浙大潘鹏举教授课题组 Macromolecules：高分子立构复合晶在拉伸场下的结构演变与变形机制

2023-08-04 来源：高分子科技

高分子立体异构体（如手性异构体、等规/间规异构体）之间可形成立构复合晶，与通常的单独高分子的同质晶相比，立构复合晶具有更高的熔点和力学强度，立构复合结晶为高分子材料的高性能化提供了有效途径。潘鹏举课题组长期从事高分子立构复合结晶领域的研究，以左旋、右旋聚乳酸（PLA）等为模型体系，发现了立体异构高分子共混体系中立构复合晶和同质晶的竞争机制和分期结晶动力学（Macromolecules 2019, 52, 4655; ACS Macro Lett. 2022, 11, 193），从实验上证明了链缠结是影响高分子立构复合结晶的关键因素（ACS Macro Lett. 2021, 10, 1023）；提出了高分子立构复合结晶的微观机制，并制备了高性能的立构复合晶材料（Prog. Polym. Sci. 2020, 109, 101291；Acc. Mater. Res. 2022, 3, 1309）。

虽然文献上已报道立构复合晶材料比同质晶材料具有更高的力学强度和模量，但该现象背后的微观机制仍不清楚。针对该问题，浙江大学潘鹏举教授课题组制备了不同晶型结构（立构复合晶、立构复合晶/同质晶混合、同质晶）的聚乳酸（分别表示为SC-PLA、SC/HC-PLA、HC-PLA），系统研究了不同晶型材料在拉伸过程中的微观结构演变，阐明了立构复合晶材料具有优异力学性能的机理。

利用原位WAXS研究了不同晶型的聚乳酸在拉伸场下的结晶结构演变和取向行为（图1）。在拉伸过程中，SC-PLA中立构复合晶的衍射环基本保持各向同性，而HC-PLA中同质晶的衍射强度沿拉伸方向逐渐增强，表明立构复合晶不易被取向。与同质晶相比，立构复合晶在拉伸过程中破碎较少，其塑性变形主要由片晶间滑移引起。

图1 80 °C拉伸条件下SC-PLA、SC/HC-PLA和HC-PLA在不同应变下的二维WAXS图和取向特性

利用原位SAXS研究了不同晶型的聚乳酸在拉伸场下的片晶结构演变（图2）。在拉伸过程中SC-PLA的散射环呈现四点模式，空洞的散射信号不明显，表明在拉伸过程中SC-PLA主要发生片晶间的滑移和片晶旋转，并不发生明显的空洞化。然而，在拉伸过程中SC/HC-PLA和HC-PLA发生明显的片晶破碎与熔融重结晶，且出现显著的空洞化，这导致同质晶聚乳酸材料在较低的强度下发生破坏。

图2 SC-PLA、SC/HC-PLA和HC-PLA在80 °C拉伸过程中的SAXS结果

上述结果表明，立构复合晶具有更好力学性能的原因归因于其不同的变形机制（图3）。在拉伸过程中SC-PLA晶体破碎较少，其塑性变形主要以片晶旋转为主，这可以更好地传递应力。然而，在拉伸过程中HC-PLA发生显著的片晶破碎、熔融重结晶和空洞化，影响了材料的塑性变形能力，从而降低了HC-PLA的力学强度和模量。该工作从分子链和片晶尺度上揭示了立构复合晶材料具有更好力学性能的微观机制。

图3 不同晶型的聚乳酸在拉伸过程中的多层次结构演化示意图

上述结果以“Multiscale Structural Evolutions and Deformation Mechanisms of Stereocomplexed and Homocrystalline Poly(lactic acid)s during Stretching: Correlating Thermomechanical Properties with Polymorphic Structures”为题发表在Macromolecules上（Macromolecules 2023, 56, 5068），论文第一作者为浙江大学博士生孙晨轩，通讯作者为潘鹏举教授。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.macromol.3c00494

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（责任编辑：xu）

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