氮苯聚合物在緩慢拉伸區出現差異而在快速拉伸時趨于相同,主要是因為在緩慢拉伸下,順式構象位阻較大,不能有效堆疊導致π-π堆積作用相對較弱,而在快速拉伸下由于主鏈的聚集排列,構象的作用顯著削弱;(b)烷基側鏈對應變硬化的影響:僅含烷基側鏈的樣品在緩慢拉伸下未表現出應變硬化現象,可能是由于烷基側鏈之間缺乏相互作用(如π-π堆積)。然而,在快速拉伸下,應變硬化能力隨平均側鏈長度增加而增強,該現象可以用側鏈自稀釋效應解釋;(c)側鏈自稀釋和π-π堆積作用的相對強弱:在快速拉伸條件下通過對比平均側鏈長度相同但組成不同的共聚物研究發現即使偶氮苯的摩爾分數降低至0.20Co3樣品),其應變硬化能力仍顯著高于僅含烷基側鏈的共聚物(Co6Co7),這一差異明確表明π-π堆積作用對應變硬化的貢獻占主導地位。例如在韋森堡數為10時,大約38%的應變硬化源于自稀釋效應,而約62%則歸因于π-π堆積作用。


3所有樣品的最大應變硬化比SHRmaxa-c)與韋森堡數WiR的函數關系。其中,(c)的封閉陰影區域表示由與偶氮共聚物(Co3)具有相同平均側鏈長度的聚合物(Co6Co7PHMA)確定的側鏈自稀釋效應。


  通過原位廣角WAXS拉伸測試,系統研究了π-π堆積結構的動態演變過程,結果如圖4所示。研究表明,偶氮苯聚合物拉伸過程中,流動誘導π-π堆積效應增強,即大量的T形構型π-π堆積沿垂直于拉伸方向上增強,而少量的平行構型的π-π堆積則沿拉伸方向增強。這一發現與黃茜教授等人報道的短側鏈剛性苯基聚合物(PSPVBPP2VP)的行為相反,推測可能與側鏈的柔順性有關。


  本工作表明,側鏈自稀釋效應和π-π堆積效應對應變硬化的協同機制可能是含苯基長側鏈聚合物中的一種普適特征。


4. a)偶氮苯聚合物兩條相鄰分子鏈的示意圖。(b)順式異構體可能形成的π-π堆積示意圖。(cπ-π堆積堆積的三種構型及其特征距離。緩慢拉伸下,偶氮苯聚合物鏈分別沿拉伸方向(d)和橫向方向(e)的歸一化1-D WAXS曲線。


  作者衷心感謝四川大學黃茜教授對本工作提供的討論與幫助。作者感謝上海同步輻射光源為本研究提供的廣角WAXS測試機時。


  上述研究成果以“Extensional Rheology of Unentangled Azobenzene Polymers: Synergetic Effect of π - π Interactions and Side Chain Self-dilution為題發表在Macromolecules 2025, 58, 4, 1912–1922上。論文的第一作者是上海交通大學化學化工學院的博士研究生尚泊丞俞煒教授為通訊作者。該項工作得到國家自然科學基金52333001的資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c02687

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(責任編輯:xu)
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