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中科院化学所王笃金课题组在高分子结晶领域取得系列进展

作者:admin 发布于:2021-09-01 点击量:

  目前,结晶性高分子材料约占所有热塑性高分子材料的70%,因此高分子结晶的研究也受到工业界的广泛重视。但自1957年,Andrew Keller在高分子单晶研究的基础上提出了折叠链结晶模型,到如今已60多年,学术界仍然缺乏统一的、被普遍接受的高分子结晶学理论。
 
  2017年, Macromolecules庆祝创刊50周年时,“高分子结晶理论”被该期刊列为高分子科学未解决的十大问题之首,充分说明了该领域研究的重要性和挑战性。
 
  自2013年开始,在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所工程塑料院重点实验室研究员刘国明、王笃金及合作者用阳极氧化铝模板(AAO)构建二维纳米受限空间,研究高分子受限结晶的若干基本科学问题,取得了一系列进展。
 
  高分子的成核分为均相成核和异相成核。通常情况下,高分子结晶以异相成核为主;当结晶被限制在微纳米区域时,若微区密度大于异相成核点的密度,则可能出现均相成核。对均相成核的研究,常常受到“多重结晶现象”的干扰,即随着温度降低出现多个结晶过程。经过系统研究,该课题组证明AAO体系中“多重结晶”来源于表面残余的高分子造成的“微区连接”效应(Macromolecules 2017, 50, 9015)。在此基础上,利用同步辐射原位X射线衍射技术,发现聚氧乙烯(PEO)结晶速率正比于AAO孔体积,提供了一个确立均相成核的严格判据(Langmuir 2019, 35, 11799)。高分子结晶的独特之处在于,可以通过在一定的温度区间内保留“自晶核”来增加成核密度。由于熔体分割效应,AAO中高分子自成核的温度区间随着孔径减小而变窄,并最终消失(Macromolecules 2021, 54, 3810)。
 
  在晶体取向方面,该课题组通过研究单分散的PEO在一系列不同孔径的AAO中的取向特征,发现当AAO孔的直径大于PEO链长时,PEO分子链垂直于孔道;AAO孔的直径低于PEO链长时,PEO分子链平行于孔道。这一结果证实了热力学稳定性对于晶体取向的决定性作用(ACS Macro Lett. 2013, 2, 181)。进一步,以X射线极图法全面表征了PEO的取向,阐明了其对结晶条件和孔径的依赖性(Macromolecules 2018, 51, 9484),并结合模拟和实验结果,提出了高分子取向的新模型(高分子学报 2019, 50, 281),弥补了传统认识的不足。
 
  受限空间中高分子的物理行为除了受尺寸效应影响外,界面效应也不可忽视。但是,界面效应往往和尺寸效应耦合,难以单独讨论。该课题组发现,在AAO中聚乳酸(PLLA)从玻璃态结晶时,结晶速率大于本体高分子,显著不同于以往的报道(Macromolecules 2015, 48, 2526)。进一步研究发现,聚乳酸和AAO之间存在界面层,其中高分子链段松弛时间较本体材料更短,从而降低了成核能垒(Macromolecules 2019, 52, 6904)。另一个界面效应突出的例子是聚丁烯-1(PB-1)的晶型转变。PB-1结晶时优先生成亚稳性的Form II,其在室温退火过程中自发转变为稳定的Form I。在AAO中,随着孔径减小,Form II向Form I的转变速率降低。通过考察转化率和孔径的关系,推断存在厚度约为12 nm的界面层(Macromolecules 2020, 53, 6510)。
 
  基于在高分子结晶和受限结晶领域取得的成果,近期该课题组应邀撰写关于高分子分级结晶的综述(Prog. Polym. Sci. 2021, 115, 101376)和高分子受限结晶的专论(Acc. Chem. Res. 2021, 54, 3028),系统介绍了高分子在受限环境中成核和晶体生长的研究进展,并提出了该领域有待深入研究的重要科学问题。

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