聚合物/液晶共混体系相形态与流变学研究

摘要

聚合物共混体系的性能受到共混体系的相形态的影响，而相形态又与加工过程中经历的流场与热历史密切相关。所以研究聚合物共混体系相形态与流变性质的关系，对于共混材料加工工艺和材料性能的控制都有重要的指导意义。液晶分子具有不同于柔性链聚合物的特殊性能，例如液晶分子的取向行为以及各向异性界面性质，使液晶与柔性链聚合物共混时表现出不同于柔性链聚合物共混体系的特殊相形态演变过程和流变性质。
　　本文从以下几个方面研究了液晶/聚合物共混体系及柔性链聚合物共混体系中相形态与流变性质的关系：
　　（1）由于液晶分子在界面的定位作用以及液晶分子的取向行为，浸没于柔性链聚合物中的液晶液滴在流场中的形态演变过程不同于柔性链聚合物液滴。我们研究了聚甲基硅氧烷（PDMS）中的对戊基联苯腈（5CB）液晶液滴在经历剪切流场后的松弛过程中的形态演变过程，发现在回缩过程中液晶液滴的取向角随时间变化，即液晶液滴在静态松弛过程中发生了旋转。我们研究了各种因素对液滴旋转的影响，包括流场作用时间、流场强度、流场种类和相态等因素，并从理论模型的角度分析了液滴在松弛过程中取向角发生变化的原因。发现液滴松弛过程中取向角的旋转主要与界面定位作用导致的液滴表面旋转力矩有关，而表面旋转力矩的分布又与界面液晶分子指向矢方向与界面法向间的夹角密切相关。
　　（2）实验发现少量近晶相对辛基联苯腈（8CB）液晶与柔性链聚甲基硅氧烷（PDMS）在近晶相温度下共混可以产生类似凝胶的物质，完全形成类凝胶状态所需8CB的最低浓度为6％。研究发现类凝胶体系可以在近晶相和向列相温度下稳定存在，而当温度上升至各向同性温度时转变为8CB为分散相的海岛共混体系。我们首次证明了类凝胶材料是8CB为连续相的高浓度乳液。类凝胶的相结构与8CB的浓度密切相关，随着PDMS浓度的增加（8CB浓度的降低），分散相液滴的粒径减小，同时8CB膜的厚度也随之减小。储能模量的平台值G'p随8CB浓度的降低（PDMS浓度的增加）而增大，平台储能模量的数值正比于8CB液晶膜的表观屈服应力，由液晶膜的厚度决定。类凝胶体系的稳定性主要与8CB液晶膜的弹性有关，而体系的弹性来自于8CB膜的屈服应力。我们利用大振幅剪切与小振幅剪切的交替剪切实验研究了类凝胶结构的形成过程，并通过对单个液晶液滴在流场中形态的演变，提出了由于近晶相8CB液晶液滴特殊破裂行为导致液晶液滴周围8CB浓度的增加，进而导致局部相转变的机理。
　　（3）我们首次研究了8CB/PDMS类凝胶共混体系的屈服应力和触变性。研究发现表观屈服应力与测试方法密切相关，各种方法所得到的屈服应力都随8CB的浓度上升而下降，而且与体系的平台模量相关，表明类凝胶材料的屈服应力是由材料内部液晶网络结构的弹性决定。通过蠕变和触变环方法研究了类凝胶共混体系的触变性，发现类凝胶材料的触变环的面积与实验时间有关。类凝胶结构在液晶浓度较低（10%-15%）时表现出触变性屈服应力流体的性质，而在液晶浓度较高（20%-30%）时表现出简单屈服应力流体的性质。
　　（4）我们通过不同方法结合理论模型研究了如何确定聚合物共混体系的分散相粒径与粒径分布，包括显微镜直接观测法，Palierne模型拟合线性粘弹性法和LAOS-YB模型拟合大振幅振荡剪切法（LAOS），首次建立了用大振幅振荡剪切确定共混体系粒径分布的理论基础及应用方法。研究发现 Palierne模型拟合线性粘弹性得到的分散相粒径与显微镜观测结果比较接近，但粒径分布有较大偏差，而 YB-LAOS模型拟合得到的粒径与粒径分布与显微镜观测结果也存在一定的偏差。其中一个原因是模型的建立是在弱非线性响应区，而实验过程中由于仪器灵敏度的原因，需要选择较大的应变；另一方面，模型是以牛顿流体为研究对象，而实验中聚合物材料的非线性对共混体系的非线性也有显著的影响。如何利用非线性行为对粒径分布的高敏感性来确定共混体系的粒径分布还有待进一步研究。

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第一章 绪论

1.1柔性链聚合物共混体系相形态与流变行为研究进展

1.2液晶的特性

1.3液晶/柔性链聚合物共混体系相形态演变与流变性质的研究进展

1.4 本文的研究目标和研究内容

参考文献

第二章 液晶液滴在剪切停止后松弛行为的研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 液滴回缩过程中取向角的变化

2.4 理论分析

2.5影响液滴松弛过程中取向角变化的因素

2.6 本章小节

参考文献

第三章 液晶/聚合物类凝胶共混体系的形成机理与动力学研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 液晶/聚合物类凝胶共混物屈服行为与触变性的研究

4.1 引言

4.2聚合物共混体系屈服应力的研究

4.3聚合物共混体系触变性的研究

4.4 实验部分

4.5 结果与分析

4.6 理论模型

4.7 屈服应力流体分类讨论

4.8结论

参考文献

第五章 多分散聚合物共混体系粒径分布的流变学研究

5.1 引言

5.2 理论模型

5.3 共混物LAOS理论模型的预测

5.4 实验设置

5.5 共混物粒径分布的确定与对比

5.7 小结

参考文献

第六章 全文总结

已发表和准备中的研究论文

致谢