PP/PTFE微孔发泡材料的微纳层级结构构筑及其界面润湿性能研究

High performance and fictionalization of thermoplastic polymer foams by constructing and controlling micro structure is a research hotspot in macro molecular materials processing field. In our recent research we successfully prepared functional foams with excellent interfacial repellence through construction and controlling the micro-nano hierarchical structure of polypropylene (PP)/polytetrafluoroethylene (PTFE) composites via supercritical fluid microcellular foaming and surface modification thchniques. In order to explore the underlining mechanism, based on the preliminary results, we would use triple-screw extrusion technique to prepare high performance PP/PTFE composites that possess nano fibrillated networks, and investigate the controlling mechanism of micro pore and nano fibril network structure in the supercritical fluid microcellular foamed PP/PTFE composites in order to obtain robust superhydrophobic-superoleophilic foams. The mechanism of superamphiphobicity of the PP/PTFE foams, which is induced by the micro-nano hierarchical structure generated through surface etching and modification, would be explored as well, in order to establish the theoretical relationship model between the micro-nano structure of foams and their interfacial wetting behavior. The outcomes of this project will provide a green methodology and related theoretical basis on the preparation of a high stability functionalized thermoplastic foams, which overcomes the defects such as substrate limitation, processing complexity, low stability in common functionalized foams preparation based on surface coating method. Therefore, this project is meaningful in both scientific and practical aspects.

通过微观结构构筑和调控实现热塑性泡沫塑料的高性能化和功能化是高分子材料制备成型领域的研究热点。我们近期研究发现：通过超临界流体微孔发泡和表面修饰技术来构筑和调控聚丙烯（PP）/聚四氟乙烯（PTFE）三维多孔材料的微纳层级结构，可获得界面润湿性能优良的功能化泡沫材料。为了探明其机理，本项目拟在前期工作基础上，采用平行三螺杆挤出技术制备具有纳米纤维网络结构的高性能PP/PTFE复合材料，系统研究超临界流体微孔发泡PP/PTFE的微孔及纳纤网络结构调控机制，并获得耐用性超疏水/超亲油发泡材料；探究表面刻蚀及改性构筑微纳层级结构实现PP/PTFE发泡材料油水双疏的机理，建立发泡材料微纳结构与界面润湿性能的理论关系模型。项目成果将提供一种功能化热塑性泡沫塑料的绿色制备方法及理论基础，有助于克服基于泡沫塑料表面涂覆实现功能化时存在的材料受限、工艺复杂、稳定性差等缺陷，因而具有重要的科学与现实意义。

通过构筑微纳层级结构来实现高分子及其复合材料的功能化是拓展传统高分子应用领域的重要途径。本项目重点探索了采用三螺杆挤出技术和超临界流体微孔发泡技术来调控含有原位纤维化PTFE网络的高分子复合材料的微纳层级结构，并进一步实现三维多孔材料界面润湿性能的调控。项目实施过程中主要开展了以下三方面研究内容：（1）不同PTFE在高分子基体内通过高温和强剪切力场协同作用的原位成纤行为，重点探讨了PTFE在PP基体内的成纤行为及纳米纤维网络多PP结晶行为的影响；（2）含有PTFE纳米纤维网络的高分子复合材料的超临界流体微孔发泡行为研究及材料配方和工艺条件对微纳层级结构的影响规律；（3）构建三维多孔材料的界面润湿机理模型，通过微纳层级结构的构筑及化学改性来调控三维多孔材料的界面润湿性能实现超疏水/超亲油和超亲水/超疏油性能，以应用于选择性油污吸收。.在三年的研究过程中，我们结合前期预研基础，充分发挥项目团队的专业特长，在以上几个方面开展了大量的科研工作。取得了以下几项重要研究成果：（1）证明了三螺杆挤出中强剪切作用对形成均一连续PTFE纳米纤维网络的重要作用；（2）验证了PTFE纳米纤维网络对多种高分子材料体系具有良好的增韧和增强效果；（3）PTFE纳米纤维网络可显著提高PLA结晶度，诱导PP形成串晶，并提高材料体系的熔体强度；（4）PTFE纳米纤维网络作为异相成核点显著提升基体材料微孔发泡的泡孔密度；（5）实现PP/PTFE多孔材料微纳层级结构的调控，并形成倒梯形界面结构；（6）开发了包含结构参数的三维多孔材料超浸润界面理论模型，可指导材料结构设计；（7）制备了高稳定性的超疏水PP/PTFE多孔材料可用于自清洁油污吸收等应用。.本项目采用高分子成型工艺在PP/PTFE微孔发泡材料表面构筑了微纳层级结构，实现了材料超浸润界面性能的调控并提供了相关的理论模型。研究成果对界面功能化复合多孔材料的制备和工业化生产有重要意义。