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梳状高分子是一种分子结构不同于传统线性高分子的特殊软物质,对其聚集态结构和形态的深入研究不仅可以增加对梳状高分子结构和物理化学性质的理解,而且还可揭示现代高分子物理研究中存在的某些问题。具有层状堆积结构和烷基侧链结晶是绝大部分以烷基、烷氧基等为侧链的梳状高分子的共性,也是梳状高分子结构与性能研究中的核心问题。在梳状高分子的层状结构方面已有大量的文献报道,然而关于层状结构的形成和演变的机理以及烷基侧链结晶等的研究则相对较少;本论文采用N-烷基化方法制备了两种具有不同主链刚性的烷基侧链型梳状高分子,即具有刚性主链的N-烷基化聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTACns,n=6,8-20,n为偶数)以及具有柔性主链的N-烷基化聚己内酰胺(PA6Cns,n=12,14-18,n为偶数),利用FT-IR、DSC和XRD等多种表征手段系统研冗了PPTACns和PA6Cns系列聚合物的层状堆积结构、烷基侧链结晶以及主链堆积一侧链堆积间相互作用对聚集态结构的影响。主要研究结果如下:
在PPTACns和PA6Cns两系列梳状高分子的聚集态结构研究方面,XRD结果表明,两系列聚合物形成了层状结构,且均具有典型的梳状高分子烷基侧链结晶特征。XRD和DSC结果表明,当烷基侧链碳原子数大于12时,才能观察到侧链结晶行为,且主链结构对烷基侧链的结晶形式产生明显影响。根据实验结果提出了PPTACns的层状结构模型,其是由单排主链层以及部分交错的侧链层交替堆积而成。而对于PA6Cns体系层状结构的研究表明,只有当烷基侧链取代度为50%左右时,PA6Cns分子才表现出一种高度有序的层状结构。基于XRD结果提出了这种半取代型PA6Cns系列分子层状结构的基本模型,为由主链片晶构成的主链层以及完全交错的侧链层交叠而成。这种模型提供了一种简便的计算尼龙6片晶厚度的可能方法。另外,本研究第一次将经典结晶理论推广至梳状高分子体系中,推导了梳状高分子体系内烷基侧链熔点与侧链层厚度的关系。
在梳状高分子的主链堆积一侧链堆积间相互作用研究方面,利用变温红外光谱、变温XRD和DSC等方法分别对PPTACns体系中烷基侧链堆积形式对主链构象和有序堆积的影响,以及主链堆积有序度对烷基侧链结晶的影响进行了研究。结果表明,PPTACns从溶液沉淀过程中,主链堆积与侧链堆积间的竞争对梳状高分子层状结构的形成产生重要影响,烷基侧链的结晶能够明显地改变主链的构象并降低主链堆积的有序度,处于不同有序状态的主链对烷基侧链的结晶产生不同程度的影响。基于上述研究,首次尝试了主链对侧链结晶限制程度的定量描述。