長春應化所羅傳富研究員團隊 Macromolecules：纏結網絡的重建對結晶和力學性能的影響
2023-07-11 來源：高分子科技
近期，長春應用化學研究所羅傳富研究員團隊通過大規模分子動力學模擬研究了高分子燒結過程中纏結網絡的重建以及對后續結晶和力學性能的影響。研究發現纏結網絡的重構過程分為兩步：纏結網絡在燒結初期通過鏈構象的“熔融爆炸”迅速重構，然后通過分子鏈蠕動過程緩慢調整（圖1）。進一步的等溫結晶模擬表明半結晶時間與初始纏結長度也存在兩步依賴關系（圖2a），這是由不同的纏結復雜度引起的。纏結復雜度可反映纏結的具體結構，但文獻中缺乏具體準確的定義。該團隊提出一個簡單的指標來統一地反映纏結復雜度對結晶動力學以及力學性能的影響，即每條鏈的平均纏結鏈數目Λ。相比于通常的纏結長度，每條鏈的纏結鏈數目在結晶動力學中起著更重要的作用（圖2b），并且每個初始顆粒的纏結顆粒數目也決定了燒結高分子的抗沖擊性能（圖3）。每條鏈的平均纏結鏈數目存在一個臨界值12，對應于球體在三維空間中的密堆配位數。如果低于該配位數，高分子鏈受到的纏結約束會存在“空缺”或“短板”，結晶動力學以及后續的拉伸強度會受到很大影響。這項研究成果為理解和控制高分子燒結與結晶以及半晶高分子的力學性能提供了新的見解。
圖1 三個體系重均纏結長度隨著松弛時間的變化。彩色虛線表示所選擇的不同松弛時間的熔體進行等溫結晶模擬，所選的數據點用彩色圓環標記。
圖2 三個體系的等溫結晶半結晶時間t1/2（a）和每條鏈的平均纏結鏈數目Λ（b）與熔體初始纏結長度的關系。插圖為密堆的三維和二維示意圖。
圖3 三個體系在300K單軸拉伸形變的應力-應變曲線：（a）快速拉伸（b）慢速拉伸。
該工作以“Reconstruction of the Entanglement Network and Its Effect on the Crystallization and Mechanical Strength of Sintered Polymers”為題在線發表在《Macromolecules》上。文章第一作者是長春應用化學研究所特別研究助理陳冉博士。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00533
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（責任編輯：xu）
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