二氧化碳共聚物微纳层状复合材料的交替共挤制备新方法及其形态结构演变控制

CO2-based copolymers were copolymerized by CO2 and epoxides, in which poly(propylene carbonate) (PPC), derived from CO2 and propylene oxide (PO), is known as a cheap and biodegradable polymer. The versatility of PPC, such as satisfactory elongation, flexibility, and biocompatibility, has found potential utilization in packaging materials, tissue scaffolding, drug delivery carriers, and nonwoven fabrics. However, the practical application of PPC has been limited, owning to its poor thermal properties and a relatively low glass-transition temperature. So a new multilayering method is introduced for producing PPC micro/nanocomposites with high properties. By using the design mechanism of the micromixer in chemical reaction, a micro/nanolayer co-extrusion compounding setup is made. In order to improve the thermal and processing properties, PPC resin is capped and chain extended using reaction extrusion method and then is modified by other polymers, such as EVOH, PVA, PA66 short fiber, micro/nano-crystals cellulose. The melt flow characterization of PPC composites in a micro/nanolayer coextrusion die is simulated using Polyflow Software and the die design can be optimized using inverse simulation. Morphology development of PPC composite in flow channel is investigated by online sampling. Then the relationship between rheology, processing field, morphology and property of PPC micro/nanolayer composite can be analyzed. This technology provides a new poly(propylene carbonate) micro/nanocomposite multilayering method and it is helpful to development of polymer multilayer composites with high performance.

二氧化碳共聚物（PPC）是一种能高效固定废弃二氧化碳，且具有优良降解和阻隔性能的新材料，然而其耐热、加工性能较差，且阻氧性能略弱于传统阻隔材料EVOH，在多层复合材料应用领域受到一定限制。本项目拟将微反应器工作原理应用于多层共挤出，提出一种新的二氧化碳共聚物微纳层状复合材料制备方法。采用有限元方法模拟共挤出界面的形变特征，结合逆向设计对多层共挤机头进行优化，探讨离模膨胀机理；以反应封端扩链和共混改性等方法预处理后的PPC材料作为研究对象，将数值模拟和系统实验相结合，揭示复合材料层与层之间的受限形变对层界面演变和粘结性能的作用机理；研究PPC复合材料在微纳尺度下的形态结构演变机理，分析复合材料黏弹性能-加工流场-形态结构-性能之间的关系，最终通过微纳多层共挤加工流场参数的调控，实现多层复合材料多层次形态结构演变和制品宏观性能的控制，为制备高性能的功能化高分子材料提供新的技术和方法。

二氧化碳共聚物（PPC）是一种能高效固定废弃二氧化碳，且具有优良降解和阻隔性能的新材料，然而其耐热、加工性能较差，且阻氧性能略弱于传统阻隔材料EVOH，在多层复合材料应用领域受到一定限制。本项目采用反应挤出和共混改性的方法，采用三种类型酸酐（马来酸酐MA、邻苯二甲酸酐PA、均苯四甲酸酐PMDA）增容PPC，提高加工性能和与其他高分子材料的相容性，结果表明酸酐的含量和种类对PPC的分子链结构与宏观性能有很大的影响，加入1phr的PMDA后综合性能最佳；通过数值模拟辅助设计，提出一种新的制备微纳多层复合材料的交替共挤机头结构，完成了共挤出装置的优化设计；采用纤维素、氧化石墨烯、PHB、PBAT等对PPC进行共混改性，制备了PPC基复合材料，提高了复合材料的综合使用性能；采用多层共挤出的方法制备多层PPC复合材料，研究其形态结构与阻隔性能之间的关系，调整多层共挤中第二种材料为聚乳酸（PLA），制备了微纳多层PPC/PLA复合材料，改变层的厚度和层数，以材料流变性能研究为基础，探索形态演变机理，建立加工-流变性能-微观形态与性能之间的关系，最终实现多层复合材料的力学性能和阻隔性能的提高，研究结果表明具有微纳层的复合材料，其断裂伸长率的提高超过2倍，氧气透过系数和水蒸气透过系数比纯PPC减少约15%和17%。项目研究以理论数值模拟和实验优化设计为基础，通过建立加工过程中加工流场、流变性能、复合材料形态结构与性能之间的关系，为制备高性能的高分子材料提供了新的技术和方法，具有一定的理论研究意义和实际应用价值。