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四川大学傅强/向明教授团队《Sci. China Chem.》综述:基于“定构加工”思想制备高性能/多功能聚合物薄膜

日期: 来源:高分子科技收集编辑:中国科学:化学
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经过100多年的发展,聚合物加工已经从传统加工技术发展到现代“定构加工”技术("structuring" processing),即利用聚合物独特的长链结构和长松弛时间特点,设计各种各样的凝聚态结构,并通过加工技术将其转化到最终产品中,从而实现高分子材料的高性能化和多功能化。四川大学傅强和向明教授团队合作撰写综述,总结了基于“定构加工”思想制备不同类型的商业化聚丙烯薄膜,阐明“定构加工”的科学概念和内涵,并展望了聚合物薄膜领域的发展前景。

100年前,Staudinger率先提出了长链大分子概念,为高分子科学与工程奠定了基石。经过一个世纪的快速发展,高分子材料以其低廉的成本、优异的加工和使用性能,成为军事领域和人们生活中不可或缺的材料。全球每年消耗约4亿吨高分子材料,产值超5000亿美元,其中70%为半结晶高分子。
聚合物加工是将原料树脂转变为不同形状和不同性能的产品的过程,对于高分子材料的广泛应用至关重要。聚合物加工起源于早期的橡胶和塑料成型技术(1850-1950年)(图1),大量聚合物加工设备被发明出来,例如密炼机、挤出机和注塑机等(研究思路:设备→加工→产品)。20世纪下半叶(1950–2000年)进入了“传统聚合物加工”阶段,加工设备不断升级换代,人们开始关注加工过程对产品结构和性能的影响(研究思路:加工→结构→性能)。21世纪初,高分子科学与工程快速发展融合,“现代聚合物加工”技术应运而生,利用计算机模拟、向自然学习等,将设计的分子链结构和凝聚态结构通过加工技术转化到产品中,开发出各式各样的高性能聚合物产品,鉴于此,作者提出了“定构加工”思想(研究思路:结构→加工→性能)。而未来聚合物加工技术将进入多学科交叉领域,其目标是将预先设计的各种性能转化到聚合物产品中(研究思路:性能→结构→加工)。
1. 聚合物加工技术的发展历史
高分子具有独特的长链结构和长松弛时间特点,在实际加工过程中,其分子链构象很难达到热力学平衡态(高斯缠结状态)。在温度场和应力场作用下,聚合物分子链可以冻结在不同的非平衡构象,从而赋予同一种材料不同的凝聚态结构和使用性能。本综述中,作者以等规聚丙烯(iPP)为例,在其团队前期丰富的理论研究和产业化成果基础上,总结了基于“定构加工”思想制备不同类型的单向/双向拉伸iPP薄膜(图2)。(1)通过控制冷却温度和降温速率以调控iPP的结晶过冷度,从而获得不同尺寸的球晶,双向拉伸后可制备光学和力学性能优异的BOPP薄膜,其被广泛应用于包装和薄膜电容器领域。(2)改变熔融挤出温度和停留时间以控制β成核剂在iPP熔体中的溶解度与自组装行为,成功制备出球晶、横晶、树枝晶和花瓣晶等不同超分子结构的β晶体,在双向拉伸过程中会发生晶片/球晶分离和β→α相转变从而诱发微孔形成,其可应用于锂离子电池隔膜和透气膜领域。(3)通过高过冷度与强剪切场的协同作用,控制iPP分子链的取向与结晶行为,制备出晶片垂直于挤出方向平行排列的串晶结构,在单向拉伸过程中会诱发晶片分离从而形成均匀分布的狭缝状微孔,其是目前市面上应用最广的干法锂离子电池隔膜。(4)为了获得上述不同的凝聚态结构,设计了静电定边、风刀压片、双辊流延、真空吸附等先进的挤出流延成膜装备,成功实现不同iPP薄膜高效率、高品质工业化生产,并引领中国成为当今全球最大的锂电池隔膜制造国。
图2基于“定构加工”思想制备聚合物薄膜
未来聚合物薄膜的发展方向是更薄、更轻、更强,薄膜厚度将从微米级发展到纳米级,而纳米薄膜通常需在高过冷度、强剪切的远离平衡态下制备,其对聚合物的结构设计和加工技术提出了更高要求。“定构加工”的本质是将传统的“加工→结构”的研究思路转变为“结构→加工”,将预先设计的分子链结构和凝聚态结构,通过先进的加工技术转化到最终的产品中,从而实现高分子材料的高性能化和多功能化,“定构加工”的研究思想将引领高分子材料加工技术的进一步发展。
该综述近日以“Practicing the concept of “structuring” processing in themanufacture of polymer films”为题在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。四川大学高分子研究所的副研究员吴桐为论文的第一作者,傅强教授为论文的通讯作者。
原文链接:
https://www.sciengine.com/SCC/doi/10.1007/s11426-022-1520-9


来源:中国科学化学


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