耦合热场与应变场调控高缠结UHMWPE凝胶中串晶结构的高效形成机制

为解决高缠结超高分子量聚乙烯(UHMWPE)结晶结构演化受限的难题，研究人员通过低温塑化策略构建保留原始串晶(shish)的高浓度凝胶体系，结合原位WAXD/SAXS/USAXS与离位表征技术，揭示温度场与拉伸速度协同调控下串晶-串珠(shish-kebab)结构的形成机制，最终实现结晶度提升40%、取向度增加5%的显著效果，为高强度UHMWPE薄膜工业化生产提供理论支撑。

　　

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)因其卓越的力学性能在军工和民用领域应用广泛，但其高分子链的高度缠结特性却成为制约结晶结构优化的瓶颈。传统加工过程中，缠结网络会阻碍应力诱导的晶体取向，导致材料强度难以突破理论极限。如何在不牺牲材料加工性能的前提下，实现高取向晶体结构的可控构筑，成为高分子材料领域亟待解决的科学问题。

中国科学院上海有机化学研究所的研究团队创新性地提出"低温塑化-保留串晶"策略，选用分子量M?_v=1.9×10⁶g/mol的UHMWPE树脂，通过20wt%高浓度凝胶体系保留原料中的串晶模板。研究人员采用多尺度表征技术联用方案：原位监测方面，利用上海同步辐射光源BL16B1线站进行广角/小角X射线衍射(WAXD/SAXS)，BL10U1线站完成超小角散射(USAXS)测试；离位分析则结合扫描电镜(SEM)、差示扫描量热(DSC)和动态力学分析(DMA)等手段。

温度场调控机制部分，研究揭示三个关键温度阈值：低于β松弛温度(T_β)时，分子链被"冻结"；在α_Ⅰ-α_Ⅱ区间，晶区链段开始运动但受限；超过α_Ⅱ温度后，热-力耦合场促使解缠结发生。特别在近熔点拉伸时，串晶/串珠结构的形成速率提升2.5倍(Iq_shish/Iq_kebab比值)。拉伸速度实验表明，低速拉伸使结晶度提升40%，取向度增加5%，更利于高取向shish-kebab结构的形成。

该研究突破性地证明：保留的串晶模板与可控缠结网络可协同抑制晶体偏转，热-力耦合场能有效激活链动力学。通过精确调控α松弛温度以上的加工条件，可实现串晶结构的高效转化，为开发新一代高强度聚乙烯薄膜提供了可量化的工艺窗口。论文成果发表在聚合物领域顶级期刊《Polymer》上，获得国家自然科学基金(52173021)等项目的支持。