超临界二氧化碳用于高性能聚合物纳米复合材料的制备研究

实现无机粒子的均匀分散，增强无机粒子与聚合物的界面作用，以及控制无机粒子在聚合物基体中的形态结构，是制备聚合物纳米复合材料高性能化的关键。本项目利用超临界CO2 对高分子材料和纳米填料的溶胀或溶解作用，增加高分子材料与纳米填料的掺混性，将超临界CO2引入碳纳米管的处理，制备聚合物包覆碳纳米管的复合粒子，增加纳米粒子与聚合物相容性，实现在聚合物中的均匀分散；利用超临界CO2在高分子加工中浸润、降粘和增塑作用，增加高分子活动性和结晶能力，在加工中的剪切场与温度场共同作用下，控制高分子及纳米填料在复合材料的取向结构、结晶结构、生成复杂的形态结构，探索超临界CO2作用下形成以纤维状纳米填料为shish ，以聚合物片晶为kebab的杂化串晶的可能性。研究制备的工艺、成型设备和工艺、超临界CO2加入量和排出对材料结构和性能的影响，为聚合物纳米复合材料的形态控制和高性能化提供新思路和新方法。

本项目基于超临界二氧化碳流体（scCO2）对高分子材料和纳米填料的溶胀或吸附作用，通过在多个聚合物纳米复合材料的加工制备过程中引入scCO2技术，系统研究了不同临界状态的二氧化碳对聚合物纳米复合材料的结构与性能关系的影响，并获得了具有广泛应用前景的性能良好的聚合物纳米复合材料，为聚合物纳米复合材料的形态控制和高性能化提供了新思路和新方法。.研究发现scCO2是一种优异的制备形态可控的聚合物纳米复合材料泡沫的方法。一方面，CO2是一种无毒、环保和廉价的发泡介质，可用于众多的生物可降解医用泡沫材料的制备；另一方面，由于scCO2具有临界条件温和（31.3℃，7.37MPa）、临界状态易改变的特点，也可用于一些不耐热泡沫材料和需要保持生物活性泡沫材料的制备。scCO2影响泡沫材料泡形态的因素主要包括饱和压力、饱和温度和饱和时间。在浸渍过程中,聚合物基体中的CO2吸附量随着饱和压力、饱和温度和饱和时间的增加而增加，这使得体系粘度降低、泡孔生长时间变长，有利于获得孔径更大和密度更低的泡沫材料；反之则可以获得小孔径、高密度的泡沫材料。同时我们还发现，应用scCO2饱和条件对泡沫形态的联合影响效应，可以在不同的饱和条件下获得形态一致泡沫材料。这一特性在泡沫的工业生产中也有较大的应用价值，如可以通过利用这一特性缩短生产周期；也可以在不影响泡沫性能的前提下通过降低饱和压力或者饱和温度的方式节约生产成本。借助scCO2在一种聚合物基体中引入单体和引发剂，并在基体中原位聚合，可以获得具有优异性能的聚合物纳米复合材料。这是由于原位形成的第二相高聚物以纳米尺寸分散于基体中，增加了两相间的有效界面作用面积，从而提高了材料的机械性能。第二相聚合物的加入量能随着scCO2状态的改变而改变，因而我们可以对材料的性进行有效调节。将对基本规律和本质机理的认识应用到调控加工制品的结构-性能，为最终实现高性能化打下基础。总之，通过开展本项目，从认识/总结现象规律，到探索本质机理，再到指导进行结构-性能调控，对如何用scCO2优化聚合物纳米复合材料性能构建了相对完整的研究体系，较好完成了原计划书中的既定研究目标。.