Macromolecules: AFM-IR研究高抗冲聚丙烯的微相结构和组成

聚丙烯（PP）是石油化工产业重要的下游产品，不仅具有较高的拉伸强度、良好的耐热性、化学稳定性和加工性能，而且无毒、可回收利用、价格低廉，是目前产量最高、应用最广泛的高分子材料之一。为了解决其抗冲击性能较差的问题，人们在PP聚合反应器中原位合成增韧成份（一般为乙烯-丙烯共聚物），形成称为高抗冲聚丙烯（HIPP）的釜内合金，具有均衡的刚性和抗冲击性，已经在许多领域得到广泛应用。

HIPP具有的优良性能源于其复杂的组成和相结构。这类合金中除了PP均聚物之外还有乙丙无规共聚物（又称乙丙橡胶，EPR）及不同序列长度的乙丙嵌段共聚物（EbP），其含量、化学组成、链结构和分子量取决于聚合反应条件，另外还可能有少量的乙烯均聚物（PE）。这些组分在熔融加工或者溶液浇铸成膜时会发生相分离和相重组，并形成多重的“核-壳”粒子结构，尺寸大约为几百纳米到几个微米。利用传统的TEM、SEM、AFM等分析手段，人们已经弄清了这些橡胶粒子的形貌，但是其相区组成和内部结构仍然有待探索，而这是确定HIPP结构与性能关系的关键。

中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室苏朝晖研究员领导的研究小组利用原子力红外（AFM-IR）这种具有纳米尺度分辨力的结构组成分析的新手段，结合其他传统方法对HIPP体系开展研究。他们首先建立了AFM-IR光谱分析微区组成的定量方法（Anal. Chem. 2016, 88, 4926），使复杂聚合物体系的纳米相区组成分析成为可能。这是纳米红外技术领域的一个突破性进展。随后他们应用这个方法研究了乙烯含量相同而力学性能不同的两个HIPP牌号样品，发现其中一个的硬核以PE为主，符合传统的HIPP结构模型，而另一个样品的硬核主要成分是PP，与现有的模型完全不同（Polymer 2018, 142, 155）。最近，他们与姬相玲研究员课题组合作，将AFM-IR原位分析得到的相区乙烯单体含量与传统分级分析方法得到的各共聚物组分的链结构信息相对照，首次确定了各种共聚物在不同相区的分布和含量，发现其中的EbP结构更对称的合金能够形成PP硬核，而且这种形貌结构兼具更好的刚性和韧性，与力学模型预期一致（Macromolecules 2020, 53, 2686）。上述系列工作主要利用布鲁克的AFM-IR和 纳米热学分析（nanoTA）技术，第一次建立了HIPP这个复杂聚烯烃体系微观链结构、介观相结构和宏观力学性能之间的关联，明确了特定相结构的形成机理，为开发性能更加优越的新一代HIPP材料提供了指导。

基于原子力显微镜（AFM）的红外光谱技术（AFM-IR），使用AFM探针对样品局部通过红外吸收产生的热膨胀信号进行检测。因此，AFM-IR技术不仅拥有AFM的空间分辨率，而且可以进行基于红外光谱的化学分析和成分分布成像。以多年行业领先的AFM-IR仪器研发制造为基础，融合最先进的独有技术，全新的Bruker Anasys nanoIR3系统集成了纳米尺度红外光谱技术、化学成像、材料性质成像等一系列功能，以其最高的性能在生命科学、化学和材料学领域有着广泛的应用。

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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.0c00328

布鲁克纳米红外简介：

https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/nanoscale-infrared-spectrometers.html