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江苏大学聂仪晶课题组《Polymer》:拉伸聚乙烯/碳纳米管纳米复合材料中的前驱体形成和成核

化学与材料科学 化学与材料科学 2022-09-02

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构建聚合物加工条件与其结晶行为之间的关系是实现聚合物力学性能可控的关键点之一。江苏大学聂仪晶副教授课题组在《Polymer》上发表了名为“Precursor Formation and Crystal Nucleation in Stretched Polyethylene/Carbon Nanotube Nanocomposites”的文章(doi.org/10.1016/j.polymer.2021.124438)。聂仪晶课题组基于分子动力学模拟方法构建了碳纳米管填充的聚乙烯体系,充分松弛后进行高温拉伸,随后进行降温结晶。结果表明,拉伸会导致碳纳米管沿拉伸方向的取向,同时取向的碳纳米管也会诱导界面聚乙烯链段沿碳纳米管轴向方向发生局部取向。因此界面聚乙烯链段受到两个取向效应的影响:碳纳米管诱导的界面链段取向和拉伸诱导的界面链段取向。因此,相比于远离碳纳米管的聚乙烯链段,界面聚乙烯链段更有可能在拉伸过程中演化为前驱体,并在随后的结晶过程中形成取向的晶体。相关理论分析揭示,在低应变拉伸体系的结晶过程中,碳纳米管诱导的界面链段的异相成核过程更为重要,因为异相成核的自由能位垒更低。然而,在高应变拉伸体系的结晶过程中,拉伸诱导的取向链段的均相成核变得更加重要,这可以归因于拉伸导致的分子链构象熵和取向熵的显著降低。
 


图1. (a)聚乙烯纳米复合材料拉伸到不同应变的快照;(b)在拉伸过程中碳纳米管轴和聚乙烯键沿拉伸方向的取向度参数的演化过程;(c)拉伸过程中聚乙烯链末端距的演化;(d)在结晶开始时(前500 ps)界面区PE键的沿CNTs轴向和拉伸方向的取向度参数的演化,以及所有PE键和CNTs轴沿拉伸方向的取向度参数的演化。
 


图2. (a)在拉伸到不同应变(1、2和3)时体系中前驱体(蓝色)的快照; (b)在拉伸到不同应变时属于前驱体的beads在界面区和整个系统中的分数。
 


图3. (a)不同应变下聚乙烯/碳纳米管复合体系在结晶过程中结晶度的演化;(b)不同应变的复合体系在5 ps结晶时间下形成的微晶(蓝色)快照;(c)不同应变的复合体系在结晶度为0.1时的界面区结晶度。

 
图4. 利用理论方程对异相成核的成核速度与均相成核的成核速度的比值与有效微观拉伸比的关系进行非线性拟合。
 

作者简介

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聂仪晶,江苏大学材料科学与工程学院副教授,高分子材料与工程系主任,主持国家自然科学基金面上项目一项,主要从事高分子结晶的分子模拟、自愈合弹性体的分子设计及其功能化、橡胶复合材料微观网络结构与性能的关系、水性涂料的制备等领域的研究,发表SCI论文70余篇。


原文链接

https://doi.org/10.1016/j.polymer.2021.124438


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