碳納米管改善不相容共混物界面強度的研究

《碳納米管改善不相容共混物界面強度的研究》是依託西南交通大學，由王勇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：碳納米管改善不相容共混物界面強度的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王勇
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

不相容共混物界面粘結強度弱，載荷作用下易在兩相界面上誘導裂紋引發和擴展，導致材料失效。目前改善不相容共混物界面強度的手段主要是在兩相界面上引入嵌段共聚物或無機納米粒子，但引入的第三組分與聚合物很難表現出協同的作用，且對界面強度的增強有限，難以最大限度改善材料巨觀性能。本項目選用碳納米管，通過對聚合物與碳管之間界面能的設計，從熱力學和動力學的角度，將碳管引入不相容共混物界面上聯接分散以增強界面強度，研究影響碳管在兩相界面上聯接分散的科學規律，碳管在聚合物體系中網路結構的形成，以及這種橋聯和網路結構對共混物微觀形態結構的控制和穩定，並通過材料斷裂行為的定量和定性分析，建立基於碳管橋聯作用及其網路結構的增強增韌不相容共混物的理論模型和機理。通過本項目的研究，有望針對不相容共混物提出新的改性方法並提出基於碳管的新的增強、增韌機理，進一步拓寬碳管在複合材料領域的套用，因而具有重要的學術和實際意義。

結題摘要

不相容共混物界面由於分子鏈纏結密度小而導致粘結強度弱，載荷作用下裂紋易在兩相界面上引發和擴展，從而導致材料失效。本項目利用碳納米管（Carbon nanotubes, CNTs）在裂紋面上的橋聯作用，以及不相容共混物載荷作用下裂紋首先在兩相界面上引發和擴展的事實，將CNTs引入不相容共混物，通過CNTs與兩相之間界面相互作用的設計，實現CNTs在不相容共混物兩相界面上的橋聯作用，從而達到改善界面粘結強度的目的。項目主要研究內容包括：①CNTs在不相容共混物界面上的聯接分散及其影響因素；②CNTs對不相容共混物形態和結構的控制和穩定；③CNTs在不相容共混物中單（雙）網路結構的形成及流變行為；④CNTs改善不相容共混物界面強度的分子機理研究；⑤CNTs增強增韌不相容共混物的巨觀力學行為等。項目實施過程中，選擇了十餘種不相容共混物，通過界面張力的計算從理論上預測了CNTs在共混物中的分散，並與實際觀察結果相比較，提出影響CNTs在共混物中的分散還包括共混物的初始形態、混合順序、兩相粘度比等因素，並可通過第三組分增容劑的使用進一步調控CNTs在共混物界面上的分散。對不同共混體系形貌的表徵發現，CNTs的選擇性分散一方面能夠增大相疇，另一方面通過調控粘度比以及自身CNTs網路結構的形成，促進共混物海島相結構與雙連續相結構之間的相互轉變。不同體系流變行為的研究皆證明CNTs流變網路結構的形成與CNTs在共混物中的選擇性分散以及CNTs的含量有關。通過對複合材料巨觀力學性能的系統測試與分析，界面上選擇性分散的CNTs能夠有效阻止裂紋的引發和擴展，大幅度改善複合材料的斷裂韌性；結合形貌觀察，提出了相應的增韌機理。此外，研究進一步發現，通過調控CNTs在不相容共混物界面上選擇性分散，有利於獲得逾滲閥值更低的導電複合材料。需要強調的是，本項目所獲得的逾滲閥值是目前文獻報導中最小的。通過本項目的研究，針對不相容共混物提出了新的改性方法及相應的增強增韌機理，進一步拓寬了CNTs在複合材料領域的套用，同時也為結構-功能一體化新型高分子納米複合材料的製備提供了很好的指引，因而具有重要的生產和學術意義。