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深圳大學徐堅、朱才鎮(zhèn)教授團隊 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

  超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其卓越的機械性能而聞名,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,深圳大學低維材料基因工程研究院徐堅、朱才鎮(zhèn)教授團隊利用時間分辨廣角散射(TR-WAXSSSRF)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,不同負載下的蠕變曲線(Figa)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(MOLOPTGodecker-Teter-HutterGTH)雙ζ價單極化短程(DZVP-MOLOPT-SR-GTH)基組和GTH-PBE贗勢,模擬計算了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驗支持。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與深圳大學聯(lián)培的博士生張昊。該工作得到了自然科學基金、廣東省珠江人才團隊、深圳科技計劃基金的支持。


圖一:UHMWPE膜在時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在不同負載下的蠕變曲線; (b,d)UHMWPE在最大斷裂強度的20%負載下的原位蠕變實驗結(jié)果;(c, eUHMWPE在最大斷裂強度的30%負載下的原位蠕變實驗結(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%下的實驗數(shù)據(jù)的對比。
該工作是深圳大學徐堅、朱才鎮(zhèn)教授團隊關(guān)于高性能纖維及復(fù)合材料的最近研究進展之一。該團隊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


  深圳大學低維材料基因工程研究院


  深圳大學低維材料基因工程研究院是徐堅教授牽頭成立的學術(shù)研究機構(gòu),研究院以“改變?nèi)祟惖纳、生產(chǎn)方式和加深人類對世界的認知”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SK99UHMWPE纖維并實現(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現(xiàn)了千噸工程線量產(chǎn)(良品率≥95%)。研究團隊的成果被人民日報、人民網(wǎng)等國內(nèi)主流媒體專題報道。


  研究院建設(shè)了干法、濕法、熔紡等紡絲試驗線和一條十噸級的UHWMPE纖維試驗線,還建設(shè)了纖維展纖、編織的小試線和熱塑性、熱固性復(fù)合材料成型試驗線各一條。研究院還采購了DSC、TG、流變、DMATMA、GPC、紅外、二維SAXS/WAXD、SEM等各種現(xiàn)代分析表征設(shè)備。歡迎各位同學報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隊。聯(lián)系人:朱老師,woyaozhaosheng@163.com

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