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寧波大學王宗寶教授課題組 Macromolecules：預保留shish晶體在超高分子量聚乙烯薄膜熱拉伸過程中結構演變的影響研究

2022-06-13 來源：高分子科技

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維或薄膜的高強度、高模量等優異力學性能通常與制品中特有的shish晶體結構相關，這種由伸直鏈組成的高度取向shish晶體結構通常只有在較強的拉伸、剪切等流動場中才能形成。在UHMWPE纖維紡絲成型加工中的多級熱拉伸流場使初生纖維的晶體結構發生復雜的結構演變，最終的纖維制品中形成了大量shish-kebab或shish晶體，從而也使UHMWPE纖維成為世界三大高性能纖維之一。因此，對于拉伸流場下shish-kebab晶體的形成和演變機理研究對獲得更高性能的UHMWPE制品有著重要意義。科學家們對于shish-kebab晶體的形成和演變機理已經做了大量研究，普通片晶結構會在拉伸流場作用下重結晶形成shish-kebab晶體，再進一步轉變成纖維晶。這些研究都是關注拉伸流場的作用下形成shish-kebab或shish晶體，但拉伸流場的復雜性使獲得的shish-kebab或shish晶體結構不穩定。因此，在UHMWPE制品中引入shish晶體并加深對高分子shish-kebab晶體的形成和演變機理的認識是非常有意義的，而且對發展UHMWPE薄膜和纖維的制備技術有指導作用。

基于上述背景，寧波大學材料科學與化學工程學院王宗寶教授團隊從shish-kebab晶體形成和演變的角度出發，進行了shish-kebab晶體結構調控與UHMWPE纖維性能提升的系列研究。在前期工作的基礎上，近期在Macromolecules上發表了題為“Influence of Prereserved Shish Crystals on the Structural Evolution of Ultrahigh-Molecular Weight Polyethylene Films during the Hot Stretching Process”的論文。本論文研究了預保留的shish晶體對UHMWPE薄膜熱拉伸過程中結構演變的影響。首先通過UHMWPE樹脂的溶液結晶證明了樹脂中的纖維晶是shish晶體，并利用shish晶體和普通片晶的熔融差異性將shish晶體保留到薄膜制品中，從SEM和DSC結果中分別發現了shish-kebab晶體形貌和shish晶體的高溫熔融峰（圖1）。然后利用SAXS/USAXS/WAXD對預保留shish晶體在UHMWPE薄膜熱拉伸過程中結構演變的影響進行了原位跟蹤研究，結果發現含預保留shish晶體的UHMWPE-135和UHMWPE-138薄膜的長周期比不含shish晶體的UHMWPE-180薄膜有更大的長周期，且長周期呈現階梯式下降，這與片晶破碎后在預保留shish晶體上附生結晶形成shish-kebab晶體相關（圖2），這點在SEM結果中也能觀察到UHMWPE-135中含有預保留shish晶體誘導形成的shish-kebab晶體（圖3）。此外，在經過熱拉伸后的UHMWPE-135薄膜能夠形成更長的shish晶體，預保留shish晶體誘導形成的shish-kebab晶體數量更多（圖2、圖3）。由于有更多結構更好的shish-kebab或shish晶體形成使得UHMWPE在力學性能上得到顯著改善（圖4）。結合上述結果可以將預保留shish晶體在UHMWPE薄膜熱拉伸過程的結構演變分為三個階段：普通片晶破碎后在預保留shish晶體上形成初始shish-kebab晶體（Stage I），初始shish-kebab晶體不斷完善，且有部分拉伸誘導的shish-kebab晶體形成（Stage Ⅱ），shish-kebab晶體逐漸向shish晶體演變，kebab晶體破碎形成更多的shish晶體（Stage Ⅲ）（圖5）。

圖1. UHMWPE薄膜的晶體形貌和熔融行為

圖2. UHMWPE薄膜在熱拉伸過程中的長周期（L）、長周期的分布（Δq）、側面尺寸（L_saxs）和shish長度（L_shish）

圖3.UHMWPE薄膜熱拉伸到不同階段的晶體形貌

圖4. UHMWPE薄膜在熱拉伸后的力學性能

圖5.預保留shish晶體UHMWPE薄膜熱拉伸中結構演變的機理

本篇論文的第一作者為寧波大學材料科學與化學工程學院碩士研究生鄧寶，論文通訊作者為寧波大學材料科學與化學工程學院王宗寶教授。寧波大學材料科學與化學工程學院為論文唯一完成單位，該研究得到了國家自然科學基金（52173021, 51973097）、浙江省自然科學基金（LZ21E030001）和寧波市重大科技攻關項目（2019B10092, 2021Z041）的資助。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.2c00343

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（責任編輯：xu）

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