聚合物高强超韧层状仿生结构制备及强韧化机理研究

Controlling the microstructure of polymer by developing novel processing technique is the most important pathway to achieve high performance polymeric materials and products. Studies have shown that the formation of special hierarchical microstructures is one of the effective methods for improving product performance. Under the applying of bionic structure design and structuring processing concept, the program will produce high performance self-reinforced, toughened crystalline polymer with nacre-like hierarchical ordered layered micro/nano pore structure via the new method combing “solid plastic molding” and “supercritical gas low temperature microcellular foaming” techniques. It is studied systematically that structure evolution law in polymer spherulite crystal zone under the effect of plastic deformation. Investigate the micro-structure evolution and the mechanism of micro/nano pores formation for the supercritical gas low temperature microcellular foaming of the crystalline polymer moulded by plastic flow. Elucidate the influencing rules of the micro/nano pore size, density, distribution and structure on the macro-properties of polymer. Establish basic relationship for structure and properties of crystalline polymer samples with hierarchical ordered layered micro/nano pore structure and propose mechanism of strengthening and toughening. The research result will promote the development of high-performance manufacture technology and theory for polymer, and high-performance application for general polymer materials, having important scientific and practical significance.

通过加工成型新方法调控聚合物微观形态结构，是实现高分子材料及制品高性能化的重要途径。研究表明，形成特殊的多层次微观结构是提高制品性能行之有效的方法之一。本项目运用仿生结构设计与“定构”加工理念，利用“固态塑性成型”与“超临界气体低温微孔发泡”相结合的加工新方法，制备具有多级有序层状微纳米孔仿贝壳珍珠层结构的结晶聚合物制品。系统研究在塑性形变作用下结晶聚合物球晶晶区发生的结构演变规律，探究经塑性流动成型后的结晶聚合物在超临界气体低温微孔发泡过程中微观结构变化和微纳米孔形成机理，阐明微纳米孔大小、密度、分布以及发泡后的形态结构演变对聚合物宏观性能的影响规律，建立具有多级有序层状微纳米孔结构的结晶聚合物样品结构与性能的基本关系，并提出强韧化机理。研究成果将促进聚合物高性能化成型加工技术及理论的发展，以及通用高分子材料的高性能化应用，因而具有重要的科学与现实意义。

通过加工成型新方法调控聚合物微观结构，是实现高分子材料及制品高性能化的重要途径。形成特殊的多层次微观结构是提高制品性能行之有效的方法之一。本项目利用“固态塑性成型”与“超临界CO2低温微孔发泡”相结合的加工新方法，制备出具有层状微纳米孔微观结构的聚乳酸（PLA）制品。研究结果表明，PIF-C-PLA样品内部呈现“皮-芯”结构，芯层为高度取向的微纤结构，皮层为椭球晶体结构。PIF-C-PLA样品的冲击强度可高达117.6 kJ/m2，拉伸强度高达148.4 MPa，分别是C-PLA的 36.8倍和2.1倍。拉曼光谱中C=O键的伸缩振动峰偏移量说明样品中存在较大的内应力，且随加工压力和压缩比的提高先增大后减小。采用SC-CO2低温发泡处理的PIF-C-PLA样品中（FOAM-PLAs）出现了特殊的双峰分布泡孔结构，微米级的大泡孔沿着流动方向均匀的分布在样品芯部，在大泡孔之间存在着大量的纳米级小泡孔。2d-WAXD衍射图案和拉曼光谱表明，FOAM-PLAs样品中的内应力和取向度大大降低，同时冲击强度仍为C-PLA的10.2倍。.进一步研究了SC-CO2诱导结晶对PLA低温微孔发泡泡孔结构的影响，研究结果表明，在80 °C时，SC-CO2诱导结晶形成中心普通球晶，外部环带球晶的混合晶体结构，导致泡孔结构中出现大量未发泡区域。在90-110 °C时，形成了环带球晶结构，产生较均匀的泡孔结构。在120-130 °C时，形成了不规则的球晶结构，泡孔结构出现合并和塌陷。研究表明，通过形成特定的晶体结构，可以制备出具有不同泡孔结构的PLA发泡材料。.通过固态加工与超临界气体微孔发泡技术相结合有意识地控制PLA的聚集态结构的变化和演化，在内部形成具有高强超韧的层状微纳米孔微观结构，为生物可降解高分子材料PLA的强韧化提供微观结构设计新方法，为最终通过加工控制制品形态结构实现高性能化提供理论参考。