氧化石墨烯调控不相容共混物界面结构与性能的研究

Due to weak interfacial adhesions in immiscible polymer blends, crack initiation and propagation often occur at interface when load is applied, finally resulting in mechanical failure of materials. The key to fabricating polymer blends with excellent properties is to improve interfacial strength.This project aims to introduce amphiphilic,two-dimensional nanofiller - graphene oxides(GOs) into the interface of two components via tailoring the interfacial energies between GOs and polymers combined with thermodynamic driving forces and kinetic factors. And based on the extensive interplay between GOs and polymers arised from high specific area of GOs,interfacial enhancement can be realized through the crack growth inhibition obtained by GOs at the blend interface. Main research consists of:1) factors which influence the distribution of GOs at the blend interface, and migration mechanism of GOs in immiscible polymer blends; 2)effects of GOs at the blend interface on evolution and stability of immiscible blends morphologies; 3)interfacial microstructure induced by GOs at the blend interface; 4) theory model and mechanism of strengthening and toughening polymer blends resulted from GOs at the blend interface to be established on the basis of fracture mechanics analysis. After completing this project, it is expected to propose and develop a new mechanism for strengthening and toughening polymer blends, and further to expand the application of GOs in polymer material field. Therefore, this project is significant, and the achievements can be contributed to academic and industrial field.

不相容共混物界面作用弱，载荷作用下裂纹易于在界面引发与扩展，导致材料的力学失效，因此改善不相容共混物界面强度是制备高性能共混物的关键。本项目拟选用具有双亲性质的二维纳米材料-氧化石墨烯，通过氧化石墨烯与聚合物之间界面能的设计，结合热力学和动力学因素，将其引入不相容共混物界面，制备基于氧化石墨烯的新型纳米复合材料。利用高比表面积的氧化石墨烯与聚合物广泛的相互作用，使裂纹在界面的扩散受到抑制，从而实现界面增强。主要研究内容包括：1）影响氧化石墨烯在共混物两相界面分布的科学规律；2）氧化石墨烯在界面分布对不相容共混物结构演变的作用；3）界面分布的氧化石墨烯诱导形成的界面微观结构；4）通过对材料断裂力学行为的分析，建立界面分布的氧化石墨烯增强增韧不相容共混物的理论模型。通过本项目的研究，有助于建立并发展聚合物共混物增强增韧的新机理，拓展氧化石墨烯在聚合物材料领域的应用，具有重要的学术和实际意义。

本项目旨在利用氧化石墨烯（Graphene Oxide， GO）的双亲性质，通过热力学和动力学参数的调控，将GO引入到不相容共混物两相界面，一方面对共混物两相形态予以调控，另一方面使共混物界面层的微观结构进一步完善与发展，在此基础上研究纳米复合材料的宏观力学行为，以期改善不相容共混物的界面强度以及宏观性能。在本项目的实施中，主要围绕共混物聚乳酸/乙酸-醋酸乙烯酯（Polylactic acid/ Ethylene Vinyl Acetate, PLA/EVA）, 聚酰胺6/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Polyamide 6/Acrylonitrile Butadiene Styrene, PA6/ABS）两种不相容共混物作为研究对象，在利用界面能作为热力学预测基础之上，通过化学改性的方法调控界面作用的同时，结合粘度、加工顺序等动力学因素将GO引入到不相容共混物的界面，并对共混物的形貌，GO的分散等微观结构进行分析，进一步探索了共混复合材料的宏观力学以及电学性能，并将微观结构与宏观性能相结合，探索了界面分布对材料性能的影响，提出了相应的增韧机理。主要研究内容包括：1）影响GO在共混物两相界面分布的科学规律；2）GO在界面分布对不相容共混物结构演变以及微观结构的影响；3）建立界面分布的GO增韧不相容共混物的机理；4）界面分布的（氧化）石墨烯对共混物导电行为的影响。研究结果显示，在热动力学因素的共同作用下，GO可以成功分布在共混物的界面，在界面分布的GO可以有效的阻碍相邻相的聚集，使相区尺寸减少，实现增容效应；同时由于共混物的体积排除效应，GO在共混物的分散情况要优于在单相聚合物中的分散。重要的是，在本项目研究中，通过化学手段调控，界面分布的GO与聚合物两相均具有较好的相互作用，因此能够有效的增强界面粘结，在外界载荷作用下，界面不易出现脱粘因此应力更易传递，使材料的力学性能大幅度提高。在此基础上，界面受限分布的rGO遵循双逾渗导电机理，大幅度降低导电逾渗阀值，并提高了电导率。通过本项目的研究，利用GO建立了增韧不相容共混物的新方法，同时也为GO及其衍生物在高分子材料中的应用开拓了新的发展方向。