从结晶性高分子加工“形态控制”到“定构加工”的结晶基础问题研究

The “structuring processing” of polymers aims to formation of unique morphologies (shish-kebab structure, interlinked shish-kebab structure, hybrid shish-kebab, transcrystallite, micro/nanofibril, micro/nanolayer) that cannot be obtained by conventional processing, in which the content and spatial distribution of the unique morphology are altered dramatically by unconventional external field during processing, leading to high performance and functionalized polymeric parts. However, the feature of external field in “structure processing” includes strong field, unsteady, multiple field, etc., which results in that it is hard to acquire the systematic understanding on the formation of structured morphologies under the typical field of “structure processing”. Therefore, we propose to improve (or setup) apparatuses with typical fields, i.e., strong flow field (including unsteadily strong shear flow and intense extensional flow), pressure-temperature field, and pressure-flow field, by which the crystallization kinetics and formation of some uniquely crystalline morphologies (including shish-kebabs, interlinked shish-kebabs, fibrillar crystal and crystal with high melting point) under the typical fields of “structuring processing” will be investigated, the mild conditions of “structuring processing” for the formation of large amount of the uniquely crystalline morphologies will be identified. Finally, based on our previous study, we will attempt to develop a technology of “structuring processing” for super-strong and super-wear resistant material by the achievement of enormous interlinked shish-kebabs of polyethylene. The results based on this proposal will be expected to shed light on the morphology evolution of semicrystalline polymers far from equilibrium conditions, and will also provide valuable fundamentals of “structuring processing”.

高分子“定构加工”是以生成特定结构（串晶、互联串晶、杂化串晶、横晶、微/纳纤、微/纳片层等）为目的，通过非常规加工外场（强流动场、强压力-流动场等）使特定结构含量与空间分布发生强烈变化，达到制品高性能化/功能化，可望在不改变原料基础上使性能升级。定构加工外场具有作用强、非稳态，及多种外场复合等典型特征。弄清定构加工典型外场下结晶性高分子特定晶体结构生成规律是实现定构加工的重点和难点。本项目拟改进或搭建装置，提供强流动场（包括非稳态强剪切和强拉伸流场）和压力-温度（流动）场，研究这些外场下典型结晶性聚合物结晶动力学和一些特定晶体结构（串晶、互联串晶、纤维晶及高熔点晶）生成规律，获得高含量、大尺度、宽范围生成这些特定结构的温和加工外场临界条件，并开展含大量互联串晶结构的高强高耐磨聚乙烯的定构加工。预期研究结果可促进结晶性高分子在非平衡态下结构演变规律的深入认识，也为其“定构加工”提供理论基础。

本项目围绕非稳态强流动场下高分子结晶认识不深入，“定构加工”中典型压力-温度（流动）场下高分子结晶研究缺乏，特定晶体结构的具体“定构加工”技术研制有待加强等问题，主要利用典型“定构加工”外场的科学装置，以典型结晶高分子（聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚偏二氟乙烯等）为研究对象，系统研究加工外场下特定晶体结构生成动力学、结构调控及其在制品中的分布与宏观性能的关系，阐明结晶高分子“非稳态加工外场-微观晶体结构-宏观性能”的密切关系，从基本原理到实际工程方案，按需设计，为拓展“定构加工”技术在生物医用材料领域的应用奠定良好基础。主要研究成果如下：（1）改进或搭建具有典型“定构加工”外场的科学装置，提供定量化非稳态强流动场、压力-温度场，以及压力-流动场，为结晶性高分子定构加工的结晶基础研究提供有力工具；（2）揭示压力-剪切-温度场下特定晶体生成动力学，以及压力-剪切-温度场参数与特定晶体多层次结构生成关系；（3）阐明结晶性高分子在非稳态强流动场（强剪切场和强拉伸场）下高含量特定晶体大范围的生成规律，获得特定晶体结构的定构加工临界条件；（4）将含特定晶体结构的“定构加工”技术拓展到生物医用材料领域，实现高性能高分子材料在关节置换、骨替代、骨组织工程等领域的应用。相关研究成果在Macromolecules、Journal of Materials Chemistry A等杂志发表SCI论文47篇，其中影响因子（IF）大于10.0的论文7篇，IF大于3.0的论文41篇，申请专利8项（授权3项）；培养中青年学术带头人4名；硕博士研究生15名（博士11名，硕士4名），其中已毕业10名，在读5名。获得多项自然科学类奖励，包括四川省科学技术进步自然科学类二等奖（2017年，排名第一），陕西省科学技术三等奖（2018年，排名第二），四川省科学技术进步自然科学类二等奖（2020年，排名第二）。多项研究成果具有应用前景，促进了结晶性高分子“定构加工”理论的深入认识，为制备高性能高分子材料提供理论指导。