聚己内酰胺基复合材料的界面微区设计及颗粒沉降规律研究

Polycaprolatam (PCL) synthesized by alkaline anion polymerization of caprolactam has several shortcomings, such as high elastic modulus, poor toughness in low temperature, poor self-lubrication. Therefore, the PCL material must be modified by physical or chemical methods. PCL composites with fillers were prepared to improving physical and mechanical properties of PCL. However, the sedimentation rate of fillers is great in the polymerization process of the PCL composite. The fillers are gradient distribution in the PCL matrix. And the properties at the various parts are difference due to the uneven internal stress in the composite. The dispersion problem of fillers will be resolved through new process of preparation and interfacial micro-design. Surface properties between filler and PCL matrix will be improved and optimized. The excellent physical and mechanical properties of PCL composites can be obtained by controlling of proportion of soft and hard segments, morphology and molecular size of the active molecules chain on the interfacial micro-region of filler on the basis of above experiments. Considering there is a sedimentation problem of fillers in the polymerization process of PCL composite, the sedimentation trace of fillers in the reactive solution will be investigated in this program. The relationship between filler type, shape, size，content and viscosity of reactive solution and the connection between systemical temperature, active molecular chain structure, morphology, molecular weight and the viscosity will be established and the sedimentation regular of the filler will be found. Finally, the distribution and dispersion situation of fillers in the PCL matrix will be studied by application of microcosmic testing techniques.

以己内酰胺为原料，通过阴离子引发聚合的聚己内酰胺（PCL）存在弹性模量高、低温韧性差、自润滑性欠佳等缺点，因此需对PCL进行物理或化学改性。填料改性PCL复合材料的制备能针对性的改善PCL的物理机械性能，但填料在PCL聚合过程中沉降率大，在制品中呈梯度分布，材料出现内部应力不均，各部分的性能出现差异。项目从改善填料在PCL基体中分散性问题出发，提出新的制备工艺流程，并通过界面微区设计，优化填料与PCL基体之间的界面粘接性能。在此基础上控制填料界面微区活性分子链的软硬段比例、分子链形态及分子量大小，赋予PCL复合材料优异的物理机械性能。考虑到PCL聚合过程中填料的沉降问题，项目提出研究填料在反应液中的沉降轨迹，建立填料类型、形状、大小及含量与反应液粘度之间以及粘度与温度、界面活性分子链结构形态与大小之间的关系，找出填料的沉降规律，最后通过微观测试技术考察填料在PCL基体中的分布和分散情况。

以己内酰胺为原料，通过阴离子引发聚合的聚己内酰胺（PCL）存在弹性模量高、低温韧性差、自润滑性欠佳等缺点，项目通过添加填料（磨细玻璃纤维、石墨、MoS2和木粉）对PCL进行改性。填料改性PCL复合材料的制备能针对性的改善PCL的物理机械性能，但填料在PCL聚合过程中沉降率大，在制品中呈梯度分布，材料出现内部应力不均，各部分的性能出现差异。项目从改善填料在PCL基体中分散性问题出发，设置了新的制备工艺流程，设计了成型模具，利用填料表面羟基（-OH）与活性分子链的异氰酸酯基团（-NCO）之间发生的化学反应优化填料与PCL基体之间的界面粘接性能，制备了不同填料改性的PCL复合材料，并通过各种测试手段研究了复合材料的综合性能。表征填料与PCL基体间的界面微观结构发现其界面粘接性能优异；研究复合材料物理机械性能发现，活性分子链的引入能改善PCL复合材料的冲击强度，与填料的协同作用保证了复合材料的综合性能；填料与PCL基体间优异的界面粘接性能也使复合材料具有优异的摩擦磨损性能。.在此基础上调节填料界面微区活性分子链的含量、形态及分子量大小，系统研究了活性分子链对PCL复合材料的物理机械性能的影响。研究结果表明，活性分子链对PCL复合材料的拉伸强度和冲击韧性影响较大，在摩擦磨损性能测试过程中，摩擦磨损机理改变，复合材料的摩擦磨损性能也受到很大的影响。.考虑到PCL聚合过程中填料的沉降问题，项目采用了一种多尺度的建模方法，基于Euler-Lagarnge（EL）方法和Grannular流体运动学理论（KTGF），采用直接数值模拟的方法对填料在PCL混合料中的沉降过程进行仿真。探索分析了填料在PCL反应体系中的沉降理论，在此基础上模拟PCL聚合固化过程中填料在反应液中的沉降规律，最后通过偏光显微技术考察到填料在PCL基体中的分布和分散情况好。.项目通过界面微区设计确保复合材料形成所需要的界面结构，使填料与基体之间构成有机整体，得到优异性能的PCL复合材料，为其实际应用提供可靠的实验依据，对拓宽其应用领域具有重要的意义，且综合经济效益和社会效益显著。并且针对PCL聚合工艺的特点，研究了填料在聚合过程中的沉降规律，丰富了PCL聚合的基础研究理论。