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南京大学胡文兵教授课题组:高分子熔体应力松弛的链间协同阻碍机制

高分子科学 高分子科技 2021-05-12
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作为典型的软物质,长链高分子熔体的力学性质表现出显著的黏弹性。我们已经明确,其高弹性来自于高分子强大的链构象变化能力所带来的熵弹性,其高黏度首先来自于劳斯模型所描述的高分子链单元之间的链接阻碍作用,其次来自于管子模型所描述的本体长链之间的缠结阻碍作用,而在缠结尺度以下的链间协同阻碍作用对黏度的贡献通常被处理成泄水模式下平均分配到每个链单元的摩擦系数,具体的流体力学相互作用机制并不清楚。

在国家自然科学基金委项目资助下,南京大学胡文兵教授课题组采用动态蒙特卡洛分子模拟研究伴随有应力松弛的单双轴拉伸诱导高分子结晶的热力学、动力学和形态学机制。他们将单链应力松弛的麦克斯韦线性黏弹性模型引入到动态蒙特卡洛分子模拟中,首先研究了一组平行拉伸变形的高分子链在无热熔体中发生应力松弛的链间协同阻碍机制。分子模拟再现了高分子熔体的德拜松弛及其埃伦尼乌斯流体特点。在这样的线性黏弹性响应条件下,他们对应力松弛这一非平衡过程进行了应力涨落分析,观察到对应于涨落峰顶处的过渡态出现了自发的链动力学异质性所导致的伸展链和线团两种状态共存现象(图a)。进一步的结构分析表明伸展链组分均匀分布在垂直于拉伸方向的平面内,说明其没有发生聚集分凝,属于局部涨落现象,而沿着拉伸方向则出现了优先松弛的线团组分链单元富集在中心位置区域,同时伸展链组分链单元富集在两侧区域的情况(图b),显示出二者在中心位置处发生了空间上的竞争,即伸展链的应力松弛在过渡态受到了处在中心位置线团的空间阻碍作用(图c)。

(a)本体高分子在约化温度为30的线性黏弹性条件下发生应力松弛的单链应力分布曲线随松弛时间的演化,显示在过渡态的红色曲线出现两个峰,分别对应线团和伸展链构象;(b)在过渡态沿着拉伸方向上线团组分链单元的分布曲线(红线)表明其占据在中心区域,伸展链组分链单元的分布曲线(蓝线)则富集在两侧区域,这种反差在应力松弛的早期就现出端倪;(c)局部的两条相邻伸展链在应力松弛过程中先后松弛造成中间过渡态出现空间拥堵现象示意图,红色和蓝色分别代表两条在熵弹性驱动下发生松弛回弹的高分子链。可以想象,在应力作用下,伴随着应变的发展,近邻的本体无定形高分子链之间采取平行取向排列的方式伸展开来。一旦开始允许应力松弛,平行伸展的每条链的链单元都想缩回到其共同的质量中心位置附近。然而,在总体应变保持不变的情况下,沿着拉伸方向上的中心位置横向空间有限,发生松弛的相邻高分子链就会出现争抢中心位置的空间拥堵现象。实际上,一开始在中心位置偶然拥有较多链单元的高分子链将优先发生应力松弛并迅速占据中心位置(图b),暂时阻挡了相邻伸展链的进一步松弛,使得过渡态出现伸展链和线团之间的短暂共存现象,直到该线团扩散出中心位置才腾出空间允许相邻伸展链松弛下来。这种局部发生的空间拥堵现象,引发了链动力学异质性,降低了伸展链的链构象变化能力,也就降低了这部分链的构象熵,于是在过渡态产生了链构象熵活化能位垒,拖慢了整体的应力松弛进程。高分子应力松弛过程中自发的链间协同阻碍作用是高分子独特的分子间流体力学相互作用的反映,给高分子线性黏弹性熔体较高的黏度带来了除链接作用和缠结作用之外的链构象熵活化能位垒的本征贡献。该工作将于Chinese Journal of Polymer Science印刷出版,题为“Local Transient Jamming in Stress Relaxation of Bulk Amorphous Polymers”。

原文链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s10118-021-2570-7


来源:高分子科学


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