流动场诱导等规聚丙烯成核的非平衡特性

　　作为典型的外场驱动和动力学控制过程，流动场诱导高分子结晶对于非平衡物理研究和实际工业生产具有重要意义。过去数十年，科学界进行了大量实验和理论工作用于理解预有序和串晶结构形成、分子和流场参数对成核的影响等涉及流动场诱导结晶的许多问题。然而，由于实验技术的限制，流动场诱导结晶的非平衡特性并没有被很好地认识。中国科学技术大学一个研究组对流动场诱导高分子结晶的非平衡特性进行了深入的研究，相关研究成果发表在2015年1月28日的《Macromolecules》上。 

　　该研究组结合在北京同步辐射装置1W2A-小角散射实验站开展的原位同步辐射超快X射线散射与伸展流变测试，发现在130到170^oC温度区间内，等规聚丙烯熔体成核所需的临界拉伸应变保持不变。这一结果与经典熵减模型预测的应变-温度等效性相矛盾，反映了流动场诱导结晶的非平衡特性。为了解释强流场下晶体成核的无温度依耐性，他们提出实际成核过程可能涉及拉伸诱导的多层次结构之间的动力学转变，即无序熔体→刚性螺旋构象→预有序体→晶体。通过引入coil-helix和isotropic-nematic转变理论，研究进一步定量地说明了流场作用下的三步成核过程。 

　　图1 强流场下成核动力学过程：无序熔体→刚性螺旋构象→预有序体→晶体。

　　这项研究为理解流动场诱导高分子结晶的非平衡特性迈出了重要一步，并为调控聚丙烯产品的工业生产提供了理论依据。实验中，样品的高速拉伸过程仅持续数百毫秒，十毫秒量级时间分辨的同步辐射X射线散射为实现这一过程的原位结构跟踪提供了不可替代的技术优势。更亮的同步辐射光束线及更高的时间分辨探测势必会为研究极限外场下材料的非平衡相变行为开辟一条捷径。