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研究生: 林冠宇
Lin, Guan-Yu
論文名稱: 在側鏈不對稱中心影響下之聚(S)-4-甲基-1-己烯分子相變化及結晶成長特性
Influence of Lateral Chiral Center on Phase Transformation and Crystal Growth Behavior of Poly((S)-4-methyl-1-hexene)
指導教授: 阮至正
Ruan, Jr-Jeng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 68
中文關鍵詞: 單晶螺旋構形結晶成長中間相六方柱狀堆積結構介穩態相變化不對稱中心聚(S)-4-甲基-1-己烯
外文關鍵詞: hexagonal columnar packing, helical conformation, mesophase, metastable state, phase transformation, chiral center, crystal growth, single crystal, P(S)4MH, poly((S)-4-methyl-1-hexene)
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  • 聚(S)-4-甲基-1-己烯(poly((S)-4-methyl-1-hexene),P(S)4MH) 為一側鏈具有不對稱中心的聚烯烴分子。這個不對稱中心的存在,限制了主鏈螺旋構形(helical conformation)的轉換。這個螺旋構形轉換的限制(conformational rigidity),將使得此分子於熔融態(melt state)中,採取特定的左手螺旋構形,並讓系統具有光學活性(optically active polyolefin)。熱分析實驗指出,P(S)4MH分子可在結晶相與熔融態之間,形成一穩定的中間相,表現出雙變型相變化行為(enantiotropic behavior)。所獲得的電子與X-ray繞射進一步證實,此中間相為分子鏈以六方柱狀堆積所形成(hexagonal columnar phase),而低溫的結晶相則具有正交晶系的結晶結構(tetragonal structure)。
    但結晶度的增加,將使得系統的光學活性降低。因此推論結晶相的成長,將牽涉到分子螺旋構形的轉變。對於結晶相內分子排列結構的分析亦指出,分子將分別以採左手螺旋與右手螺旋構形,來進行規則排列。以偏光顯微鏡觀察雙折射現象(birefringence)於降溫過程的變化,可知中間相轉變至結晶相,將經歷一類似熔融-再結晶(melt-recrystallization process)的過程。然而在較緩慢的降溫過程中,所獲得的電子繞射圖譜則指出,結晶成長所牽涉的分子排列方式轉變,會依循類似固-固相轉變的機制(solid-solid transition)進行。基於這樣的實驗觀察,可以推論P(S)4MH分子的相變化或排列方式的轉變,會隨著轉變速率的不同,而以不同的機制進行。
    在經歷多次結晶成長與局部溶解(partial melting)的過程後,可於薄膜中得到P(S)4MH分子之方形正立單晶(flat-on single crystal)。一般高分子以鏈摺疊方式進行二維層晶成長,會於單晶中發展出具有不同分子鏈摺疊方向的晶區(growth sectors)。然而P(S)4MH分子所形成的方形單晶,並沒有呈現不同的晶區。所以P(S)4MH分子是否以鏈摺疊(chain folding)的方式進行結晶成長,成為一個值得進一步瞭解的議題。
    電子顯微鏡的觀察指出,緩慢升溫過程中的單晶局部溶解,傾向自晶區中心處開始,沿著{100}晶面發生。而分子於局部溶解後的重新排列,亦依循著特定的方向。然而,隨著局部熔融的速率不同,P(S)4MH分子的層晶重組行為(lamellar reorganization),受到中間相的影響也不同。實驗觀察發現一開始較不穩定的結晶區,可在較快的升溫熔融過程,完全轉變至中間相。由於在尚未抵達結晶熔融溫度前,中間相為一介穩態,結晶相的晶核可以於中間相的區域中再度形成,並發展成較穩定的結晶相。

    Poly((S)-4-methyl-1-hexene)(Ps4MH) is one of the Polyolefins that bear a chiral side chain (typically an isobutyl group) on repeat unit. This kind of polymers experience a so-called macromolecular amplification of chirality: the chiral side-chain induces a slight preference for either tg or tg- main chain conformation. This slight conformational bias is amplified cooperatively along the chain, and results in preferred chirality of the main chain helical conformations. This conformational preference enhances the rigidity of main chain, as a result, this polymer displays a mesophase and optical activity both in solution and, in the melt. For the crystalline phase, however, it develops an anti-chiral type of molecular packing, which means both right-handed and left-handed helices are included. In this case, the preferred left-handed helical conformation in the melt needs to be reversed for crystal growth of Ps4MH, which should come with a free-energy penalty. But for the racemic blend of Ps4MH and Pr4MH, both left-handed and right-handed helices are present in the melt.

    Therefore depends on whether the reversal of helical conformation is needed or not for the crystal growth, molecular packing within mesophase can be a stable state after crystal melting, or simply a metastable transient phase on the way to crystallization. Not only the existence of mesophase, the nucleation barrier and stability of crystallization will be influenced also if the conformational reversal is needed. Through in-situ small-angle and wide-angle X-ray scattering as well as electron diffraction pattern, the mesophase can be identified as a hexagonal columnar phase. According to the literature, the crystal phase has tetragonal structure.

    The transition behavior between mesophase to crystal phase is found to severely depend on the transition rate. During slow cooling process, the structural consequences can be recognized by obtained electron diffraction pattern, that is usually only found for solid-solid transition. But with slightly faster transition rate, according to the observation by polarized microscope, the transition takes place in a different way. Further revealed by the observation under transmission electron microscope, changing the degree of partial melting of grown single crystal will result in different reorganization processes and final morphologies.

    目錄 摘要 I Abstract III 誌謝 IV 目錄 VI 圖目錄 VIII 一、緒論 1 1-1、前言 1 1-2、研究動機與目的 1 二、文獻回顧 3 2-1、介穩態(metastable state)的形成 3 2-2、雙變型(enantiotropic)相變化行為與單變型(monotropic)相變化行為 3 2-3、相變化對層晶(lamellae)重組行為的影響 7 2-3-1、在中間相影響下之層晶增厚行為 7 2-3-1-1、六方柱狀堆積結構(hexagonal columnar packing)的成長習性 7 2-3-1-2、相變化對層晶增厚的影響 12 2-3-2、相變化前分子鏈有序排列對相變化後分子鏈有序排列的影響 15 2-3-2-1、結晶相分子鏈有序排列對中間相分子鏈有序排列的影響 15 2-3-2-2、中間相分子鏈有序排列對結晶相分子鏈有序排列的影響 17 2-3-3、層晶增厚對分子排列穩定性的改變 19 2-4、P(S)4MH之光學特性 21 2-4-1、光學對掌性與莫耳光學活性 21 2-4-2、P(S)4MH不具光學活性的堆積結構(antichiral packing) 24 三、材料與實驗方法 28 3-1、材料 28 3-2、實驗方法 28 3-2-1、熱分析實驗 28 3-2-2、廣角與小角X-ray散射分析實驗 28 3-2-3、偏光雙折射現象分析實驗 29 3-2-4、穿透式電子顯微鏡分析與電子繞射分析實驗 29 3-2-5、單晶樣品表面形貌分析實驗 31 四、結果與討論 32 4-1、P(S)4MH之相變化行為與相穩定性 32 4-1-1、P(S)4MH之結晶相與中間相 32 4-1-2、P(S)4MH之雙變型(enantiotropic)相變化行為 38 4-1-3、P(S)4MH之相變化行為和構形轉換的關係 42 4-1-4、P(S)4MH之結晶相與中間相之間的相轉變行為 46 4-2、P(S)4MH之結晶成長與重組 54 4-2-1、P(S)4MH之結晶形態 54 4-2-2、P(S)4MH單晶於恆溫過程中的局部溶解與再結晶 57 4-2-3、P(S)4MH單晶於升溫過程中的重組行為 60 五、結論 65 A、中間相為六方柱狀堆積結構(hexagonal columnar phase) 65 B、中間相可以熱力學較穩定態存在 65 C、相變化過程牽涉了分子螺旋構形的轉換 65 D、相轉變機制與降溫速率有關 66 E、結晶前分子有序排列可能影響結晶成長行為 66 六、參考文獻 67 圖目錄 圖2-1、奧斯特沃定律(Ostwald’s law)所描述之介穩態(metastable state)形成機制示意圖。能障(ΔG*)的存在導致分子無法以熱力學上最穩定之平衡態形式存在,而暫時形成介穩態。[1] 5 圖2-2、雙變型相變化行為之自由能對溫度以及熱分析曲線示意圖。在升溫過程中,雙變型行為之分子其高溫相具有熱力學定義穩定存在之溫度範圍。修改自文獻[2]。 6 圖2-3、單變型相變化行為之自由能對溫度以及熱分析曲線示意圖。單變型行為之分子其高溫相不具有熱力學定義穩定存在之溫度範圍。修改自文獻[2]。 6 圖2-4、將PBD自熔融態降至中間相熔點之下(低過冷度,ΔT ~ 7 ℃)持溫一段時間後,快速冷卻至室溫製成樣品之電子顯微鏡分析影像。比例尺 = 0.5 μm。[6] 9 圖2-5、將PBD自熔融態降至128 ℃(中過冷度,ΔT ~ 17 ℃)持溫5分鐘後,快速冷卻至室溫製成樣品之電子顯微鏡分析影像。比例尺= 0.3 μm。[6] 9 圖2-6、將PBD自熔融態降至128 ℃ (中過冷度,ΔT ~ 17 ℃)持溫120分鐘後,快速冷卻至室溫製成樣品之電子顯微鏡分析影像。比例尺= 0.3 μm。[6] 10 圖2-7、將PBD自熔融態降至中間相熔點之下(中過冷度,ΔT ~ 17 ℃),分別持溫不同的時間後,快速冷卻至室溫製成樣品。利用電子顯微鏡獲得影像,估算側立層晶厚度,並統計其與持溫時間的關係作圖。修改自文獻[6]。 10 圖2-8、PBD溶液成長之樣品以及於82 ℃持溫一段時間後快速降至室溫之熱分析曲線。分析結果顯示,82 ℃的持溫發生了結晶相的增厚行為,進而提高了結晶相熔點溫度。因此在後續的升溫過程中,可以觀察到78.5 ℃的結晶相熔融峰。修改自文獻[6]。 11 圖2-9、以原子力顯微鏡分析於28 ℃溶液中成長之PDPS單晶。(圖的大小13*13 μm2)。[8] 13 圖2-10、PDPS單晶升溫至52 ℃時,原子力顯微鏡所觀察到之局部增厚情形。(圖的大小13*13 μm2)。圖中之亮區,表示高度較高的區域。結果顯示,增厚現象傾向發生於單晶邊緣處。[8] 13 圖2-11、PDPS單晶之厚度分佈,隨著溫度增加而變化的統計分佈圖。分析結果顯示,隨著溫度上升,單晶部份區域發生增厚現象之外,同時還可觀察到因分子鏈移動及補充行為,造成部份區域塌陷而產生之8 nm峰值。[8] 14 圖2-12、在升溫過程當中,由PDPS結晶相轉變至中間相初期,所觀察到的電子繞射圖譜。[8] 16 圖2-13、在升溫過程當中,PDPS結晶相完全轉變至中間相後,所觀察到的電子繞射圖譜。[8] 16 圖2-14、以電子顯微鏡觀察聚乙烯分子於高溫高壓下,由六方晶系堆積結構之中間相,轉變為結晶相的形態。圖中可見於原本中間相之圓形區域中,以特定方向進行的結晶成長。[10] 18 圖2-15、PBD結晶相在68 ℃持溫之同步輻射分析。分析結果顯示,在68 ℃持溫8分鐘後,PBD分子之單斜晶系結晶相結構再度出現。修改自文獻[6]。 20 圖2-16、PBD結晶相在68 ℃持溫之熱分析實驗。分析結果顯示,由於68 ℃持溫導致結晶相增厚,故可在接續的升溫過程中觀察到74 ℃的結晶熔解峰。修改自文獻[6]。 20 圖2-17、光學對掌性判斷法則示意圖。黑色原子之原子量最小,以此原子與不對稱碳之鍵結方向為軸,順時針遵守左手定則,屬於S型;逆時針遵守右手定則,屬於R型。 22 圖2-18、相位與振幅均相同的左圓偏振光與右圓偏振光疊合成一平面偏振光之示意圖。EL為左圓偏振光強度、ER為右圓偏振光強度。 22 圖2-19、相位與振幅均不同的左圓偏振光與右圓偏振光疊合成一偏轉α角的橢圓偏振光之示意圖。EL為左圓偏振光強度、ER為右圓偏振光強度、α為旋光度。 23 圖2-20、偏振光穿透溶液樣品示意圖。I0為入射強度、I1為穿透強度、l為樣品厚度、c為溶液樣品濃度、α為旋光度。 23 圖2-21、P(S)4MH之左手螺旋構形示意圖。 25 圖2-22、P(S)4MH的主鏈結構示意圖。圖中O型符號代表主鏈上的碳原子,右側單體放大圖中的紅色米字號代表不對稱碳原子。 25 圖2-23、P(S)4MH分子結晶相之廣角X-ray繞射圖譜。經模擬計算可推論出結晶相之晶體結構應屬於P1空間群(space group)之類似正方晶系(pseudotetragonal)堆積結構。[11] 26 圖2-24、P(S)4MH的莫耳光學活性與其結晶度呈現負相關。說明其結晶相可能同時具有左手螺旋構形,以及右手螺旋構形之分子鏈。[11] 26 圖2-25、P(S)4MH不具光學活性的堆積結構(antichiral packing)示意圖。結晶相中同時具有左手螺旋構形以及右手螺旋構形之分子鏈。 27 圖3-1、P(S)4MH分子之單晶分析實驗流程說明。 30 圖4-1、P(S)4MH之熱分析曲線圖。於升溫以及降溫過程中分別顯示中間相與結晶相之吸熱峰與放熱峰,屬於雙變型相變化行為。 35 圖4-2、一系列不同降溫速率之熱分析曲線圖。不同曲線的降溫速率於左上圖表中說明。分析結果顯示,高溫相形成之放熱峰,並不隨著降溫速率的增加而有明顯的變化。 35 圖4-3、將P(S)4MH薄膜樣品升溫至205 ℃持溫一段時間並快速降溫後,其樣品之電子繞射圖譜。說明其高溫相之有序排列結構為六方晶系堆積結構。 36 圖4-4、P(S)4MH之中間相廣角X-ray繞射圖譜。由於兩個繞射峰之比例約為1:2,且於同步之小角X-ray繞射分析中,並無發現繞射峰值,這說明了中間相並不具有層狀結構。 36 圖4-5、六方柱狀堆積結構以及正方晶系堆積結構示意圖。 37 圖4-6、於室溫25 ℃得到之P(S)4MH結晶相的廣角X-ray繞射圖譜。與文獻結果相符。 37 圖4-7、P(S)4MH於160 ℃持溫五小時後再度升溫的熱分析曲線圖。分析結果顯示,由於P(S)4MH分子在160 ℃持溫過程中,由中間相轉變為結晶相,使我們能夠在接續的熱分析實驗中觀察到結晶相的熔解吸熱峰。 40 圖4-8、P(S)4MH之自由能對溫度的相穩定示意圖。於160 ℃的持溫過程中,分子鏈將累積足夠的動能,克服成核的自由能障礙,而自介穩態之中間相轉變為穩定態之結晶相。 41 圖4-9、r-P4MH(Racemic blend)之熱分析曲線圖。於升溫以及降溫過程中分別顯示結晶相之吸熱峰與放熱峰,中間相並不存在。 44 圖4-10、P(S)4MH與r-P4MH之自由能對溫度曲線比較示意圖。由於r-P4MH具有左手及右手螺旋構形分子,因此不須進行分子鏈構形的轉換而增加自由能。所以相較於P(S)4MH分子的結晶,r-P4MH分子形成的結晶,雖具有相同的排列結構,但卻有較低的自由能階,以致於中間相不復存在。 45 圖4-11、P(S)4MH薄膜樣品自中間相以0.1 ℃/min的速率降至結晶相生成溫度後,快速降至室溫之電子顯微鏡分析影像。 49 圖4-12、對應圖4-11之影像的選區電子繞射圖譜。 49 圖4-13、P(S)4MH由中間相誘發之結晶相成長機制示意圖。於極緩慢的降溫過程中,結晶相將在中間相的分子排列影響下,進行特定方向之成核與結晶成長。 50 圖4-14、P(S)4MH薄膜樣品自熔融態以約2 ℃/min的速度降至室溫並再度升溫,一系列溫度點之偏光影像。於升溫與降溫過程中,可以分別觀察到雙折射現象短暫消失,又再度出現的行為。 51 圖4-15、P(S)4MH樣品於~ 2 ℃/min的速率,同步(in-situ)觀察之廣角X-ray繞射分析。該文獻結果顯示,於升降溫過程中,中間相之分子鏈有序排列並未完全消失。[14] 52 圖4-16、降溫速率對成核數量的影響之示意圖。這說明於降溫過程中,隨著降溫速率的增加,結晶相的成核數量也增加。同時,右手螺旋構形分子的加入,使得晶界面績增加,並且造成分子有序排列程度降低,雙折射現象因而暫時消失。 52 圖4-17、於降溫過程中之分子鏈自由能狀態示意圖。當溫度由熔融態之無規則排列狀態降至中間相熔點以下時,因形成中間相的有序排列而使系統自由能降低。結晶於更低的溫度成長時,由於結晶相成核牽涉自由能較高的右手螺旋構形分子的加入,導致系統自由能暫時上升,最後隨著結晶有序排列的發展,使得系統自由能再度下降。 53 圖4-18、電子顯微鏡照片顯示P(S)4MH之正立單晶。單晶中央具有一電子密度較高的區域,由圖可知,單晶的成長,不會形成具有不同鏈摺疊方向之晶區(lamellar growth sector)。 55 圖4-19、P(S)4MH分子正立單晶之電子繞射圖譜。分析結果顯示,單晶之晶格結構為正方晶系堆積,晶格常數為,a = b = 19.75 。 55 圖4-20、以原子力顯微鏡分析P(S)4MH正立單晶之表面高度分析圖。分析結果顯示,單晶約為25 nm厚,其中央區域較單晶表面約高出16 nm。 56 圖4-21、P(S)4MH之側立層晶的電子顯微鏡分析影像。於樣品不同區域可觀察到無一定成長方向的側立層晶。 56 圖4-22、於恆溫過程中,不同區域之薄膜樣品電子顯微鏡影像。可以普遍觀察到,平行成長於正立單晶之{100}晶面的側立層晶。 58 圖4-23、正立單晶誘發之規則排列的側立層狀結晶電子顯微鏡分析影像。可發現側立層晶的成長平行於正立單晶之{100}晶面,以及發展自單晶的中心與邊緣處的趨勢。 58 圖4-24、結晶相晶格中左手與右手螺旋分子之排列示意圖。在(100)晶面上具有最大密度的右手螺旋構形分子。 59 圖4-25、對應於圖4-24之電子顯微鏡影像。 59 圖4-26、正立單晶緩慢升溫後轉變為六方排列形態之電子顯微鏡分析影像。 62 圖4-27、正立單晶於緩慢升溫過程中,相變化造成之形態變化機制示意圖。利用具有特定方向性之側立層晶定位,進而推論正方晶與六方晶的演變過程。 63 圖4-28、樣品於5 ℃/min的升溫過程中,可以觀察到,原本的單晶結構已大致消失,取而代之的是,許多細小的側立層晶形態之電子顯微鏡影像。 63 圖4-29、在較大規模的熔解-再結晶行為發生時,由中間相誘發之特定夾角側立層晶的電子顯微鏡分析影像。 64 圖4-30、側立層狀結晶之夾角統計分佈圖。其夾角角度分佈於127  ~ 150 之間,平均夾角約為133 o。 64

    六、參考文獻

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    下載圖示 校內:2011-07-24公開
    校外:2011-07-24公開
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