AFM纳米力学图谱技术研究反应增容共混物界面的微观结构与纳米力学性能

The interfacial structure and mechanical property of polymer blends play a central role for improving its ultimate mechanical properties, while the available techniques to characterize and study the interfacial structure and mechanical property, especially the mechanical property at an interface, are still very limited, and to establish quantitatively the relationships between the interfacial structure and mechanical property is still a challenge. In the present project, we use AFM nanomechanical mapping that can simultaneously provides information related to the microstructure and mechanical properties of a materials to investigate the interfacial morphology, thickness, nanoscale mechanical property by controlling the composition, processing conditions, and interfacial adhesion; and to investigate the interfacial formation, development, and the effects of the above factors on the interfacial mechanical property. This work will establish quantitatively the relationships between the interfacial structure and mechanical property, and provides new insights into the fundamental understanding of the structure and mechanical property relationships and reinforcement mechanisms of polymer blends.

聚合物共混物界面处的微观结构与力学性能是决定其最终使用性能的关键因素，而如何表征界面处的微观结构与力学性能，尤其是表征界面处的力学性能，并建立二者之间的定量关系一直是该领域的研究难点。本项目利用原子力显微镜纳米力学图谱技术能同时表征材料微观结构与力学性能这一优势，通过调控反应增容共混物组份配比、加工条件及相间的界面粘结，对其界面微观结构、界面层厚度、界面处纳米力学性能；界面的形成、演化及二者反应在材料界面处纳米力学性能的变化进行系统性研究，从而建立和进一步深入理解界面结构与材料微观、宏观力学性能之间的量化关系，提出增韧增强机理的新见解，为反应增容共混物的界面调控和高性能化提供理论基础和技术支持。

界面结构与界面处力学性能是决定聚合物复合材料最终应用性能的关键因素之一。本项目通过原子力显微镜纳米力学图谱技术对聚合物复合材料微观结构的表征，揭示了界面反应、组份间相互作用强弱、加工条件等对聚合物复合材料微观结构、尤其是界面结构、界面层厚度及界面扩散动力学、界面处力学性能的影响规律。研究表明，随增容剂用量增加，界面层厚度先迅速增加然后逐渐趋于稳定。过量的增容剂易聚集在反应增容体系界面处。对聚合物间界面扩散研究表明，两动态交联聚合物间扩散为一级反应动力学过程。扩散导致在两聚合物间形成由两动态交联聚合物链段组成的、并具有力学性能梯度分布的界面层。而动态交联聚合物—线性聚合物间的界面扩散则远偏离一级酯基交换反应动力学。界面反应导致聚合物网络在界面处的破坏及溶解。退火时间越长，界面反应速率减小，并显示出强的分子量依赖性。对纳米粒子与聚合物间界面结构与性能的研究表明，pH值越低则纳米粒子与聚合物间相互作用越强，纳米粒子在界面处的堆积越紧密。纳米粒子向聚合物的扩散具有类 似 Case II 扩散的特性。当扩散达到平衡时，在界面处形成纳米粒子的聚合物饱和溶液。本项目的研究成果已在J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、ACS Macro Letters、Macromolecules等期刊上发表SCI论文8篇，会议论文8篇，待发表论文SCI论文1篇。通过该项目的研究，为聚合物复合材料微观结构、尤其是界面结构与性能的表征提供了新方法，揭示了聚合物间、聚合物/纳米粒子间界面扩散动力学及机理、为聚合物复合材料的界面调控和高性能化提供了理论基础和技术支持。