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川大塑料高性能化加工與裝備課題組 Macromolecules:壓力場(chǎng)下流動(dòng)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(lái)源:高分子科技

  加工外場(chǎng)(壓力場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng))共同作用下高分子結(jié)晶問(wèn)題是指導(dǎo)高分子成型加工的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題;趬毫(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)共同作用下高分子結(jié)晶研究,四川大學(xué)塑料高性能化加工與裝備研究組開(kāi)展了壓力場(chǎng)下流動(dòng)場(chǎng)誘導(dǎo)結(jié)晶這一方向的高通量在線研究,并將壓力場(chǎng)下流動(dòng)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(shí)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(guò)加工外場(chǎng)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(fèi)超過(guò)4億噸的高分子材料,其中超過(guò)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(guò)高分子加工,如擠出、注塑、吹膜等。這些加工過(guò)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(jìn)而影響著制品的宏觀性能(圖1)。因此,加工過(guò)程高分子結(jié)晶問(wèn)題是高分子材料工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。 


圖1. 論文的摘要圖


  加工過(guò)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(chǎng)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(qiáng)剪切(高達(dá)104 s?1)和高壓力場(chǎng)(高達(dá)102 MPa)的影響。同時(shí),高分子因其長(zhǎng)鏈的特征(松弛時(shí)間較長(zhǎng)),結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)和形態(tài)都十分容易受加工外場(chǎng)的影響,進(jìn)而形成復(fù)雜的多層次結(jié)構(gòu)。盡管,目前針對(duì)單一加工外場(chǎng)下高分子結(jié)晶,如非等溫結(jié)晶、流動(dòng)場(chǎng)誘導(dǎo)結(jié)晶、壓力場(chǎng)下高分子結(jié)晶有了較為深入的理解。但加工外場(chǎng)共同作用下高分子結(jié)晶研究仍處于起步階段,通過(guò)加工過(guò)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(gè)“黑箱”過(guò)程。針對(duì)這一難題,Yamagata University的Kiyohito Koyama教授改進(jìn)了壓力-體積-溫度測(cè)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(dòng)場(chǎng)的膨脹計(jì)和狹縫流動(dòng)裝置,四川大學(xué)塑料高性能化加工與裝備研究組開(kāi)發(fā)了高通量的研究裝置,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(guò)新設(shè)備的搭建,實(shí)現(xiàn)了壓力場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合作用和可控施加,研究了壓力場(chǎng)下流動(dòng)場(chǎng)誘導(dǎo)結(jié)晶行為,揭示了加工外場(chǎng)共同作用下高分子的結(jié)晶動(dòng)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(shí)


  本論文是對(duì)近些年壓力場(chǎng)下流動(dòng)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(chǎng)下流動(dòng)場(chǎng)誘導(dǎo)結(jié)晶的最新進(jìn)展,從加工外場(chǎng)耦合作用裝置出發(fā),分別闡述了壓力場(chǎng)下流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶的結(jié)晶動(dòng)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(guò)程中的壓力場(chǎng)下流動(dòng)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(jìn)一步總結(jié)了一些壓力場(chǎng)下流動(dòng)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(shí)例,先介紹了實(shí)現(xiàn)高分子“定構(gòu)加工”的先進(jìn)設(shè)備,然后闡述了通過(guò)加工外場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)晶體取向和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的可控加工,進(jìn)而獲得所需的宏觀性能。最后,論文探討了壓力場(chǎng)下流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶未來(lái)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本文的第一單位。該研究工作得到了國(guó)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(xiàng)目(2022YFQ0065),四川大學(xué)基金項(xiàng)目(2022SCUH0039)的支持。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c01846

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