非球形固体粒子的制备及其对多组分聚合物在流场下结构形成及稳定性的影响

Although highly versatile and widely used, a fundamental understanding of particle-filled immiscible polymer blends is lacking and basic science is necessary to prepare multiphase polymeric materials with well-controlled structures and performers both efficiently and economically. The proposed research aims to understand how characteristics of solid particles, in particular, shape, size and surface chemistry, determine the morphology formation and stability of immiscible polymer blends with a progressive change in viscoelasticity. Shape-controllable anisotropic polymeric and inorganic particles will be prepared and then blended with polymer blends to construct model systems for mechanism investigation. Taking advantage of model systems, we will (a) investigate the diffusion, migration and selective location of anisotropic particles in viscoelastic polymeric components and their impacts on the bulk and interfacial properties of blends, (b) determine the morphology evolution dynamics of polymer blends in the presence of anisotropic particles, including droplet coalescence, breakup, deformation and relaxation, both in quiescent state and under flow, and (c) complement microscopic, rheological and light scattering experiments with theory to delineate the respective contributions of particle characteristics, especially shape, on the morphology evolution of polymer blends. This program will afford new insights into the fundamental origins of complex structural evolution in particle-filled polymer blends, and contribute to the advancement of relevant science and technique.

本项目拟通过薄膜拉伸法及化学合成法制备外形可控的非球形固体粒子，与高分子共混物复合构建模型体系，借此深入揭示粒子形状、尺寸及表面特性在决定多组分聚合物复合材料微观结构形成及稳定性中的相对贡献。本项目将利用动态/小角激光光散射、低温扫描电镜、荧光共聚焦显微镜、光学-剪切联用系统及动态流变等技术，重点研究（1）非球形粒子在制备过程中的形成机理、形变动力学及控制；（2）非球形粒子在不同黏弹性的模型共混体系中的扩散、迁徙及选择性分布行为；（3）微球形状对流场下模型共混物形态演变的微观动力学过程（包括相区的凝聚、破碎和松弛等）及流变学响应的影响。本项目从微观及在线的角度对固体粒子稳定多组分聚合物复合物制备过程中发生的结构演化进行基础研究，对深入认识这类体系在流场下的结构演化和稳定性的控制因素、澄清现有实验现象及机理研究中的分歧与争议具有重要意义，可为制备具有预想微观结构及宏观性能的新型复合材料提供理论指导和实验依据。

无机粒子增容为基于多组分通用高分子材料来制备低成本、高性能及功能性的新型材料开辟了崭新道路。由于制备过程及聚集效应等原因，无机粒子通常具有各向异性的外形，但是目前对其在黏弹性高分子共混物结构形成及稳定性中的重要作用尚缺乏系统认识。本项目通过溶液浇膜-机械拉伸法、一锅化学合成法制备了具有可控长径比、表面性质的非球形聚苯乙烯（PS）和SiO2微米固体粒子。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）技术、光学-剪切联用系统等在线手段揭示了上述固体粒子在聚二甲硅氧烷（PDMS）/聚异丁烯（PIB）、PS/聚酰胺6（PA6）、聚丙烯（PP）/PS等模型体系两相及界面处的迁徙扩散和选择性聚集行为，研究了固体粒子的结构参数（形状、尺寸及表面特性等）、共混比、流场条件等因素对流场相形态演变的微观动力学过程（包括相区的凝聚、破碎和松弛等）及流变学响应的影响。发现了大长径比粒子导致的受限凝聚及涡流取向现象，并成功利用基于流体力学框架的Jeffery轨道理论进行了合理解释，揭示了涡流取向对粒子含量、流场受限程度、剪切速率等因素的依赖性。此外，我们还发现固体粒子在增容机理、组分亲和性上的差异性可导致粒子增容效率存在明显的协同性、剪切速率及组分比依赖性等。分散相在流场下的形状及空间排列形式均与粒子性质及共混比相关。界面活性粒子的增容及桥接的相互竞争可导致截然不同的形态调控效应。在较低速率下，固体粒子甚至可以通过“桥接-反润湿”或“粘结-凝聚”等机理导致共混物发生严重的形态粗化。与均相粒子不同，两亲性粒子增容具有对共混组成不敏感的特点。本项目从微观在线角度对含固体粒子的多组分高分子复合物制备中的结构演化过程进行了基础研究，所得结论及认识对深入理解这类体系在流场下的结构演化和稳定性的控制因素、澄清现有实验现象及机理研究中的分歧与争议具有重要意义，可为制备具有预想微观结构及宏观性能的新型复合材料提供理论指导、实验依据和新的思路。本项目共发表SCI论文25篇、申请专利3项（授权2项），培养研究生7人。