高分子纳米复合材料的界面结构及分子链松弛行为研究

The interface of polymer nanocomposites and the relaxation of interfacial polymer chains have drawn widely attention. However, academic controversy still exists on the mechanism and the law of the relaxation for the interfacial polymer chains associated with the glass transition. Our application is focus on the systematic research for the interfacial structure and the relaxation of the polymer chains in the polymer nanocomposites. From our previous research for PVA/silica nanocomposites, a new tan δ peak was found in DMA curves corresponding to the glass transition of the interfacial immobilized layer on the silica surface for the effect of size and confinement. Therefore, it is expected that the relationship between the interfacial structure and the glass transition(the relaxation of the polymer chains) could be found from the investigations on several representative polymer nanocomposites. And the size effect and shape effect of the nanoparticles on the polymer chains in polymer nanocomposites would also be investigated. After this research, it is anticipated that the structure characteristics of the interface in polymer nanocomposites should be understood. Moreover, the generating mechanism and the change law of the relaxation of polymer chains for polymer nanocomposites should be comprehended.

近年来高分子纳米复合材料的界面结构与纳米粒子如何影响界面区域的高分子动力学性质及其机理一直广受关注。对于其中界面区域的高分子动力学松弛行为以及与之相伴的玻璃化转变特征与规律，目前尚存争论。本申请项目着重对高分子纳米复合材料体系的界面结构与分子链松弛行为进行系统性的研究。前期研究中，我们利用DMA研究聚乙烯醇/氧化硅纳米复合材料时发现了对应于界面区域受到纳米粒子表面尺寸限制作用的聚乙烯醇分子链的松弛。由此，我们预期可以通过研究几种具有代表性的高分子纳米复合材料体系，发现不同体系中界面结构差异与高分子链松弛行为特征，并研究纳米粒子尺寸、形状等因素对高分子分子链限制作用的影响程度，弄清高分子纳米复合材料的界面结构特征，揭示高分子纳米复合材料的松弛动力学性质相关变化的产生机理，得到影响高分子纳米复合材料界面结构差异及分子链松弛行为变化的规律。

高分子纳米复合材料由于其超常的性能与潜在的应用而成为目前高分子复合材料研究的热点之一。同时，由于高分子纳米复合材料性能的提高与高分子基体和纳米粒子所形成的界面结构及性质密切相关，使得高分子纳米复合材料的界面结构与界面区域分子动力学特征是材料学研究中的一个十分重要的课题。通常认为，纳米粒子表面的高分子由于受到纳米粒子表面的限制作用应该表现出单独的热力学与动力学性质。但是，总体而言，现有的研究中完全支持界面区域具有单独动力学性质的比例并不高。现有文献中对于纳米粒子表面对高分子分子链的束缚作用的程度描述也有些模糊不清。进行研究的高分子种类与纳米材料的选取范围并不具有很强的代表性和系统性。本研究计划是要设计制备出几个具有代表性的高分子纳米复合材料体系：强极性高分子与不同形貌极性的纳米材料体系、中等极性高分子与不同形貌极性的纳米材料体系、弱极性或非极性高分子与不同形貌极性的纳米材料体系，研究这些高分子纳米复合材料界面结构差异的影响因素、玻璃化转变(高分子链松弛行为)特征，总结界面结构与玻璃化转变间的规律，探讨纳米粒子（尺寸、形状等）对高分子分子链限制作用的影响程度。研究内容主要包括(1)系列高分子纳米复合材料的制备及其界面表征；(2)系列高分子纳米复合材料的热分析及分子链松弛行为研究。在前期的进展报告中已经提及，纳米材料选择了球状氧化硅、一维凹凸棒与二维纳米双氢氧化物。强极性高分子材料我们选择了PVA与聚酚醛，中等极性高分子材料我们选择了PET、PBT、PMMA，弱极性与非极性高分子我们选择了聚苯乙烯。研究结果显示，高分子纳米复合材料中纳米粒子表面的界面区域的厚度与界面区域分子动力学性质可能主要取决于三个方面：高分子分子链的结构、纳米粒子表面的结构性质与纳米粒子的尺寸。