基于拉伸流场驱动的宽分子量分布聚乙烯熔融纺丝技术：实现高强度、高模量及优异抗蠕变性能的突破

针对高MW聚乙烯(HMWPE)熔融纺丝过程中因强剪切导致分子量(Mw)下降和链缠结难题，研究人员创新性采用双螺杆偏心转子挤出机(TERE)构建拉伸流场，成功制备出拉伸强度达1.87 GPa、25℃蠕变率仅1.22%的宽MW分布(WPE)纤维。通过SAXS/WAXD/SEM揭示了高Mw组分和系带分子(tie molecules)对形成致密串晶(shish-kebab)结构的关键作用，为高性能聚乙烯纤维的工业化生产提供了新策略。

　　

高性能聚乙烯纤维(HPPE)被誉为第三代高科技纤维，在军事防护、航空航天等领域具有不可替代的作用。然而，传统凝胶纺丝法虽能制得强度超过2.5 GPa的纤维，却面临有机溶剂污染、能耗高等瓶颈；而熔融纺丝虽环保高效，但高MW聚乙烯(HMWPE)因链缠结严重导致熔体粘度高、加工困难。更棘手的是，常规螺杆挤出机的强剪切力会使HMWPE分子量(M_w)大幅下降，严重影响纤维性能。这一矛盾成为制约熔融纺丝技术发展的"阿喀琉斯之踵"。

华南农业大学的研究团队独辟蹊径，提出通过拉伸流场驱动的新型熔融纺丝技术。他们采用创新的双螺杆偏心转子挤出机(TERE)，在保留高分子量的前提下有效解缠结，成功实现宽分子量分布聚乙烯(WPE)的高效加工。当拉伸倍数为25时，所得WPE-25纤维的拉伸强度达1.87 GPa，比中、窄分布样品分别提高49.6%和122.6%；其25℃蠕变率仅1.22%，显著优于对比样品。这项突破性成果发表在《European Polymer Journal》上。

研究团队主要运用了三大关键技术：通过凝胶渗透色谱(GPC)定量分析分子量分布；采用流变仪测定熔体流动特性；结合小角X射线散射(SAXS)、广角X射线衍射(WAXD)和扫描电镜(SEM)多尺度表征晶体结构演变。实验选用Cr/V双金属催化剂制备的宽分布聚乙烯(WPE, M_w=356 kg/mol)为原料，与两种商用级聚乙烯(MPE和NPE)进行系统对比。

【分子结构及 nascent particles 相容性】

GPC结果显示WPE保持更完整的"粗短"峰形，表明其高/低M_w组分分布更广。流变测试证实WPE的储能模量(G')和损耗模量(G")均低于对比样品，说明其更易加工。

【晶体结构演变】

SAXS/WAXD分析发现，WPE纤维在热拉伸过程中形成更多系带分子(tie molecules)，促进致密串晶(shish-kebab)结构的形成。SEM直接观察到WPE-25具有更规整的层状晶体排列。

【力学性能与蠕变行为】

拉伸测试表明WPE-25的强度、模量全面领先。蠕变实验显示其100小时形变率最低，归因于高M_w组分构建的三维网络结构能有效抑制分子链滑移。

该研究通过Doi-Edwards和Huang-Brown模型定量计算发现：宽分布聚乙烯中每100个碳原子的缠结密度(ν)比窄分布样品低15%，而系带分子形成概率高38%。这解释了为何WPE能在拉伸流场中更易解缠结，同时保留更多贯穿晶区的长链分子。

这项研究不仅揭示了分子量分布对聚乙烯纤维性能的调控机制，更开创性地证明：通过精确控制MWD和加工流场，熔融纺丝完全可能达到接近凝胶纺丝的力学性能。该成果为上游催化剂设计、分子结构优化提供了理论指导，对推动高性能纤维的绿色制造具有里程碑意义。尤其值得一提的是，TERE技术相比传统螺杆挤出节能约30%，且完全避免溶剂使用，真正实现了"性能提升"与"绿色制造"的双赢。