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南京大學(xué)胡文兵教授課題組 Macromolecules: 分子鏈打結(jié)如何影響結(jié)晶成核
2024-04-30  來源:高分子科技
  長鏈高分子很容易打結(jié)形成拓?fù)浼~結(jié)(knot)結(jié)構(gòu),最常見的是三葉結(jié)。目前紐結(jié)影響高分子結(jié)晶的機(jī)制并不清楚。在國家自然科學(xué)基金項目資助下,南京大學(xué)胡文兵教授課題組利用動態(tài)蒙特卡洛分子模擬方法,將鏈兩端限制在空間兩側(cè)平面避免自發(fā)的解開紐結(jié),系統(tǒng)地研究了三葉結(jié)對單鏈、本體和應(yīng)變誘導(dǎo)高分子結(jié)晶的影響,如圖1所示。 


圖1:單個三葉結(jié)(a對單鏈(b)、本體(c)和應(yīng)變誘導(dǎo)(d)高分子結(jié)晶的影響。圖中粉紅色為打結(jié)部分,藍(lán)色為非晶鍵,黃色為結(jié)晶鍵,紅色為約束在兩側(cè)平面內(nèi)的鏈端基。


  分子模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在結(jié)晶之前,無序的單鏈紐結(jié)較為松散,而熔體高分子的紐結(jié)較為緊湊,這可歸因于本體鏈相互穿插所帶來的鏈單元體積排斥作用屏蔽效應(yīng)。單鏈體系的結(jié)晶成核主要發(fā)生在紐結(jié)內(nèi)部并被紐結(jié)環(huán)鏈的受限作用所加速,如圖2所示。而本體體系的結(jié)晶成核更多地發(fā)生在紐結(jié)外部,并被較短的可結(jié)晶鏈段所抑制,如圖3所示。以上兩種相反的影響效果都說明了紐結(jié)顯著地影響了鏈內(nèi)結(jié)晶成核。紐結(jié)外發(fā)生結(jié)晶會進(jìn)一步抽緊該紐結(jié),與de Genness的理論預(yù)測一致。以鏈間成核為主的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶的對照結(jié)果顯示其受到紐結(jié)的影響很小,如圖4所示。 


圖2:(a)含有不同三葉結(jié)數(shù)目高分子單鏈體系的降溫結(jié)晶曲線,顯示紐結(jié)提升結(jié)晶溫度,加速結(jié)晶;(b)含有單個三葉結(jié)單鏈降溫結(jié)晶后的等溫熔融曲線,占比84.3%的紐結(jié)內(nèi)結(jié)晶具有較高的熱穩(wěn)定性。 


圖3:(a)含有不同三葉結(jié)數(shù)目熔體高分子降溫結(jié)晶曲線,顯示紐結(jié)降低結(jié)晶溫度,抑制結(jié)晶;(b)等溫結(jié)晶半結(jié)晶時間隨溫度變化進(jìn)一步證明紐結(jié)抑制了熔體結(jié)晶動力學(xué)。 


圖4:(a)含有不同三葉結(jié)數(shù)目熔體高分子應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶曲線,顯示紐結(jié)對應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶影響很。(b)應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶的起始應(yīng)變隨溫度變化受紐結(jié)影響很小。


  這項工作揭示了分子鏈打結(jié)主要影響了形成折疊鏈片晶和球晶的鏈內(nèi)結(jié)晶成核,但對加工過程的取向場中形成纖維晶的鏈間成核影響很小。本文的相關(guān)成果發(fā)表在最新Macromolecules網(wǎng)站上。文章的第一作者是博士生顏進(jìn)旭。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c02643 

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