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熔化聚合物上的X射线光

来自莫斯科物理科学与技术学院(MIPT)和罗蒙诺索夫莫斯科国立大学的物理学家将热分析和X射线散射相结合 - 这是研究晶体结构的两种技术 - 在一个实验装置中研究半结晶聚合物。每年生产超过1亿吨这样的聚合物以制造织物,包装材料,神经修复术等。深入了解这些材料的结构和行为对于合成和加工即使在极端条件下和特殊应用中也不会失效的聚合物是必要的。研究结果发表在ACS Macro Letters上,并刊登在期刊的封面上。

通过观察材料在温度变化时的表现,可以确定其热容量和其他一些热性能。这一原则是热分析的基础,热分析是一套用于材料研究的主要技术。作者发现,当应用于半结晶聚合物时,热分析可能会产生错误的结果。为了找到并纠正表征材料的数据中的缺陷,物理学家改进了热量计的设计 - 热分析实验中的主要设备 - 以及沿途制作样品的X射线图像。

热分析实验存在这样的风险:被研究样品的结构在被加热时会不受控制地发生变化。如果发生这种情况,调查结果本身将适用于原始材料的一些不受控制的修改。对于半结晶聚合物尤其如此,其亚稳结构不仅对温度敏感,而且还取决于样品的热历史。

半结晶聚合物(图1)的结构是特殊的,因为长聚合物链部分地以规则的折叠排列,称为结晶薄片,而在其他地方,在所谓的无定形区域中,它不可预测地蜿蜒。随着温度的变化,这种结构可以以复杂的方式运行。特别是,该材料可以表现出多个熔化事件而不仅仅是一个。然而,这不一定表示复杂的热力学行为,因为该效果也可以通过在分析过程中发展的聚合物结构来解释。这使人们对早期热分析实验的结果产生怀疑,因为它们并未排除聚合物结构演变的可能性。

研究人员找到了消除这种不确定性的方法。他们提出了一个研究半结晶聚合物的实验装置,该装置结合了热和X射线分析。结果表明,关键参数是加热速率:为了防止样品在实验过程中发生结构变化,温度需要比聚合物结构重组更快地发生变化。值得注意的是,临界加热速率取决于聚合物结晶的温度。

该论文的共同作者Dimitri Ivanov教授是MIPT功能有机和混合材料实验室的负责人,也是法国国家科学研究中心的研究主任,评论了研究结果:“我们证明了研究结果使用这种方法[热分析]可能会产生误导,因为它们取决于实验条件。为了不陷入这个陷阱,热分析需要补充X射线散射等技术。“

其中,研究人员研究了一种称为聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)的聚合物,在150摄氏度下结晶。他们发现,当以每秒500度或更快的速度加热时,聚合物结构没有足够的时间来改变。然而,在每秒1度的相对低的加热速率下,情况并非如此。

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