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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(dǎo)高分子結(jié)晶及其在“定構(gòu)加工”中的應(yīng)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(dǎo)高分子成型加工的基礎(chǔ)科學(xué)問題;趬毫觥⒘鲃訄龊蜏囟葓龉餐饔孟赂叻肿咏Y(jié)晶研究,四川大學(xué)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(dǎo)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(dǎo)結(jié)晶的研究成果推廣應(yīng)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(xué)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(xué)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(fù)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(xué)、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(fù)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(xué)、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(yīng)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(dǎo)結(jié)晶研究成果及其應(yīng)用案例的總結(jié),論文首先介紹了壓力場下流動場誘導(dǎo)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(dǎo)結(jié)晶的結(jié)晶動力學(xué)、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(dǎo)結(jié)晶,歸納了超聲、光學(xué)和X射線散射表征技術(shù)在高分子加工中的應(yīng)用。論文還進一步總結(jié)了一些壓力場下流動誘導(dǎo)結(jié)晶基礎(chǔ)理論在高分子注塑成型中的應(yīng)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(dǎo)結(jié)晶未來的研究方向。


  該論文作者為四川大學(xué)鐘淦基教授,西安交通大學(xué)楊書桂副教授,四川大學(xué)雷軍教授,通訊作者為四川大學(xué)李忠明教授,四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)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(xué)基金委(52033005, 52173040, 52373022和52173225),四川省科學(xué)技術(shù)廳基金項目(2022YFQ0065),四川大學(xué)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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