西南大学张贻川、郭鸣明 Macromolecules：含界面反应的聚合物熔体动态润湿行为

2023-02-17 来源：高分子科技

润湿是自然界中普遍存在的自然现象（例如水滴在荷叶上的流动），同时也是工业应用中的重要过程（如粘接、喷涂和复合材料成型等）。因此，动态润湿从实验、计算机模拟、物理模型等方面得到广泛的研究。通常为了更好地理解润湿机理，人们普遍选择惰性的固液气体系。这样的选择，有利于排除一些复杂因素（如接触角滞后、界面吸附等）对润湿机理理解的干扰。然而在实际的工业应用中，人们往往需要固体与液体之间的产生界面化学反应（例如Sn/Cu焊接过程中金属互化物的产生、复合材料成型过程中聚合物和增强体之间的界面反应），从而提高最终产品的界面性能。目前人们对含界面化学反应的动态润湿（反应型动态润湿）的理解还相当有限。

西南大学张贻川副教授等考虑到马来酸酐(MA)基团容易与?OH发生化学反应，选用马来酸酐接枝聚丙烯（MA-g-PP）熔体作为研究对象，研究了其在玻璃基底上的动态润湿过程，并用分子运动理论（molecular-kinetic theory，MKT）分析了MA-g-PP熔体的动态润湿机理。图1a展示了MKT可以很好地描述MA-g-PP熔体动态接触角与接触线速度的依赖关系。与惰性熔融聚合物润湿体系（聚丙烯（PP）、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚丁烯（PB））相比，MA-g-PP体系的接触线摩擦与粘度呈现出一个非线性的依赖关系（图1b）。如图1c所示，作者通过运用MKT与线性MKT理论，将整个动态润湿过程分为三段：惯性区域（I），化学影响区域(II)和不受化学反应影响区域(III)。作者基于区域II和区域III接触线摩擦的值（如图1d），估算出界面化学反应所影响的接触线摩擦占总接触线摩擦的36?49%。

图1. MKT和线性MKT分析 MA-g-PP熔体动态润湿过程

此外，作者对比示意了界面化学反应对动态润湿过程的影响（图2a），新界面的产生以及分子链的缠结影响了接触线附近的三相区（TPZ）内分子链的运动（图2b，c）。不同于小分子体系接触线摩擦的能量耗散只发生在TPZ区域，作者提出了新的中间区域 “mesozone”，在该区域的分子链通过缠结影响TPZ区域内分子链的运动。基于自由旋转链模型，作者估算出mesozone的长度l_m约为42.8 nm。

图2. MA-g-PP熔体在区域II动态润湿示意图

上述研究工作近期以“Reactive Spreading Dynamics of Molten Polymer Liquids” 为题发表在《Macromolecules》上（Macromolecules 2023, 56, 1111?1121）。西南大学化学化工学院张贻川副教授为该论文第一作者兼通讯作者，郭鸣明教授为通讯作者，合作者包括比利时法语布鲁塞尔自由大学（ULB）Jo?l De Coninck教授和荷语鲁汶大学（KU Leuven）David Seveno教授。该工作得到了国家自然科学基金（No. 52103036）和中央高校基本科研业务费（No. SWU-KR22041）支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c02530

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（责任编辑：xu）

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