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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力穩(wěn)定態(tài)結晶相
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鍵步驟，但在加工過程中，往往會引發(fā)UHMWPE結晶結構的復雜演變，包括應力穩(wěn)定態(tài)結晶結構的形成。目前對這一領域的研究尚未完全明晰，尤其是在蠕變的情況下。了解UHMWPE在拉伸應力下的應力穩(wěn)定態(tài)結晶結構對材料的性能調控至關重要。


  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-WAXS，SSRF）技術原位研究了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)的應力穩(wěn)定態(tài)結晶結構的生成與演變。這些應力穩(wěn)定態(tài)結晶相出現(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（Fig2 a）及生成的應力穩(wěn)定態(tài)結晶相（Fig.2 d、e）亦有差異。結合分子優(yōu)化（MOLOPT）Godecker-Teter-Hutter（GTH）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的應力穩(wěn)定態(tài)結晶相的結晶結構（Fig. 3）。UHMWPE在應力作用表現(xiàn)出除傳統(tǒng)正交晶相外的兩種應力穩(wěn)定態(tài)結晶相的結晶結構：一種是應力穩(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雙軸拉伸膜在應力牽伸作用下的應力穩(wěn)定態(tài)晶型轉變，為調控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果；（c, e）UHMWPE在最大斷裂強度的30%負載下的原位蠕變實驗結果.


圖三：通過VESTA生成的UHMWPE膜在應力作用下的三種晶相結構。（a）正交晶相和應力穩(wěn)定態(tài)正交晶相；（b）應力穩(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)教授團隊關于高性能纖維及復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研究機構，研究院以“改變人類的生活、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加速高分子材料及高性能纖維的研發(fā)及工程化應用。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)等國內主流媒體專題報道。


  研究院建設了干法、濕法、熔紡等紡絲試驗線和一條十噸級的UHWMPE纖維試驗線，還建設了纖維展纖、編織的小試線和熱塑性、熱固性復合材料成型試驗線各一條。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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（責任編輯：xu）
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