碳系纳米填料调控聚合物微发泡行为的研究

This project is going to use carbon nanofillers with different demensions, such as fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, and graphene, as nucleation agents to prepare microcellular polymer/nanocomposites using supercritical carbon dioxide. The dispersion and interfacial properties of carbon nanofillers in polymer matrix will be studied to understand the effect of the surface physical and chemical structures of nanoparticles on the morphology and interfacial compatibility of polymer/nanocomposites. The effect of nanofillers with different surface properties on the swelling behavior, visco-elasticity, and physical property of polymer matrix in supercritical carbon dioxide will be investigated. Moreover, the effect of the properties of nanofillers (morphology and surface chemical structure, dispersion, content, interfacial linking, and compatibility with polymer matrix) on the mechanism of bubble nucleation and growth, and pore structure and morphology (pore size and distribution, pore density and relative density) will be discussed. This project will establish the relationship between the surface morphology and chemical structure of different dimensional carbon nanfillers and the morphology, structure, performance of microcellular pores. This study will be very important on the supplement of the theory on the preparation of microcellular polymer materials using supercritical carbon dioxide as a physical foaming agent, as well as the development of the application of supercritical fluids technology in polymer processing.

本项目采用不同维数的碳系纳米粒子（主要为富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯）作为异相成核剂，利用超临界二氧化碳制备聚合物纳米复合微发泡材料。研究不同维数的碳系纳米粒子在聚合物基体中的分散和界面特性，探索表面物理化学结构对纳米粒子在聚合物中的结构形态控制与界面相容性的关系，研究不同表面特性的纳米粒子对聚合物在超临界二氧化碳中的溶胀行为、粘弹性、聚集态结构的影响与控制，从微观角度认清纳米粒子的性质（形态和表面化学结构、分散、含量、界面结合、与聚合物的相容性等）对聚合物泡孔成核、增长机理、以及泡孔形态与结构（泡孔尺寸及分布、泡孔密度和相对密度等）的影响规律，建立起不同维数碳纳米材料表面形态和化学结构与微孔结构形态和性能的关系。本研究对丰富以超临界二氧化碳为物理发泡剂的聚合物微发泡技术的理论基础和扩展应用领域具有重要的意义。

具有不同表面化学结构和维度的碳系纳米粒子与聚合物基体界面相互作用不同，从而影响超临界二氧化碳聚合物微发泡行为和性能。为探索具有不同维度和表面化学结构的碳系纳米粒子对聚合物微孔形态结构和性能的影响，本项目对碳系纳米粒子进行了表面改性，采用超临界二氧化碳发泡技术制备了聚合物/碳系纳米粒子微孔发泡材料，研究了碳系纳米粒子在聚合物中的分散情况和相容性，及其对聚合物粘弹行为、凝聚态结构、溶胀行为、发泡行为等的影响规律，探索了复合泡沫形态结构与性能的关系。结果表明：一维结构的碳纳米管可与聚合物分子链相互缠绕，因而与聚合物之间相互作用强，而球状结构的富勒烯表面能较高，易发生团聚。通过表面改性提高碳系填料与聚合物的界面相互作用，可以改善其在聚合物中的分散。在高填料含量下，碳纳米管对聚合物熔体强度增强最为明显，且能提供最多的成核点；相比之下，富勒烯的增强效果和成核作用较弱。在较低填料含量下，填料能屏蔽和阻隔分子链间的相互作用，起到增塑作用。与聚合物间作用力较弱的富勒烯增塑作用最明显，而碳纳米管和石墨烯的增塑作用较弱。发泡过程中，富勒烯虽然理论上可以提供大量成核点，但其成核效率低，且在高温时基体熔体强度差，泡孔易合并。与碳纳米管相比，石墨烯的成核效率较低。表面改性后的碳系纳米填料因为分散良好，能够提供大量异相成核点，降低成核能垒，泡孔密度大幅增加，泡孔尺寸减小。加入填料后，微孔泡沫的压缩性能可以提高近9倍，导电性能可以达到约10-2 S/cm。本研究揭示了不同碳系纳米粒子对聚合物微孔形态结构和性能的影响，深化了纳米填料表面物理化学性质对超临界二氧化碳微发泡机理的认识，提高了聚合物微孔泡沫的性能，拓宽了聚合物微孔泡沫的应用范围。