碳纳米管改善不相容共混物界面强度的研究

不相容共混物界面粘结强度弱，载荷作用下易在两相界面上诱导裂纹引发和扩展，导致材料失效。目前改善不相容共混物界面强度的手段主要是在两相界面上引入嵌段共聚物或无机纳米粒子，但引入的第三组分与聚合物很难表现出协同的作用，且对界面强度的增强有限，难以最大限度改善材料宏观性能。本项目选用碳纳米管，通过对聚合物与碳管之间界面能的设计，从热力学和动力学的角度，将碳管引入不相容共混物界面上联接分散以增强界面强度，研究影响碳管在两相界面上联接分散的科学规律，碳管在聚合物体系中网络结构的形成，以及这种桥联和网络结构对共混物微观形态结构的控制和稳定，并通过材料断裂行为的定量和定性分析，建立基于碳管桥联作用及其网络结构的增强增韧不相容共混物的理论模型和机理。通过本项目的研究，有望针对不相容共混物提出新的改性方法并提出基于碳管的新的增强、增韧机理，进一步拓宽碳管在复合材料领域的应用，因而具有重要的学术和实际意义。

不相容共混物界面由于分子链缠结密度小而导致粘结强度弱，载荷作用下裂纹易在两相界面上引发和扩展，从而导致材料失效。本项目利用碳纳米管（Carbon nanotubes, CNTs）在裂纹面上的桥联作用，以及不相容共混物载荷作用下裂纹首先在两相界面上引发和扩展的事实，将CNTs引入不相容共混物，通过CNTs与两相之间界面相互作用的设计，实现CNTs在不相容共混物两相界面上的桥联作用，从而达到改善界面粘结强度的目的。项目主要研究内容包括：①CNTs在不相容共混物界面上的联接分散及其影响因素；②CNTs对不相容共混物形态和结构的控制和稳定；③CNTs在不相容共混物中单（双）网络结构的形成及流变行为；④CNTs改善不相容共混物界面强度的分子机理研究；⑤CNTs增强增韧不相容共混物的宏观力学行为等。项目实施过程中，选择了十余种不相容共混物，通过界面张力的计算从理论上预测了CNTs在共混物中的分散，并与实际观察结果相比较，提出影响CNTs在共混物中的分散还包括共混物的初始形态、混合顺序、两相粘度比等因素，并可通过第三组分增容剂的使用进一步调控CNTs在共混物界面上的分散。对不同共混体系形貌的表征发现，CNTs的选择性分散一方面能够增大相畴，另一方面通过调控粘度比以及自身CNTs网络结构的形成，促进共混物海岛相结构与双连续相结构之间的相互转变。不同体系流变行为的研究皆证明CNTs流变网络结构的形成与CNTs在共混物中的选择性分散以及CNTs的含量有关。通过对复合材料宏观力学性能的系统测试与分析，界面上选择性分散的CNTs能够有效阻止裂纹的引发和扩展，大幅度改善复合材料的断裂韧性；结合形貌观察，提出了相应的增韧机理。此外，研究进一步发现，通过调控CNTs在不相容共混物界面上选择性分散，有利于获得逾渗阀值更低的导电复合材料。需要强调的是，本项目所获得的逾渗阀值是目前文献报道中最小的。通过本项目的研究，针对不相容共混物提出了新的改性方法及相应的增强增韧机理，进一步拓宽了CNTs在复合材料领域的应用，同时也为结构-功能一体化新型高分子纳米复合材料的制备提供了很好的指引，因而具有重要的生产和学术意义。