实验室李良彬教授和长春应化所门永锋研究员评述:中国学者在高分子结晶领域的研究


Polymer Crystallization》于2017年创刊,2018年发表第一刊以来,是第一本专门致力于聚合物结晶研究的国际期刊。本月最新上线的特刊为中国专刊part1 上线。由实验室李良彬教授和中国科学院长春应用化学研究所门永锋研究员担任客座主编,并撰写了评论“Polymer Crystallization Research in China”


虽然聚合物结晶的概念可追溯到与烯烃和天然橡胶相关的早期研究,但是真正促进对其基本机理的理解源于合成塑料的广泛应用。实际上,借助于显微表征技术,可实现在几个长度尺度上聚合物晶体的静态结构的可视化,例如晶单元细胞,薄片和球晶。然而,聚合物结晶的动态过程仍然存在争议。为了考虑不同的实验观察,基于一个或多个假设,科学家已提出了各种模型或理论。迄今,吸引更多科研人员进入聚合物结晶领域的最强驱动力来自于聚合物工业行业。对聚合物结晶的透彻理解对于具有所需性质的聚合物产品的受控合成尤为重要。我们特别高兴地看到,在专注于聚合物结晶会议中,中国科研工作者参与率逐年上涨,足以证明中国聚合物结晶领域正在不断增长。

本期特刊总结了中国学者对聚合物结晶研究的贡献,包括基本结晶机理,相变,以及众多先进表征技术的应用(原子力显微镜和其它大型设施)。

决定聚合物材料宏观性质的一个关键因素是相;多态性在半结晶聚合物中很常见。例如,全同立构聚丙烯(i-PP)具有多相,包括αβ。受异构成核的启发,科学家们试图通过添加成核剂来控制i-PP的相。冯嘉春等系统地论述了芳香酰胺β-成核剂的最新进展,详细地讨论了熔融状态下的结构演变以及不同团聚体对其β-成核剂能力的影响。此外,闫寿科等报道了伊利石作为添加剂可促进α-iPP的生长。在伊利石存在的条件下,成核速率和总结晶度均可得到显著提高。聚合物-成核剂复合材料已被证明可改善聚合物材料特性。潘鹏举等报道了利用一系列立体复合物(SC)型成核剂以促进聚(L-乳酸)/聚(D-乳酸)(PLLA/PDLA)共混物中的立体复合物的形成。研究发现加入这种成核剂可提高最终产品的机械强度和模量。王笃金等总结了接枝的纳米粒子在聚合物纳米复合材料体系中的应用。纳米颗粒和聚合物基质之间的界面可通过接枝不同的聚合物链来改变。

高分子结晶不仅可以通过添加成核剂进行控制,还可以通过由结晶促使的嵌段共聚物的自主装进行调控。徐君庭等对近年来关于圆柱形结晶胶束生长动力学的研究成果进行了论述。他们总结了基于嵌段共聚物结晶成分的长度控制的各种生长动力学,以及影响该过程的其它因素。读者可以通过适当的化学合成和结晶来学习如何良好地调节控制晶体形态的基本概念和合成策略。聚合物结晶的通用概念也为其它领域提供了线索。文韬等总结了聚多肽的结晶和自组装相关的最新进展。韩艳春等系统地阐述了共轭聚合物单晶和纳米线,其中器件性能与局部填充结构和生长动力学密切相关。

由于多态性,相变是聚合物结晶中另一个经常遇到的问题。门永锋等通过DSCWAXD的组合,研究了i-PPβα的相变。他们提出了冷却样品增强βα-重结晶的新解释。由于微晶的填充结构与聚合物材料的最终宏观性能密切相关,因此控制结晶相至关重要。制备共聚物的有效方法之一是将其它单体嵌入所需材料的主链中。马哲等合成了具有1.5 mol%乙烯单元的丁烯-1/乙烯无规共聚物。他们通过静止相转变将II型转至I型以制备III型的混合物,并利用原位WAXS证明产率是II型到I型的相变的原因。除了结晶区的相变外,非晶组分的转变也很重要。雷彩虹等报道了单轴拉伸过程中预取向聚丙交酯的结构转变。在变形过程中,刚性无定型区(rigid amorphous fraction, RAF)和活动无定型区(move damorphous fraction, MAF)的演变与机械响应密切相关。

随着表征技术的快速发展,研究人员能够更深入地了解力诱导熔融中的链行为。张文科等使用基于AFM的单分子力谱直接测量和监测单分子水平的力诱导熔融过程。基于聚环氧乙烷(PEO)体系中,研究人员定量地表征了在力诱导的熔融过程中PEO的解折叠过程。

中国建立了许多大型科学设备。李良彬等系统地评述了聚合物结晶的一般信息和详细应用,并总结了中国主要的同步辐射和中子散射设施。高时间和空间分辨率使我们能够捕获瞬态,尤其是早期的结晶过程。王宗宝等利用同步辐射X射线散射来捕获热拉伸过程中凝胶纺丝超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的串晶(shish-kebab)结构演变过程。利用相同的技术,李忠明等研究了PE和线性UHMWPE混合物的流动诱导串晶,并首次证明了压力和长链对流动诱导的串晶结构的协同作用。

由于篇幅有限,这里并未涵盖所有聚合物结晶领域。通过此专刊中的论文和综述,我们期望看到中国科研工作者在实验和理论方面能够取得更多成就,促使“旧”聚合物结晶的信息推动其它领域的进一步发展。

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https://onlinelibrary.wiley.com/toc/25737619/current