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  雙軸應變誘導結晶在輪胎受壓鼓脹時為側面膠主要成分天然橡膠帶來優異的應變硬化性能。與單軸應變相似，雙軸應變的每條高分子鏈主要在兩個鏈端發生拉伸變形，主要不同的地方在于雙軸應變的近鄰分子鏈彼此交錯取向，如圖1所示。聚合物單軸應變誘導結晶已經獲得了系統研究進展（JPCB 2023, 127, 822），雙軸應變誘導結晶的特殊性值得進一步研究。

圖1：雙軸拉伸的高分子鏈發生相鄰交錯取向示意圖。

  在國家自然科學基金委的項目支持下，南京大學胡文兵課題組采用動態蒙特卡洛分子模擬平行對照單軸應變誘導結晶行為，研究了對稱和不對稱兩種典型雙軸應變誘導聚合物結晶的微觀機理，如圖2所示。三種模擬體系平行條件下發生應變誘導結晶的分子模擬結果，揭示出一系列溫度下的結晶起始應變三者差不多，雙軸應變相對于單軸應變只帶來很小的結晶熱力學差別；而結晶動力學和結晶形態學差別顯著。如圖3所示，在應變誘導結晶過程中，雙軸應變的交錯取向顯著推遲結晶度的演化并抑制最終結晶度。如圖4所示，雙軸應變誘導結晶的晶粒也明顯變得更加細小和碎片化。不對稱雙軸應變在中間溫度和中等應變時可觀察到片晶之間出現明顯的非晶間距，說明雙軸應變的近鄰交錯取向類似于片晶間的鏈纏結那樣抑制了片晶的增厚。

圖2：單軸（左側圖）和雙軸（右側圖，兩種拉伸比）應變誘導結晶的分子模擬示意圖。箭頭上方數字為拉伸形變率。

圖3：三種應變誘導結晶體系在一系列溫度下相同應變速率的結晶度-X應變曲線。

圖4：三種應變誘導結晶的形態特點比較。快照攝取于中間應變和最終應變，展示對稱雙軸應變誘導結晶產生較為細小的碎晶粒。

  這項工作揭示了聚合物雙軸拉伸主要給應變誘導結晶帶來動力學效應，使得結晶過程變慢，結晶度被抑制，片晶厚度和晶粒尺寸均變小，小晶粒數目變多。較小的晶粒尺寸降低了晶區的熱力學穩定性，而更多的晶粒則帶來更高的物理交聯密度，二者分別有利于天然橡膠在輪胎服役條件下的可逆熱循環和應變硬化性能。相關成果發表在Polymer（2024, 300, 126983）。論文的第一作者是羅文博士。進一步引入應力松弛，分子模擬可拓展到雙軸拉伸薄膜成型的微觀機制研究，將發表于下一篇論文中。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.126983

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