《溫敏聚氨酯基納米原位雜化膜內氣體反常傳質機理研究》是依託四川大學，由陳意擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：溫敏聚氨酯基納米原位雜化膜內氣體反常傳質機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳意
- 依託單位：四川大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
前人提出在聚合物基納米複合膜材料的兩相間可能還存在一高自由體積界面層，而這是導致複合膜透氣性反常增大的根本原因。但受研究體系和檢測技術限制，該界面層是否真實存在尚無法證實。針對這一關鍵問題，本課題以溫敏聚氨酯為連續相，採用原位雜化技術於其中反應生成單分散納米SiO2或TiO2粒子，擬在排除納米糰聚體和非理想膜缺陷干擾的基礎上，利用溫敏聚氨酯的溫敏特性，並將儀器檢測與分子模擬技術相結合，探尋成膜過程中大分子鏈的運動自由度與其在納米粒子周圍堆積狀態間的內在聯繫，闡明兩相間高自由體積界面層的形成機制並獲得其存在的關鍵證據，揭示造成納米複合薄膜透氣性反常增大的根本原因，同時建立可定量預測這種反常傳質行為的數學模型。此研究工作旨在驗證並發展前人假說，豐富學術界對聚合物基納米複合膜結構和傳質行為的認識；同時也可為未來採用納米複合技術準確調控聚合物膜材料的透氣性能奠定基礎，具有重要的理論意義和套用價值。
結題摘要
經典複合物理論認為，無孔、惰性填料的存在會造成氣體小分子在聚合物薄膜中的擴散路徑曲折化，這是利用外添加無機納米粉體顯著提高聚合物膜材料氣體阻隔性的理論基礎。然而，當人們將納米SiO2或TiO2與某些玻璃態聚合物共混時意外地觀察到：隨著納米填料用量增加，這些複合薄膜的氣體滲透係數均顯著提高，表現出違背經典複合物理論的透氣性變化規律。基於這一反常現象，前人推測，在玻璃態聚合物與納米填料相間可能還存在一傳質阻力較小的高自由體積界面層。然而，由於這一假說涉及兩固相間在分子水平的靜態結構和氣相在皮秒至納秒水平的動態行為，憑目前的技術又很難直接獲取以上空間和時間尺度內的實驗數據。因此，前人至今未能提供有力證據，證明這些所謂的高自由體積界面層確實存在，以上假說也並未得到學術界的普遍認同。圍繞這一高自由體積界面層是否存在及其形成機制，本課題以熱力學/動力學特徵與玻璃態聚合物類似的溫敏聚氨酯為連續相，採用原位雜化技術於其中反應生成單分散納米TiO2填料，在排除納米糰聚體中包藏孔隙及巨觀膜缺陷對實驗結果乾擾的基礎上，利用溫敏聚氨酯自身溫敏特性，系統研究了成膜過程中大分子鏈運動自由度差異對雜化膜相界面相互作用方式、自由體積、密度及透氣性的影響規律；同時運用分子動力學模擬技術可視量化了溫敏聚氨酯在納米填料周圍及主體部分的堆積密度。通過對開關溫度上下實驗/模擬結果的對比，本課題得出如下結論：成膜過程中運動受限的大分子鏈受局部收縮應力影響，無法在具有大表面曲率的納米填料周圍緊密堆積，這是導致某些聚合物與納米填料相間存在高自由體積界面層、複合膜透氣性違背傳統理論反常提高的根本原因。經過努力與探索，本課題完成了既定研究目標，獲得了具有代表性和普遍指導意義的理論/套用新成果。在理論上，闡明了成膜過程中聚合物大分子鏈運動自由度與納米複合膜材料相界面微區結構、透氣傳質性能間內在聯繫，揭示了兩相間高自由體積界面層的形成機制並獲得了其存在的關鍵證據，豐富了傳統理論對這類材料結構和傳質行為的認識。在技術的套用上，本課題首次獲得了高自由體積界面層厚度參數及其與納米填料粒徑間定性關係，為建立可定量預測複合膜反常透氣性的數學模型及未來採用納米複合技術實現聚合物膜材料透氣性能的按需調控奠定了基礎，在皮革/紡織品塗飾、氣體分離、建築氣密、醫療衛生等眾多膜技術領域具有廣泛的套用前景。
