川大塑料高性能化加工与装备课题组 Macromolecules：压力场下流动诱导高分子结晶及其在“定构加工”中的应用

2024-02-01 来源：高分子科技

加工外场（压力场、流动场和温度场）共同作用下高分子结晶问题是指导高分子成型加工的基础科学问题。基于压力场、流动场和温度场共同作用下高分子结晶研究，四川大学塑料高性能化加工与装备研究组开展了“压力场下流动场诱导结晶”这一方向的高通量在线研究，并将压力场下流动诱导结晶的研究成果推广应用于高分子材料的“定构加工”，实现了高分子制品微观结构及宏观性能的定制化加工，即通过加工外场调控制备具有特定结晶结构形态及所需宏观性能的高分子制品。近日，四川大学塑料高性能化加工与装备课题组受邀在《Macromolecules》上发表题为《Flow-Induced Polymer Crystallization under Pressure and Its Engineering Application in “Structuring” Polymer Processing》的前瞻性论文。

全球每年消费超过4亿吨的高分子材料，其中超过三分之二的为结晶性高分子。结晶性高分子从材料到制品，必须经过高分子加工，如挤出、注塑、吹膜等。这些加工过程除了赋予了高分子材料特定的外观形状，更为重要的是很大程度上决定着高分子制品的结晶结构和形态，进而影响着制品的宏观性能（图1）。因此，加工过程高分子结晶问题是高分子材料工程领域的基础科学问题。

图1. 论文的摘要图

加工过程中高分子结晶结构形态的演变通常都是发生在复杂、非均质、多加工外场耦合作用下，如注塑成型中，高分子结晶不可避免地受到高降温速率（10⁰?10² °C/s），强剪切（高达10⁴ s^?¹）和高压力场（高达10²MPa）的影响。同时，高分子因其长链的特征（松弛时间较长），结晶动力学、结晶结构和形态都十分容易受加工外场的影响，进而形成复杂的多层次结构。尽管，目前针对单一加工外场下高分子结晶，如非等温结晶、流动场诱导结晶、压力场下高分子结晶有了较为深入的理解。但加工外场共同作用下高分子结晶研究仍处于起步阶段，通过加工过程控制获得特定结晶结构和形态，以及所需宏观性能的制品仍是一个“黑箱”过程。针对这一难题，Yamagata University的Kiyohito Koyama教授改进了压力-体积-温度测量系统，Eindhoven University of Technology的Gerrit W.M. Peters教授课题组搭建了可施加流动场的膨胀计和狭缝流动装置，四川大学塑料高性能化加工与装备研究组开发了高通量的研究装置，并在此基础上进一步研发了结合同步辐射光源的工业化注塑在线研究装置，通过新设备的搭建，实现了压力场、流动场和温度场的耦合作用和可控施加，研究了压力场下流动场诱导结晶行为，揭示了加工外场共同作用下高分子的结晶动力学、多晶相体系的晶相相图，发现了新的结晶形态；并探究了相关研究成果在高分子加工中的应用（图2）。

图2. 结晶性高分子从材料到制品的传统加工和“定构加工”路径，以及高分子“定构加工”所涉及的基础理论知识

本论文是对近些年压力场下流动诱导结晶研究成果及其应用案例的总结，论文首先介绍了压力场下流动场诱导结晶的最新进展，从加工外场耦合作用装置出发，分别阐述了压力场下流动诱导结晶的结晶动力学、多晶相体系相图、结晶形态。随后介绍了利用在线表征技术研究高分子加工过程中的压力场下流动诱导结晶，归纳了超声、光学和X射线散射表征技术在高分子加工中的应用。论文还进一步总结了一些压力场下流动诱导结晶基础理论在高分子注塑成型中的应用实例，先介绍了实现高分子“定构加工”的先进设备，然后阐述了通过加工外场调控实现晶体取向和结晶结构的可控加工，进而获得所需的宏观性能。最后，论文探讨了压力场下流动诱导结晶未来的研究方向。

该论文作者为四川大学钟淦基教授，西安交通大学杨书桂副教授，四川大学雷军教授，通讯作者为四川大学李忠明教授，四川大学高分子科学与工程学院、高分子材料工程国家重点实验室为本文的第一单位。该研究工作得到了国家自然科学基金委（52033005, 52173040, 52373022和52173225)，四川省科学技术厅基金项目（2022YFQ0065），四川大学基金项目（2022SCUH0039）的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01846

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（责任编辑：xu）

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