聚合物-粘土分散液的物理凝胶化动力学普适性研究

Physical gelation is the microscopic controlling mechanism of most biological dynamic process, and plays vital roles in smart materials development, microprocessing technology,and consumer product industries to name a few. Kinetic universality is found in phsical gelation process in different systems and chemical environment, where the structural dynamics is increasingly hindered as the crosslinking network grows. While various kinetics theories accounting the universality have been proposed, no consensus are formed. Experiments on physical gelation kinetics also face the lack of reproducibility and variable of the sample, and the limited time and length scale of the characterization methods. To meet this end, the proposed research implement the polymer-clay suspensions as the model experiment system, whose microscopic interaction and the macroscopic gelation kinetics can be reproducibly tuned. The structural dynamic transition during the physical gelation process will then monitored by dynamic light scattering and time resolved viscoelastic spectra technique, which together provide complete observation among a wide variety of polymer-clay suspensions. Taking the advantage of the the model system and the characterization technique, the universality in gelation kinetics will be extracted and theoretically supported. The outcome of the proposed research is highly promising for predicting and controlling physical gelation process in a wide range of research and industry applications.

物理凝胶化现象是生命运动的重要微观机制，也是智能材料、微成型技术和日用化工产口的关键生产工艺，把握物理凝胶化过程的共性规律对准确预测和控制研究和应用领域的物理凝胶化环节和工艺具有普遍应用价值。不同体系和化学环境的物理凝胶化过程具有动力学普适性，即体系微观结构的运动能力随凝胶化发展不断受限。目前对这一动力学普适性的原因和结构机理尚未形成统一的理论认识。实验研究面临实验体系可重复性差和动态观测手段时间尺度不足等困难。本项目采用聚合物-粘土分散液体系为模型实验体系，可重复地调控微观相互作用及宏观凝胶化过程，并采用动态光散射和时间分辨粘弹谱方法，在较宽的样品调控空间基础上研究物理凝胶化的动力学普适性。目标是探明微观相互作用势能对宏观凝胶化动力学的普适决定机理，为不同研究和应用领域的物理凝胶化动力学过程的预测和控制提供统一的理论基础。

胶体悬浮液的凝胶化过程是动态不断受限变慢的非平衡过程。对这一非平衡过程的结构和动态演变规律的研究是当前胶体物理研究的重点和难点。合成锂藻土分散液是研究这一问题的模型实验体系。本项目首先结合实验测量结果计算了锂藻土粒子表面双电层作用势和总作用势，特别是考虑了反离子凝聚效应。从计算得到的相互作用势出发，可以证实体系演变过程属于凝胶化过程，厘清了在这一问题上的已有争论，并成功地预测了实验观察到的凝胶化动力学反常温度依赖行为。其次，同时研究凝胶化动力学和动态性质的演变过程，本项目采用时间分辨粘弹谱流变观测技术，能够获得每个时刻下的动态性质“快照”，解决了观察时间内观测对象不断变化的问题。利用这一方法结合其他流变学手段，证实了不管是通过变化温度、盐浓度还是外加聚乙二醇的浓度来修饰粒子相互作用势，不同相互作用势体系凝胶化过程的动态演变符合一个普适的动态谱，而且遵循统一的动力学路径。对不同浓度的锂藻土分散液，均可调节其粒子相互作用势，得到相应的普适动态谱；比较不同浓度体系的普适谱，可发现从凝胶到玻璃行为的流变学反转现象。总之，本工作结合理论计算和时间分辨的流变学测量方法，从相互作用势、动力学到动态的演变过程等层面，给出了胶体体系凝胶化过程比较完整而相互关联的实验事实，为认识胶体凝胶化过程微观本质奠定了基础。