剪切场诱导半结晶型聚合物Shish-Kebab的形成机理和结构与性能调控

This project focuses on the crystallization behaviors of two mostly studied semicrystalline polymers, isotactic polypropylene (iPP), a polyolefin product and polylactide (PLA), a biodegradable polymer under shear flow fields. The effect of long chain branching and lightly cross-linking on the formation of shish-kebab precursors will be explored mainly through novel designed shear methods and the advanced technique of small-angle X-ray scattering (SAXS) and wide-angle X-ray diffraction (WAXD), aiming to unveil the nature of flow-induced precursors of shish-kebab. By introduction of nanoparticles such as chemical modified carbon nanotubes (CNT) into both of the two polymers or the stereocomplex crystals of PDLA/PLLA into PLA, the crystalline morphologies, crystallization kinetics, the relaxation behaviors and the relationship between the crystallization kinetics and transformation of crystalline morphology can be systematically studied, respectively, mainly by rheological method coupling with polarized optical microscopy. Thus, the theory of shear-induced crystallization can be testified as well from these hybrid polymer composites. Furthermore, by applying the experimental results to real processings such as extrusion, injection molding, film blow molding and fiber spinning, and by testing the mechanical or other properties for the processed polymers and their hybrid composites, the foundation for industrial processing and application can be built up.

本项目主要以两种广泛被研究的半结晶型聚合物，聚烯烃类的聚丙烯和生物可降解性类的聚乳酸为主要研究对象，通过小角度X射线散射和广角度X射线衍射，设计新颖的分步剪切方案研究分子链结构如长链支化或者微交联对聚合物shish-kebab前驱体结构形成的影响, 揭示其shish-keabab前驱体的真实面目。同时对该两种聚合物的复合物体系如与碳纳米管改性后复合的聚丙烯或者聚乳酸纳米复合体系或者含聚乳酸立构复合晶的聚乳酸体系进行在剪切场下的结晶形貌和结晶动力学的研究，利用流变学法确立改性微结构对改性体系的链松弛行为的影响，配合偏光显微镜法研究聚合物填充体系结晶动力学与取向结晶形貌转变的关系，验证目前相关的剪切场诱导取向结晶理论的实用性和有效性。把对聚合物改性体系剪切场诱导结晶的实验结果应用于实际加工过程如挤出、注塑、吹塑和纤维纺丝来制备样品，测试其力学性能，为聚合物及其改性体系的加工和工业应用奠定基础。

本项目基于聚烯烃类的聚丙烯和生物可降解性类的聚乳酸，设计新颖的分步剪切方案研究分子链结构或者微交联对聚合物shish-kebab前驱体结构形成的影响。在本基金支持下，系统研究了流动场下预成形球晶对等规聚丙烯的剪切诱导结晶行为的影响，确定了剪切速率和温度对预成形球晶在剪切诱导下结晶形貌的关系，为揭示半结晶聚合物shish-kebab的真正面目提供更进一步的指导作用。成功地制备了一系列长链支化聚乳酸/右旋聚乳酸共混物，并利用流变学方法研究了其结晶动力学，考察了支化结构和立构复合晶对聚乳酸结晶动力学和结晶形貌的影响并探讨了其不同结晶方式机理；以交联聚己内酯为研究对象，原位研究了其在拉伸过程中的结晶形貌演化，揭示了拉伸场下应变诱导结晶动力学及其与结晶形态上的关系，探讨了结晶过程中应力与结晶形貌的依赖性，为交联聚合物在拉伸诱导结晶shish-kebab的形成提供了理论指导；制备了不同剪切条件下的聚乳酸三元共混物，研究了剪切速率对聚乳酸共混物缺口冲击强度、拉伸强度以及热变形温度的影响，考察了聚合物相形态和结晶形态的演变对最终产品性能的影响，为聚乳酸实际生产加工提供理论指导；合成了聚乳酸-聚异戊二烯-聚乳酸三嵌段聚合物，研究了微观结构与结晶驱动力协同导致的微观结构形貌变化。通过小角度X-射线散射实验揭示了相间距和分子量之间的关系。研究了溶液浇铸和熔融淬冷两种方式对样品力学性能的显著影响，揭示了聚乳酸结晶度与增强力学性能的关系，为调控聚乳酸力学性能提供了指导。以上内容研究了聚丙烯和聚乳酸等半结晶高分子在流动场下的结晶行为及其与力学性能的关系，对揭示聚合物流动场诱导shish-kebab 的形成机理具有重要指导价值。本项目从基础研究出发，最终落实到材料的开发和应用，为聚合物及其改性体系的加工和工业应用奠定理论基础。