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深圳大學(xué)徐堅(jiān)、朱才鎮(zhèn)教授團(tuán)隊(duì) ACS Macro Lett.：超高分子量聚乙烯膜在拉伸作用下的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶相

2023-10-01 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：超高分子量聚乙烯應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶相結(jié)晶雙軸拉伸膜

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）以其卓越的機(jī)械性能而聞名，牽伸加工是材料后處理的關(guān)鍵步驟，但在加工過程中，往往會引發(fā)UHMWPE結(jié)晶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜演變，包括應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成。目前對這一領(lǐng)域的研究尚未完全明晰，尤其是在蠕變的情況下。了解UHMWPE在拉伸應(yīng)力下的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶結(jié)構(gòu)對材料的性能調(diào)控至關(guān)重要。

近期，深圳大學(xué)低維材料基因工程研究院徐堅(jiān)、朱才鎮(zhèn)教授團(tuán)隊(duì)利用時(shí)間分辨廣角散射（TR-WAXS，SSRF）技術(shù)原位研究了UHMWPE雙軸拉伸膜在等速牽伸下（Fig.1）及恒力負(fù)載（蠕變）狀態(tài)下(Fig.2)的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶結(jié)構(gòu)的生成與演變。這些應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶相出現(xiàn)在牽伸過程的不同階段，特別是在蠕變過程中中，不同負(fù)載下的蠕變曲線（Fig2 a）及生成的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶相（Fig.2 d、e）亦有差異。結(jié)合分子優(yōu)化（MOLOPT）Godecker-Teter-Hutter（GTH）雙ζ價(jià)單極化短程（DZVP-MOLOPT-SR-GTH）基組和GTH-PBE贗勢，模擬計(jì)算了UHMWPE的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶相的結(jié)晶結(jié)構(gòu)（Fig. 3）。UHMWPE在應(yīng)力作用表現(xiàn)出除傳統(tǒng)正交晶相外的兩種應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)結(jié)晶相的結(jié)晶結(jié)構(gòu)：一種是應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)正交晶相（與傳統(tǒng)正交晶相僅存在約0.7埃的差異），另一種是應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)單斜晶相。這項(xiàng)研究工作系統(tǒng)的研究了UHMWPE雙軸拉伸膜在應(yīng)力牽伸作用下的應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)晶型轉(zhuǎn)變，為調(diào)控UHMWPE最終性能提高其適用場景提供了新的實(shí)驗(yàn)支持。該工作以“Stress-stabilized crystalline phases of ultra-high molecular weight polyethylene under tensile stress”為題發(fā)表在《ACS Macro Letters》上，本文的第一作者是浙江理工大學(xué)與深圳大學(xué)聯(lián)培的博士生張昊。該工作得到了自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才團(tuán)隊(duì)、深圳科技計(jì)劃基金的支持。

圖一：UHMWPE膜在時(shí)間分辨廣角散射的原位表征結(jié)果（左上為原始數(shù)據(jù)）

圖二：(a) UHMWPE在不同負(fù)載下的蠕變曲線; (b，d)UHMWPE在最大斷裂強(qiáng)度的20%負(fù)載下的原位蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（c, e）UHMWPE在最大斷裂強(qiáng)度的30%負(fù)載下的原位蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖三：通過VESTA生成的UHMWPE膜在應(yīng)力作用下的三種晶相結(jié)構(gòu)。（a）正交晶相和應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)正交晶相；（b）應(yīng)力穩(wěn)定態(tài)的單斜晶相；(c):通過計(jì)算得到的三種晶相的XRD譜圖與在UHMWPE膜在牽伸倍率為100%下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比。
該工作是深圳大學(xué)徐堅(jiān)、朱才鎮(zhèn)教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于高性能纖維及復(fù)合材料的最近研究進(jìn)展之一。該團(tuán)隊(duì)長期從事高性能纖維及復(fù)合材料的研究（UHMWPE纖維、碳纖維、原位表征、高性能樹脂）。

原文鏈接https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.3c00462

深圳大學(xué)低維材料基因工程研究院

深圳大學(xué)低維材料基因工程研究院是徐堅(jiān)教授牽頭成立的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)，研究院以“改變?nèi)祟惖纳睢⑸a(chǎn)方式和加深人類對世界的認(rèn)知”為愿景，以材料基因工程技術(shù)加速高分子材料及高性能纖維的研發(fā)及工程化應(yīng)用。研究院現(xiàn)有老師15人，研究生70多人。研究院近幾年開發(fā)了SK99級UHMWPE纖維并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)了T1000級超高性能碳纖維并實(shí)現(xiàn)了千噸工程線量產(chǎn)（良品率≥95%）。研究團(tuán)隊(duì)的成果被人民日報(bào)、人民網(wǎng)等國內(nèi)主流媒體專題報(bào)道。

研究院建設(shè)了干法、濕法、熔紡等紡絲試驗(yàn)線和一條十噸級的UHWMPE纖維試驗(yàn)線，還建設(shè)了纖維展纖、編織的小試線和熱塑性、熱固性復(fù)合材料成型試驗(yàn)線各一條。研究院還采購了DSC、TG、流變、DMA、TMA、GPC、紅外、二維SAXS/WAXD、SEM等各種現(xiàn)代分析表征設(shè)備。歡迎各位同學(xué)報(bào)考我們的碩士研究生和博士研究生，也歡迎各位博士加盟團(tuán)隊(duì)。聯(lián)系人：朱老師，woyaozhaosheng@163.com

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