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川大塑料高性能化加工與裝備課題組 Macromolecules：壓力場下流動誘導高分子結晶及其在“定構加工”中的應用

2024-02-01 來源：高分子科技

加工外場（壓力場、流動場和溫度場）共同作用下高分子結晶問題是指導高分子成型加工的基礎科學問題。基于壓力場、流動場和溫度場共同作用下高分子結晶研究，四川大學塑料高性能化加工與裝備研究組開展了“壓力場下流動場誘導結晶”這一方向的高通量在線研究，并將壓力場下流動誘導結晶的研究成果推廣應用于高分子材料的“定構加工”，實現了高分子制品微觀結構及宏觀性能的定制化加工，即通過加工外場調控制備具有特定結晶結構形態及所需宏觀性能的高分子制品。近日，四川大學塑料高性能化加工與裝備課題組受邀在《Macromolecules》上發表題為《Flow-Induced Polymer Crystallization under Pressure and Its Engineering Application in “Structuring” Polymer Processing》的前瞻性論文。

全球每年消費超過4億噸的高分子材料，其中超過三分之二的為結晶性高分子。結晶性高分子從材料到制品，必須經過高分子加工，如擠出、注塑、吹膜等。這些加工過程除了賦予了高分子材料特定的外觀形狀，更為重要的是很大程度上決定著高分子制品的結晶結構和形態，進而影響著制品的宏觀性能（圖1）。因此，加工過程高分子結晶問題是高分子材料工程領域的基礎科學問題。

圖1. 論文的摘要圖

加工過程中高分子結晶結構形態的演變通常都是發生在復雜、非均質、多加工外場耦合作用下，如注塑成型中，高分子結晶不可避免地受到高降溫速率（10⁰?10² °C/s），強剪切（高達10⁴ s^?¹）和高壓力場（高達10²MPa）的影響。同時，高分子因其長鏈的特征（松弛時間較長），結晶動力學、結晶結構和形態都十分容易受加工外場的影響，進而形成復雜的多層次結構。盡管，目前針對單一加工外場下高分子結晶，如非等溫結晶、流動場誘導結晶、壓力場下高分子結晶有了較為深入的理解。但加工外場共同作用下高分子結晶研究仍處于起步階段，通過加工過程控制獲得特定結晶結構和形態，以及所需宏觀性能的制品仍是一個“黑箱”過程。針對這一難題，Yamagata University的Kiyohito Koyama教授改進了壓力-體積-溫度測量系統，Eindhoven University of Technology的Gerrit W.M. Peters教授課題組搭建了可施加流動場的膨脹計和狹縫流動裝置，四川大學塑料高性能化加工與裝備研究組開發了高通量的研究裝置，并在此基礎上進一步研發了結合同步輻射光源的工業化注塑在線研究裝置，通過新設備的搭建，實現了壓力場、流動場和溫度場的耦合作用和可控施加，研究了壓力場下流動場誘導結晶行為，揭示了加工外場共同作用下高分子的結晶動力學、多晶相體系的晶相相圖，發現了新的結晶形態；并探究了相關研究成果在高分子加工中的應用（圖2）。

圖2. 結晶性高分子從材料到制品的傳統加工和“定構加工”路徑，以及高分子“定構加工”所涉及的基礎理論知識

本論文是對近些年壓力場下流動誘導結晶研究成果及其應用案例的總結，論文首先介紹了壓力場下流動場誘導結晶的最新進展，從加工外場耦合作用裝置出發，分別闡述了壓力場下流動誘導結晶的結晶動力學、多晶相體系相圖、結晶形態。隨后介紹了利用在線表征技術研究高分子加工過程中的壓力場下流動誘導結晶，歸納了超聲、光學和X射線散射表征技術在高分子加工中的應用。論文還進一步總結了一些壓力場下流動誘導結晶基礎理論在高分子注塑成型中的應用實例，先介紹了實現高分子“定構加工”的先進設備，然后闡述了通過加工外場調控實現晶體取向和結晶結構的可控加工，進而獲得所需的宏觀性能。最后，論文探討了壓力場下流動誘導結晶未來的研究方向。

該論文作者為四川大學鐘淦基教授，西安交通大學楊書桂副教授，四川大學雷軍教授，通訊作者為四川大學李忠明教授，四川大學高分子科學與工程學院、高分子材料工程國家重點實驗室為本文的第一單位。該研究工作得到了國家自然科學基金委（52033005, 52173040, 52373022和52173225)，四川省科學技術廳基金項目（2022YFQ0065），四川大學基金項目（2022SCUH0039）的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01846

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（責任編輯：xu）

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