基于量子级联激光器中红外吸收检测系统的熔融与结晶行为研究

发布时间：2017-12-13 15:09

  本文关键词：基于量子级联激光器中红外吸收检测系统的熔融与结晶行为研究

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【摘要】：熔融和结晶作为工业制造过程中重要的热力学相转变,一直是材料科学的热门研究课题。随着研究体系的丰富和研究手段的发展,大量的理论和实验成果加深了对于相转变过程的理解和认识,但是仍然存在很多科学以及工业加工等方面的难题。近年来商业化量子级联激光器的出现,以其高亮度、宽调谐和窄线宽的特点,为这些难题的解决引入了新的视角。为了满足高分子材料加工中的中红外在线检测需求,研制了基于量子级联激光器的中红外吸收检测系统。检测系统可同时检测光、热、电三种信号,既可以追踪拉伸或者相转变过程中的构象变化,还能进行取向检测。时间分辨达到纳秒级别,远高于常规傅里叶红外光谱。同时,量子级联激光器光源波长基本覆盖了5.8-12 μm的中红外指纹区,使检测系统能够应用于大多数聚烯烃类高分子材料的构象和取向等结构变化检测。在中红外吸收检测系统的基础上发展了中红外共振吸收定点加热的方法学,并应用于二十烯的熔融再结晶行为研究。该方法学不仅可以对分子链上基团实现定点加热,还可以从泵浦光中获得结构变化信息。同时将熔融结晶过程的研究时间缩短至几十毫秒,远高于一般中红外光谱的时间分辨。泵浦的加热效果和二十烯的熔融行为与泵浦波数、泵浦时间和泵浦能量均相关。在这些实验的基础上还进一步研究了二十烯在熔融前的表面平滑现象。发现样品陈化时间、泵浦条件及样品起始温度均影响着泵浦探测实验中的表面平滑现象。除此之外,还对反式-1,4-聚异戊二烯热力学亚稳β相的记忆效应进行了研究,并以热力学稳定α相作为参考。实验结果表明亚稳β相反而拥有比稳定α相更强的记忆效应。β相反式-1,4-聚异戊二烯在100℃仍然表现出很强的记忆效应,也就是说记忆温度比对应的平衡熔点(78℃)高了 20℃。而对应的稳定α相反式-1,4-聚异戊二烯则在平衡熔点附近就失去熔体记忆。β相的记忆熔体还表现出更高的成核密度和更快的晶体生长速率。这些特殊的记忆现象与在之前介晶等规聚丙烯研究中观察到的现象类似,说明更高的记忆温度以及更快的结晶动力学可能是亚稳相记忆效应所共有的特征。亚稳β相记忆效应更强可能由于晶体和自由熔体的构象熵差值少,分子链松弛得更慢。除了对于科学研究的重要性,这种特殊的记忆效应还可以用来控制加工过程中不同晶型的空间位置,对于工业制造方面具有重要意义。总之,这些实验结果弥补了基于量子级联激光器的中红外透过光谱在研究快速熔融再结晶行为方面的空白,也为量子级联激光器的应用提供了更多可能。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN248

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