流动场诱导的高分子有序及其在加工-形态结构控制中工程实现

本项目针对高分子材料高性能化的基本原理性问题，利用同步辐射研究手段与原位剪切和拉伸等装置的配合，研究流动场诱导高分子长短链共混体系中的构象有序，预有序和结晶，弄清长短链在流动场诱导结晶过程中分别的作用，建立包含预有序的流动场诱导结晶分子图像。将模型体系研究获得的基本原理和规律，应用到加工外场-形态仪上模拟实际成型，控制和调节晶体的形态结构。而后进一步利用流动场设计和调控不同尺度结构的取向参数，研究不同尺度结构的取向参数与力学性能的关系。为高分子材料的高性能化从基本原理出发提供设计思路和方案。同时建立一套利用同步辐射先进检测手段研究高分子材料成型加工-结构-性能关系研究的实验方法学，为高分子用户开展工作服务。

高分子材料的高性能化与加工过程中流动场参数密切相关，研究流动场诱导的高分子结晶既是高分子物理的基本问题，也是指导高分子加工的必要知识。高分子加工包含两个关键科学问题：非线性流变学和流动场诱导的相变。其中如何通过分子和外场参数来调控结晶过程，实现材料的高性能化是我们工作的重点。本项目完成的主要工作如下：（i）针对加工外场下高分子结晶的重要老难题，基于同步辐射光源发展和研制红外谱学-流变、X射线散射-伸展流变、散射/谱学-力学测试原位方法和装置等；（ii）结合显微红外和微聚焦X射线衍射分别获得的构象和晶体分布信息，发现剪切诱导成核和晶体生长前端存在预有序结构；（iii）在近平衡慢速拉伸条件下，我们在经典熵减模型的基础上，将流动场诱导的晶核自由能的变化耦合到经典成核理论中，发展改进了近平衡条件下流动场诱导成核的模型，建立起应变—链构象—晶核形态之间一一对应关系；（iv）在远离平衡条件的强流场下，发现高分子结晶是一个从分子链内构象有序（coil-helix）-分子间液晶有序-结晶的多步骤有序过程，揭示了流动场诱导结晶的非平衡特性，并提出了一种非经典的动力学成核方式；（v）采用散射/谱学-力学测试结合的方法，构建聚丁烯、聚乙烯、聚丙烯等高分子微观相变/晶体形变与力学性能的关系，揭示天然橡胶优异力学性能可能来源于分子尺度的熵弹性、纳米尺度结晶的焓弹性和微米尺度软硬双网络的协同作用；（vi）在基础原理研究的基础上，项目组进行了一系列工程拓展研究，研制高分子材料挤出加工与X射线散射联用装备，实现对模型工业加工的在线研究；研究了碳纳米材料与流动场对结晶的协同作用，多相多组分体系的共混动力学等，对材料工程化奠定了一定基础；研制了恒幅宽薄膜拉伸装置，在线研究聚丙烯及聚乙烯在拉伸过程中的结构演化及锂电池多孔膜的形成机理以及其结构与性能的关系。