J. Appl. Phys.：聚左旋乳酸压电薄膜分子链构象随外加电场转变的红外光谱学研究

【引言】

聚左旋乳酸（PLLA）具有可生物降解、无毒性、相对较高的剪切压电系数等特性，吸引了大量科学工作者的关注，基于它的这些特性，人们相继发现了一些相关的应用，例如：药物载体、创伤修复、骨骼愈合等等。

近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的任凯亮课题组的杜新宇助理研究员、赵春林博士生和张锦锡博士后等研究人员人首次在电场下使用红外光谱分析研究了聚左旋乳酸压电聚合物的链转变。

红外检测的实验装置原理图

测试中在PLLA薄膜上施加持续的DC（直流）电场。其中PLLA薄膜分别在与其d14和d31剪切模量的拉伸方向成0°和45°的方向剪切而成，图中导电氧化铟作为电极材料分别在PLLA薄膜的上下面上，其厚度在70-100nm，由于氧化铟较薄，所以其在红外光谱中没有显著的IR吸收带。

DSC热分析图谱 

PLLA薄膜的加热或冷却速率为10℃/min，该DSC测试中可看出，PLLA薄膜的冷结晶温度为103℃左右，其热焓变∆Hm可通过公式计算得到：其中∆Hc=93.3J/g，其结晶度为62.5%。

PLLA上电荷密度与压力的关系

通过求斜率可以得到PLLA的压电系数d₁₄为10.2pC/N。

PLLA薄膜的偏振红外光光谱

图示为相对于拉伸方向的垂直（虚线）和平行（实线）方向上的偏振入射光在800-1000cm^-1范围内的偏振红外光光谱。其中垂直方向偏振光谱（虚线）表明在923cm^-1和912cm^-1的位置上分别为PLLA的α和β构型。

d₁₄模量下的PLLA薄膜在0-100 MV/m的电场下的FTIR光谱

（a）d₁₄模量下的PLLA薄膜在0-100 MV/m的电场下的FTIR光谱。该PLLA薄膜是沿着拉伸薄膜的长边45〫角的方向剪切的。实线从下往上分别代表：0，20，40，60，80和100MV/m的电场强度。ν和r分别代表拉伸和摇摆振动模式。s和as分别代表对称和非对称。

（b）以d₁₄模式下的PLLA薄膜特征红外谱带吸收强度的变化vs电场强度作图。I_E和I₀代表的是在电场为E和0时的情况。

在d₃₁模量下的PLLA薄膜在电场下的FTIR吸收图谱

其中PLLA薄膜为沿着薄膜的长度方向剪切。FTIR图谱表明：在电场下PLLA薄膜上的C=O官能团吸收强度有明显的变化，这是由于在电场下C=O的旋转造成的。

【小结】

经研究发现，拉伸成型的α型PLLA的压电剪切模量系数d14(~10 pC/N)主要来自于聚合物主链中的C=O双键偶极矩旋转。而该偶极钜的旋转导致其晶体结构变形，这与PLLA薄膜沿宏上沿其高分子主链45°方向上的剪切应力相一致，从而发现了了晶体结构变形的实质。当外部电场达到100MV/m时，PLLA的骨干分子链依然可以保持自己10 ³的螺旋。相关论文发表在相关论文发表在Journal of Applied Physics 上(DOI：10.1063/1.4965716)

文献链接：Study of field-induced chain conformation transformation in poly(L-lactic acid) basedpiezoelectric film by infrared spectroscopy

本文由材料人电子电工学术组王小瘦供稿，材料牛整理编辑，感谢任凯亮老师对新闻稿的校对指导。

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