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

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，成为某些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）。

图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。

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【通讯作者简介】

傅强，四川大学高分子科学与工程学院教授/博导、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者，主要从事高分子材料成型加工和聚合物共混改性与纳米复合材料的研究。发表SCI论文500余篇，他引14000余次，h-指数72，入选爱思唯尔（Elsevier）2014-2021年中国高被引学者榜单（材料类）。以第一完成人身份获国家技术发明二等奖、省部级科技进步一等奖五项。获国际著名高分子期刊Polymer冯新德优秀论文奖两次、中国化学会高分子基础研究王葆仁奖。

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