高剪切速率对PCL/RGO附生结晶行为影响的原位研究

doi:10.7503/cjcu20200493

摘要/Abstract

摘要：

以聚己内酯(PCL)/还原氧化石墨烯(RGO)复合材料为研究对象, 利用同步辐射小角X射线散射(SAXS)和广角X射线衍射(WAXD)原位分析了75 s^?1的高速率剪切作用前后的附生晶体结构演变及其对本体晶体形成的影响. 研究结果表明, 在剪切后降温160 s后, PCL分子链开始在RGO表面附生, 形成表面结晶层, 同时形成部分PCL本体晶体; 在200~480 s的等温结晶阶段, 大量PCL本体片晶生成并形成规整的周期结构. 较高的剪切速率使体系的黏度降低, 因此在较高的剪切温度下PCL分子链更容易由伸直链转变为无规线团, 不利于PCL分子链在RGO表面形成表面结晶层. 在剪切速率为75 s^?1时, 70 ℃的剪切温度更有利于PCL分子链在RGO表面附生形成表面结晶层.

关键词: 聚己内酯, 还原氧化石墨烯, 附生结晶, 高速率剪切场

Abstract:

Polycaprolactone（PCL）/reduced graphene oxide（RGO） composites were used as the research object to study the evolution of the epitaxial crystalline structure and the influence on the formation of bulk crystal at the shear rate of 75 s^?1 by in?situ small-angle X-ray scattering（SAXS） and wide-angle X-ray diffraction（WAXD） in this paper. The experimental results show that PCL molecular chains start to form epitaxial crystal layer on the RGO surface at 160 s after shear， and part of PCL bulk crystal is formed simultaneously. In the isothermal crystallization stage（200―480 s after shear）， a large number of PCL bulk crystals are formed， which promotes the formation of regular periodic structure. The PCL molecular chain is more likely to change from the extensional chain to the random coil at a higher shear temperature because of the reduced viscosity at 75 s^?1， which is not beneficial for PCL molecular chain to form surface crystal layer on RGO. The shear tempe-rature of 70 ℃ is more favorable for the formation of PCL epitaxial crystal layer on the RGO at shear rate of 75 s^?1.

Key words: Polycaprolactone, Reduced graphene oxide, Epitaxial crystallization, High rate shear field

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 10

Scheme 1 Schematic diagram of temperature and shear program in isothermal crystallization process

Fig.1 Typical tapping?mode AFM image of RGO sheetsThe inset shows the height of the RGO sheets.

Fig.2 Viscosities of PCL/RGO nanocomposites during shear at 75 s-1 with shear temperatures of 65, 70 and 75 ℃ and shear time of 100 s

Fig.3 In?situ SAXS patterns of PCL/RGO nanocomposites after shear at 75 s-1 with shear temperatures of 65, 70 and 75 ℃The flow direction is vertical and these 2D SAXS patterns were collected every other 40 s.

Fig.4 Lorentz corrected SAXS intensity profiles taken perpendicular to the shear direction at different time after shear at 75 s-1 with shear temperatures of 65 ℃(A), 70 ℃(B) and 75 ℃(C)Time after shear/s: a. 40; b. 80; c. 120; d. 160; e. 200; f. 240; g. 280; h. 320; i. 360; j. 400; k. 440; l. 480.

Fig.5 Lorentz corrected SAXS intensity profiles taken along the shear direction at different time after shear at 75 s-1 with shear temperatures of 65 ℃(A), 70 ℃(B) and 75 ℃(C)Time after shear/s: a. 40; b. 80; c. 120; d. 160; e. 200; f. 240; g. 280; h. 320; i. 360; j. 400; k. 440; l. 480.

Fig.6 Long period(A) and thickness of lamellae(B) of PCL/RGO nanocomposite isothermally crystallized at 30 ℃ after shear at 75 s-1

Fig.7 In?situ 2D?WAXD patterns of PCL/RGO nanocomposites after shear at 75 s-1 with shear temperatures of 65, 70 and 75 ℃The flow direction is vertical and 2D WAXD patterns were collected every other 40 s.

Fig.8 WAXD curves of PCL/RGO nanocomposites before shear and after shear at 75 s-1 with shear temperatures of 65 ℃(A), 70 ℃(B) and 75 ℃(C)Time after shear/s: a. 40; b. 80; c. 120; d. 160; e. 200; f. 240; g. 280; h. 320; i. 360; j. 400; k. 440; l. 480.

Fig.9 Crystallinity(A) and orientation degree of (110) plane(B) of PCL/RGO nanocomposite after shear at 75 s-1

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