聚合物碳纳米管复合材料的流变及松弛特性研究

本项目重点围绕聚丙烯/碳纳米管复合材料在剪切力场下可能出现负法向应力即挤出缩小的特殊而有趣物理现象，通过流变学方法对聚丙烯（以及聚乳酸）/碳纳米管复合材料的一系列结构参数与复合材料粘弹性和松弛特性之间的关系进行深入的研究，根据固－液转变出现的临界条件确定复合材料体系的流变逾渗值和凝胶强度等参数，建立聚丙烯（以及聚乳酸）及碳纳米管结构参数与流变逾渗之间的关系；在此基础上，通过改变聚丙烯基体(以及聚乳酸基体)与碳纳米管的结构特性参数，解析负法向应力出现的特定的相关条件和根源，阐明剪切力场下聚合物网络和碳纳米管网络的双重网络耦合形变与负法向应力之间的内在关系；进一步研究负法向应力出现后网络结构的形变与松弛以及聚合物分子链缠结受限与结晶行为之间的本质关系，为聚合物/碳纳米管复合材料的实际加工和应用提供理论指导和科学依据。

在本基金项目支持下，我们对于聚合物碳纳米管复合材料的流变及松弛特性进行了系统而深入的研究，取得了一系列的研究成果，圆满完成基金任务书提出的研究目标。本项目研究重点在于聚合物体系中碳纳米管网络结构的形成，重组和外力场下的变化，以及由此导致的复合材料在流变学和结晶动力学行为上的变化，并更进一步地研究了相关复合材料性能变化，包括力学，导电和加工性能的改变等。具体取得的研究成果体现在如下的若干方面，在聚丙烯/碳纳米管体系中揭示了碳纳米管网络结构与负法向应力的测试来源，该成果解决了近十年来的困惑，即曾报道的聚丙烯/碳纳米管体系中巨大的负法向应力的根源到底是什么，并发现在聚丙烯/碳纳米管体系中碳纳米管网络结构和聚丙烯基体粘弹性的耦合可导致奇特的挤出收缩现象，这说明对复合材料体系可望通过控制材料的黏弹性耦合消除聚合物挤出膨胀问题；在聚丙烯/碳纳米管体系中剪切场诱导成核和碳纳米管诱导成核存在协同作用，并显著影响聚丙烯的结晶动力学行为；对于聚乳酸/碳纳米管体系而言，碳纳米管长径比差别可导致显著的聚乳酸结晶动力学行为的变化，长径比小的碳纳米管存在更强的结晶成核效应；对于聚乳酸/聚己内酯/碳纳米管三元体系来说，碳纳米管在聚己内酯相区内和边界上的再分布并结合聚乳酸/聚己内酯体系的相分离可产生最优化导电性组合，这与体系内产生双重逾渗网络结构有着紧密关系；在聚乙烯/碳纳米管体系中发现热退火可导致碳纳米管网络结构的重组并使得导电性得以显著增强，该重组使得碳纳米管网络结构变得松散和连续，促进导电性的提高；在聚丙烯/弹性体共混物体系中借助紫外光辐照来诱导两相区的界面交联，导致界面交联网络形成，该界面层的出现使得体系的流变学行为发生显著的变化，并产生了同步增韧和增强该共混物材料的奇特效果；在上述研究成果的基础上，我们提出了制备含刚性链网络结构弹性体的设计思想，并成功合成了该类弹性体材料，其中刚性链网络结构的存在赋予了该弹性体增强的拉伸回弹性，并呈现了显著的应变硬化行为，这为新型弹性体的设计和生产提供了实验上基础。上述研究成果以13篇SCI论文分别发表于Macromolecules, ACS Applied Materials and Interfaces, Polymer Chemistry, Biomacromolecules, Soft Matter, RSC Advances等国际专业核心期刊。