聚偏氟乙烯流动诱导结晶行为

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聚偏氟乙烯(PVDF)具有优异的机械性能、热稳定性、压电和铁电性,在电子电器、柔性传感等领域有广阔的应用前景。PVDF是典型的多晶型聚合物,其压电和铁电性主要源于含连续反式构象的正交β和γ晶,但PVDF静态结晶通常形成具有动力学优势的单斜α晶,而制备β和γ晶则需要高温高压、快速冷却等苛刻条件。针对以上情况,本文基于外场可诱导旁式-反式构象转变,详细研究了加工流动场诱导PVDF结晶特性,结合原位同步辐射X射线和离线傅里叶变换红外方法探索多晶型形成机理,实现PVDF及其复合体系β和γ晶含量的有效调控。具体内容和成果如下:通过轻度辐照交联获得了宽温度范围内可拉伸的PVDF模型样品,原位追踪流动场诱导结晶晶型和形貌。发现伸展流动场可诱导PVDF熔体结晶形成长约400-450纳米的纤维状β晶,其在190-200℃高温会逐渐松弛,而在160-180℃低温则继续生长。同时降温提供过冷度诱发α晶形成,与β晶共同决定最终晶体组成,因此在较低温度施加流动场提供了增加β晶含量的有效途径。利用非交联线性PVDF,系统研究流动场诱导结晶与应变速率、温度的关系。固定流动场温度160℃,增大应变速率从0.01至10 s-1可将流动场诱导β晶结晶度从0.7%提高到3.7%。固定应变速率10 s-1,降低流动场温度从170至155℃则将β晶结晶度从1%提高到5.8%。此外发现α晶降温结晶动力学不受应变速率和流动场温度影响,因而增大应变速率和降低流动场温度可显著提高β晶含量。利用十六烷基三甲基溴化铵和四丁基硫酸氢氨,引入阳离子与C-F偶极间静电相互作用,促进流动和等温过程β晶结晶,并诱导取向γ晶生成,获得完全极性β和γ晶的PVDF样品。进一步发现提高应变速率可促进β晶生成,但减慢γ晶结晶动力学,以此提高β晶含量,并对多晶型形成与流动诱导构象转变关系进行探讨。针对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可降低PVDF熔体粘度改善流动性,研究了PMMA含量对PVDF流动诱导结晶行为的影响。发现质量分数5%的PMMA在不降低PVDF结晶度的前提下,即可协助流动场诱导生成取向β和γ晶,并将极性相含量从纯PVDF的50%提高到82%。
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