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南京大學(xué)胡文兵教授課題組研究進(jìn)展:“扣其兩端而竭焉” - 解密熱塑性彈性體加工的性能調(diào)控機(jī)制
2022-12-22  來源:高分子科技

  熱塑性彈性體允許傳統(tǒng)大工業(yè)連續(xù)化加工工藝如注塑、發(fā)泡、拉膜和紡絲來進(jìn)行成型加工,沒有了傳統(tǒng)硫化橡膠加工工藝的諸多限制,在航空航天、醫(yī)療器械、汽車制造、電線電纜等高科技領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。其中,可結(jié)晶的聚氨酯、聚酯聚醚、聚酰胺聚醚或聚酯以及聚烯烴彈性體等主要由化學(xué)結(jié)構(gòu)不相同的兩種嵌段鏈交替連接而成,在加工過程中應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶所生成的硬段結(jié)晶微疇為彈性網(wǎng)絡(luò)提供了物理交聯(lián)點,較小的結(jié)晶微疇在受力變形中可發(fā)生結(jié)構(gòu)演變而消耗沖擊能,使得材料表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性和韌性。因此,調(diào)控結(jié)晶微疇的尺寸大小分布是熱塑性彈性體性能調(diào)控的關(guān)鍵因素。


  在國家自然科學(xué)基金委的項目資助下,南京大學(xué)胡文兵教授課題組開展了交替可結(jié)晶的兩嵌段和四嵌段共聚物應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶的動態(tài)蒙特卡洛分子模擬研究。他們將結(jié)晶微疇的尺寸大小分布?xì)w因為硬段結(jié)晶之前在熔體中的局部濃度漲落,如圖1所示,較濃區(qū)域硬段多平行排列堆砌,較稀區(qū)域硬段多交錯排列堆砌。于是,他們將結(jié)晶段平行排列的高濃情景和交錯排列的高稀情景作為調(diào)控結(jié)晶微疇的尺寸大小分布的兩個極端情景,分別開展深入系統(tǒng)的分子模擬研究。 


 1 在由可結(jié)晶嵌段(黃色嵌段)和不可結(jié)晶嵌段(藍(lán)色嵌段)組成的兩嵌段共聚物中,不同分子鏈的可結(jié)晶嵌段平行排列在一端表示濃相,可結(jié)晶嵌段交錯排列在兩端表示稀相。


  這里,他們借鑒了孔子(如圖2所示)在《論語·子罕》中的求知策略:“吾有知乎哉?無知也。有鄙夫問于我,空空如也。我叩其兩端而竭焉!保ㄎ矣凶銐虻闹R嗎?沒有呀。如果有個不懷好意的人來問我,他故意裝作什么都不知道,我就從正反兩個方向追問到底,也可以猜到答案。)掌握了晶疇在大小兩個方向上的極端情況,研究起來就可以把握其分布規(guī)律。 


2 南京大學(xué)仙林校區(qū)里的孔子塑像(攝影:胡文兵)


  他們首先研究了局部濃度漲落所帶來的稀釋效應(yīng),發(fā)現(xiàn)應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶使得大晶疇更大,小晶疇更小,更寬的晶疇尺寸大小分布有利于材料實現(xiàn)高彈高韌的性能[1]。兩嵌段和四嵌段共聚物呈現(xiàn)同樣的規(guī)律,由此可外推到實際體系的多嵌段共聚物。他們進(jìn)一步研究了嵌段間熱力學(xué)不相容所導(dǎo)致的微相分離效應(yīng),發(fā)現(xiàn)微相分離對大晶疇影響不大,但使得小晶疇更多,也拓寬了晶疇尺寸大小分布[2]。他們還進(jìn)一步研究了嵌段間熱力學(xué)和動理學(xué)柔順性不同所導(dǎo)致的柔順性反差效應(yīng),發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)柔順性反差使得大晶疇更大,小晶疇更多,也拓寬了晶疇尺寸大小分布,但動理學(xué)柔順性反差則對分布影響不大[3]。研究結(jié)果可解釋相應(yīng)的不同化學(xué)結(jié)構(gòu)實際體系的許多實驗現(xiàn)象。圖3所示為四嵌段共聚物應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶過程。 



3 高濃情景一束由可結(jié)晶嵌段(黃色)和不可結(jié)晶嵌段(藍(lán)色)交替連接組成的四嵌段共聚物在一定溫度下的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶示意圖。沿X方向拉伸時分子鏈的兩個鏈端分別固定在沿X方向的兩個邊界平面上。左側(cè)為嵌段共聚物初始態(tài)示意圖,右側(cè)為拉伸至400%應(yīng)變下的嵌段共聚物。


  這一系列分子模擬研究工作在微觀機(jī)制層面上為半結(jié)晶熱塑性彈性體的化學(xué)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的加工調(diào)控關(guān)系奠定了理論建;A(chǔ),有利于深入系統(tǒng)地理解熱塑性彈性體機(jī)械力學(xué)性能的優(yōu)化機(jī)制,為開發(fā)高性能新產(chǎn)品提供理論指導(dǎo)。 


  參考文獻(xiàn):

  1. Guo, Y.-Q.; Luo, W.; Wang, J.-P.; Hu, W.-B. Dynamic Monte Carlo simulations of strain-induced crystallization in multiblock copolymers: Effects of dilution. Soft Matter18, 3376-3383(2022). DOI: 10.1039/D2SM00193D

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/SM/D2SM00193D

  2. Guo, Y.-Q.; Luo, W.; Zhang, J.; Hu, W.-B. Dynamic Monte Carlo simulations of strain-induced crystallization in multiblock copolymers: Effects of microphase separation. Polymer 264, 125512(2023). DOI: 10.1016/j.polymer.2022.125512

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S003238612201000X?via%3Dihub

  3. Guo, Y.-Q.; Luo, W.; Zhang, J.; Hu, W.-B. Dynamic Monte Carlo simulations of strain-induced crystallization in multiblock copolymers: Effects of asymmetric block rigidity. J. Phys. Chem. B (2023). DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c06827

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcb.2c06827

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