多壁碳纳米管表面可控接枝柔性嵌段-含环氧基团嵌段共聚物及其对环氧树脂的增强增韧研究

Interface design is a crucial factor for developing superior mechanical performance of epoxy/carbon nanotube (CNT) composites. However, the interfacial construction between CNT and epoxy need to be optimized for utilizing CNT nanostructure more fully. Herein, an alkyne-bering CNTs core was used to prepare poly(butyl acrylate-b-glycidyl methacrylate) (PBA-b-PGMA) block copolymer functionalized CNT using "grafting to" and "grafting from" strategies in combination with reversible addition fragmentation chain transfer and click chemistry. The PBA-b-PGMA-functionalized multi-walled CNT (MWNT@PBA-b-PGMA) was introduced into epoxy matrix for the preparation of epoxy/MWNT@PBA-b-PGMA composites. The modulating the stoichiometric ratio of functionalized-block copolymer around CNTs to construct a hiearachical structure that can further modulate CNTs/EP interfaces to optimize the strength and toughness of composites simultaneously. The highlights of this article are constructing flexible and tunable epoxy/CNT interfaces by adjusting grafting strategies, grafting densities, grafted chain length, stoichiometric ratio of functionalized-block copolymer that can promote load transfer but also improve fiber bridging for preparation of thermal stable, high strength and toughness epoxy-based composites.

与碳纳米管复合是同时增强增韧环氧树脂的有效方法，目前还缺乏构建合适的界面结构，导致碳纳米管的作用难以充分发挥。本项目结合点击化学和可逆加成-断裂链转移聚合法，制备接枝密度、嵌段长度可控的柔性嵌段(聚丙烯酸丁酯)-b-含环氧基团嵌段(聚甲基丙烯酸环氧丙酯)接枝多壁碳纳米管(MWNT@PBA-b-PGMA)，然后与环氧树脂复合，研究接枝密度、PBA及PGMA嵌段长度对复合材料的分散性、界面粘接强度和力学性能的影响规律，通过材料损伤后微观结构揭示其增强增韧机理，优化MWNT@PBA-b-PGMA，制备高性能的环氧树脂复合材料。项目创新点是建立接枝密度、各嵌段长度可控的嵌段共聚物接枝MWNT的方法，在环氧树脂/MWNT复合材料中构建界面粘接强度适中、可形变的界面，利用碳纳米管桥联裂纹增韧机理，充分发挥碳纳米管卓越的增强增韧作用，从而制备高性能环氧树脂复合材料，丰富高性能高分子复合材料结构设计理论。

如何在不损失材料强度的同时进行有效增韧，是环氧树脂领域的重要研究课题。纳米复合是提升聚合物材料力学性能的有效手段，以碳纳米管和石墨烯为代表的碳纳米材料由于其独特的结构能够同时增强、增韧聚合物材料，因此是环氧树脂复合材料的理想填料，其界面的精确调控是实现环氧树脂同时增强增韧的关键和难点。.本项目围绕聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)-聚甲基丙烯酸己酯(PHMA)嵌段共聚物(PGMA-b-PHMA)接枝碳纳米材料的可控合成及其对环氧树脂复合材料界面结构与力学性能的影响进行了研究，通过调控接枝共聚物的嵌段结构，显著改善了环氧树脂复合材料的分散性，构建了独特的双层界面结构，研究了环氧树脂复合材料的微观结构与宏观力学性能之间的关系，探讨了碳纳米材料对环氧树脂的增韧机理。主要研究成果如下：.结合可逆加成-断裂链转移聚合与点击化学反应可控合成了具有相近PGMA链长和不同PHMA链长嵌段共聚物PGMA-b-PHMA接枝的多壁碳纳米管(PGMA-b-PHMA@fMWNT)。研究了PHMA链长对PGMA-b-PHMA@fMWNT接枝密度及其溶剂分散性的影响，为环氧树脂复合材料的研究奠定了基础。通过溶液法制备了环氧树脂/PGMA-b-PHMA@fMWNT复合材料，研究了PGMA-b-PHMA@fMWNT对复合材料力学性能的影响，探讨了复合材料微观结构与宏观力学性能之间的关系。接枝在MWNT表面的PGMA-b-PHMA优化了环氧树脂/MWNT复合材料的分散性、形成了独特的双层界面结构。当PGMA分子量约为6500、PHMA分子量为4480~8500时，填充0.05 wt%的PGMA-b-PHMA@fMWNT使环氧树脂的断裂韧性提高了45.4~46.0%，同时拉伸强度与杨氏模量分别提高了14.4~16.5%与10.8~13.7%。通过调控接枝共聚物的结构来优化MWNT与环氧树脂之间的双层界面结构，为高性能聚合物基复合材料的界面设计提供了新的理论依据与实施方法。