粗糙粒子在高分子共混物中的接触线牵制行为及流场形态调控机理

Micro-/nano- particles with desired surface microstructure and chemistry nature can be utilized to achieve a fine tuning of morphology and properties of polymer blends, which is of great importance for the preparation of novel polymer materials with versatile performances or functionalities. The proposed project aims to understand how the roughness of solid particles determine their compatibilization mechanism and efficiency toward immiscible polymer blends under flow. Inorganic or polymeric particles with tunable surface roughness will be synthesized via heterogeneous aggregation of colloid particles or seeded emulsion polymerization. The effect of surface roughness on the diffusion dynamics, particle-particle interaction and aggregation behavior of particles within polymeric fluids will be revealed by using in-situ confocal laser scanning microscopy, optical-shear technique and atomic force microscopy. By examining the contact-line pinning phenomenon of rough particles at the interface of two-layer polymeric fluids, the adsorption behavior of rough particles and its influence on the interfacial properties of two-layer polymeric fluids will be understood. The underlying manipulation mechanism of rough particles toward the structure formation and evolution dynamics of flowing polymer blends will be illustrated. The dependence of compatibilization efficiency of rough particles on the properties of fluids and flow conditions will be unraveled. By comparing the relative contribution of various structural parameters of particles to the structure formation of polymer blends, the basic principles in designing solid particles with excellent compatibilization efficiency will be obtained. This project will afford new insights into the fundamental theory of particle compatibilization and contribute to the advancement of relevant science and technique in multiphase polymeric composite materials.

合成具有特定微观表面结构的微纳米固体粒子并将其用于多组分高分子结构及性能的精细调控，对制备新型高分子复合材料具有重要意义。在项目组关于粒子化学性质、含量及形状对高分子共混物结构形成影响的研究基础上，本项目拟通过粒子包覆、种子乳液聚合等方法制备粗糙度可调的无机或高分子粒子，通过激光共聚焦扫描显微镜、流动可视化及原子力显微镜等技术深入研究粗糙度对粒子在高分子流体中的扩散动力学、相互作用及聚集行为的影响机制；考察粒子在多层高分子流体界面处的接触线牵制现象，揭示粗糙粒子的界面吸附行为及对流体界面性质的影响，考察流场下粗糙粒子调控共混物相结构形成机理及动力学的基本机制，获得粗糙粒子的增容效率对流体性质以及流场条件的依赖性。综合考察粒子各种结构参数在增容过程中的相对贡献，获得增容粒子结构设计的基本准则。通过本项目研究，进一步拓宽粒子增容理论研究的思路，推动新一代高性能多组分高分子复合材料的发展。

设计具有特定微观结构的固体纳米粒子（NPs），对增容高分子共混物、制备新型高分子复合材料具有重要意义。由于制备过程及聚集效应等原因，NPs的表面通常具有一定粗糙度。但是，目前关于粗糙NPs对黏弹性高分子共混物的结构形成及稳定性的影响尚缺乏认识。本项目通过改良的Stöber法制备了单分散、光滑的二氧化硅（SiO2）NPs，并以此作为模板通过种子生长法、静电吸附法刻蚀法进一步合成了具有不同表面粗糙度的SiO2 NPs。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）-剪切联用系统等在线手段，研究了这些NPs在聚二甲硅氧烷（PDMS）/聚异丁烯（PIB）等模型体系的两相及界面处的扩散和选择性聚集行为。研究了NPs的结构参数、共混比、流场条件等因素对共混物相形态的演变动力学及流变学的影响。CLSM及单粒子追踪实验表明，NPs的表面粗糙度会提高其在流体中的分散性，但是降低其扩散速率。在低速流场下，在光滑及粗糙NPs填充的共混物中的分散相液滴都发生了沿涡流方向（即垂直流动方向）取向的现象。该现象可以用NPs的流变增强效应和Jeffery轨道理论进行合理解释。分散相在流场下的形状及空间排列形式均与NPs的性质及共混比相关。两种NPs对共混物在流场下的相形态调节能力呈现出较大的差异，这一方面与NPs表面化学性质驱动的迁移行为（组分亲和性）有关，另一方面还受表面粗糙结构引起的三相接触线牵制现象的影响。NPs的表面化学性质与表面粗糙度可导致较强的协同增容效应，且这种协同效应具有明显的剪切速率及组分比依赖性。NPs的表面化学性质和浓度决定了共混物相尺寸的变化趋势，而其粗糙度进一步调节了相尺寸的变化幅度。粗糙的疏水性NPs表现出对共混物最高的增容效率。本项目首次阐释了表面粗糙度在控制NPs的增容效率方面的重要作用，为制设计和制备通用的增容NPs、具有预想微观结构及宏观性能的新型复合材料提供了新的思路。本项目共发表SCI论文13篇、申请专利1项（授权1项），培养研究生8人。