J. Appl. Phys.：聚左旋乳酸壓電薄膜分子鏈構象隨外加電場轉變的紅外光譜學研究

【引言】

聚左旋乳酸（PLLA）具有可生物降解、無毒性、相對較高的剪切壓電系數等特性，吸引了大量科學工作者的關注，基于它的這些特性，人們相繼發現了一些相關的應用，例如：藥物載體、創傷修復、骨骼愈合等等。

近期，中國科學院北京納米能源與系統研究所的任凱亮課題組的杜新宇助理研究員、趙春林博士生和張錦錫博士后等研究人員人首次在電場下使用紅外光譜分析研究了聚左旋乳酸壓電聚合物的鏈轉變。

紅外檢測的實驗裝置原理圖

測試中在PLLA薄膜上施加持續的DC（直流）電場。其中PLLA薄膜分別在與其d14和d31剪切模量的拉伸方向成0°和45°的方向剪切而成，圖中導電氧化銦作為電極材料分別在PLLA薄膜的上下面上，其厚度在70-100nm，由于氧化銦較薄，所以其在紅外光譜中沒有顯著的IR吸收帶。

DSC熱分析圖譜?

PLLA薄膜的加熱或冷卻速率為10℃/min，該DSC測試中可看出，PLLA薄膜的冷結晶溫度為103℃左右，其熱焓變?Hm可通過公式計算得到：其中?Hc=93.3J/g，其結晶度為62.5%。

PLLA上電荷密度與壓力的關系

通過求斜率可以得到PLLA的壓電系數d₁₄為10.2pC/N。

PLLA薄膜的偏振紅外光光譜

圖示為相對于拉伸方向的垂直（虛線）和平行（實線）方向上的偏振入射光在800-1000cm^-1范圍內的偏振紅外光光譜。其中垂直方向偏振光譜（虛線）表明在923cm^-1和912cm^-1的位置上分別為PLLA的α和β構型。

d₁₄模量下的PLLA薄膜在0-100 MV/m的電場下的FTIR光譜

（a）d₁₄模量下的PLLA薄膜在0-100 MV/m的電場下的FTIR光譜。該PLLA薄膜是沿著拉伸薄膜的長邊45?角的方向剪切的。實線從下往上分別代表：0，20，40，60，80和100MV/m的電場強度。ν和r分別代表拉伸和搖擺振動模式。s和as分別代表對稱和非對稱。

（b）以d₁₄模式下的PLLA薄膜特征紅外譜帶吸收強度的變化vs電場強度作圖。I_E和I₀代表的是在電場為E和0時的情況。

在d₃₁模量下的PLLA薄膜在電場下的FTIR吸收圖譜

其中PLLA薄膜為沿著薄膜的長度方向剪切。FTIR圖譜表明：在電場下PLLA薄膜上的C=O官能團吸收強度有明顯的變化，這是由于在電場下C=O的旋轉造成的。

【小結】

經研究發現，拉伸成型的α型PLLA的壓電剪切模量系數d14(~10 pC/N)主要來自于聚合物主鏈中的C=O雙鍵偶極矩旋轉。而該偶極鉅的旋轉導致其晶體結構變形，這與PLLA薄膜沿宏上沿其高分子主鏈45°方向上的剪切應力相一致，從而發現了了晶體結構變形的實質。當外部電場達到100MV/m時，PLLA的骨干分子鏈依然可以保持自己10^?3的螺旋。相關論文發表在相關論文發表在Journal of Applied Physics 上(DOI：10.1063/1.4965716)

文獻鏈接：Study of field-induced chain conformation transformation in poly(L-lactic acid) basedpiezoelectric film by infrared spectroscopy

本文由材料人電子電工學術組王小瘦供稿，材料牛整理編輯，感謝任凱亮老師對新聞稿的校對指導。

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