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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(jié)晶及其在“定構(gòu)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(jié)晶問題是指導高分子成型加工的基礎(chǔ)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(jié)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(jié)晶這一方向的高通量在線研究,并將壓力場下流動誘導結(jié)晶的研究成果推廣應用于高分子材料的定構(gòu)加工實現(xiàn)了高分子制品微觀結(jié)構(gòu)及宏觀性能的定制化加工,即通過加工外場調(diào)控制備具有特定結(jié)晶結(jié)構(gòu)形態(tài)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(fā)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(jié)晶性高分子。結(jié)晶性高分子從材料到制品,必須經(jīng)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(jié)晶結(jié)構(gòu)和形態(tài),進而影響著制品的宏觀性能(圖1)。因此,加工過程高分子結(jié)晶問題是高分子材料工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學問題。 


圖1. 論文的摘要圖


  加工過程中高分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)形態(tài)的演變通常都是發(fā)生在復雜、非均質(zhì)、多加工外場耦合作用下,如注塑成型中,高分子結(jié)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102 MPa)的影響。同時,高分子因其長鏈的特征(松弛時間較長),結(jié)晶動力學、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和形態(tài)都十分容易受加工外場的影響,進而形成復雜的多層次結(jié)構(gòu)。盡管,目前針對單一加工外場下高分子結(jié)晶,如非等溫結(jié)晶、流動場誘導結(jié)晶、壓力場下高分子結(jié)晶有了較為深入的理解。但加工外場共同作用下高分子結(jié)晶研究仍處于起步階段,通過加工過程控制獲得特定結(jié)晶結(jié)構(gòu)和形態(tài),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(tǒng),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(fā)了高通量的研究裝置,并在此基礎(chǔ)上進一步研發(fā)了結(jié)合同步輻射光源的工業(yè)化注塑在線研究裝置,通過新設(shè)備的搭建,實現(xiàn)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(jié)晶行為,揭示了加工外場共同作用下高分子的結(jié)晶動力學、多晶相體系的晶相相圖,發(fā)現(xiàn)了新的結(jié)晶形態(tài);并探究了相關(guān)研究成果在高分子加工中的應用(圖2)。 


圖2. 結(jié)晶性高分子從材料到制品的傳統(tǒng)加工和“定構(gòu)加工”路徑,以及高分子“定構(gòu)加工”所涉及的基礎(chǔ)理論知識


  本論文是對近些年壓力場下流動誘導結(jié)晶研究成果及其應用案例的總結(jié),論文首先介紹了壓力場下流動場誘導結(jié)晶的最新進展,從加工外場耦合作用裝置出發(fā),分別闡述了壓力場下流動誘導結(jié)晶的結(jié)晶動力學、多晶相體系相圖、結(jié)晶形態(tài)。隨后介紹了利用在線表征技術(shù)研究高分子加工過程中的壓力場下流動誘導結(jié)晶,歸納了超聲、光學和X射線散射表征技術(shù)在高分子加工中的應用。論文還進一步總結(jié)了一些壓力場下流動誘導結(jié)晶基礎(chǔ)理論在高分子注塑成型中的應用實例,先介紹了實現(xiàn)高分子“定構(gòu)加工”的先進設(shè)備,然后闡述了通過加工外場調(diào)控實現(xiàn)晶體取向和結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)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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