长春应化所罗传富研究员团队 Macromolecules：缠结网络的重建对结晶和力学性能的影响
2023-07-11 来源：高分子科技
近期，长春应用化学研究所罗传富研究员团队通过大规模分子动力学模拟研究了高分子烧结过程中缠结网络的重建以及对后续结晶和力学性能的影响。研究发现缠结网络的重构过程分为两步：缠结网络在烧结初期通过链构象的“熔融爆炸”迅速重构，然后通过分子链蠕动过程缓慢调整（图1）。进一步的等温结晶模拟表明半结晶时间与初始缠结长度也存在两步依赖关系（图2a），这是由不同的缠结复杂度引起的。缠结复杂度可反映缠结的具体结构，但文献中缺乏具体准确的定义。该团队提出一个简单的指标来统一地反映缠结复杂度对结晶动力学以及力学性能的影响，即每条链的平均缠结链数目Λ。相比于通常的缠结长度，每条链的缠结链数目在结晶动力学中起着更重要的作用（图2b），并且每个初始颗粒的缠结颗粒数目也决定了烧结高分子的抗冲击性能（图3）。每条链的平均缠结链数目存在一个临界值12，对应于球体在三维空间中的密堆配位数。如果低于该配位数，高分子链受到的缠结约束会存在“空缺”或“短板”，结晶动力学以及后续的拉伸强度会受到很大影响。这项研究成果为理解和控制高分子烧结与结晶以及半晶高分子的力学性能提供了新的见解。
图1 三个体系重均缠结长度随着松弛时间的变化。彩色虚线表示所选择的不同松弛时间的熔体进行等温结晶模拟，所选的数据点用彩色圆环标记。
图2 三个体系的等温结晶半结晶时间t1/2（a）和每条链的平均缠结链数目Λ（b）与熔体初始缠结长度的关系。插图为密堆的三维和二维示意图。
图3 三个体系在300K单轴拉伸形变的应力-应变曲线：（a）快速拉伸（b）慢速拉伸。
该工作以“Reconstruction of the Entanglement Network and Its Effect on the Crystallization and Mechanical Strength of Sintered Polymers”为题在线发表在《Macromolecules》上。文章第一作者是长春应用化学研究所特别研究助理陈冉博士。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c00533
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