拉伸法制备聚合物微孔材料及其结构和性能研究

Microporous materials, as novel materials, have a wide prospect of application due to the unique micro-structure with special properties. The preparation of polymer microporous materials by stretching with inorganic nanoparticle as the pore formers is proposed in this proposal. The effect of interfacial adhesion between the nanoparticles and polymers on the formation of porosity for polymers containing nano-sized dispersion phase as the pore formers due to stretching will be investigated. Moreover, the effect of dispersed phase size, from nano-meter to micro-meter scale, on the formation and evolution of microporous structure and final performances of polymers will also be investigated. Based on this, the effects of the composition of polymer composites, stretching modes (Uniaxial/biaxial stretching), drawing temperature, extension rate, and stretching ratio on the microstructure and final performances of microporous material will be studied in detail. The mechanism of pore formation and relationship between microstructure and performance will be explored. Finally we try to establish the environmentally friendly manufacturing technology of polymer microporous materials by stretching, which will promote the development of polymer microporous materials subject and industry.

微孔材料作为一种新型材料，因其特有的微观结构而具有特殊的性能，其应用前景十分广阔。本项目提出以纳米无机粒子作为致孔剂，采用共混拉伸法制备聚合物微孔材料。通过改变纳米粒子与聚合物的界面结合，探索以纳米尺寸分散的无机粒子在拉伸过程中能否使聚合物形成微孔，以及分散粒径从纳米到微米级变化对聚合物微孔结构的形成和演变以及对材料性能的影响。并在此基础上，系统研究共混组成、拉伸方式(单向拉伸和双向拉伸)、拉伸温度、拉伸速率和拉伸倍率等对聚合物微观结构和材料宏观性能的影响规律，探索微孔结构形成的内在机理，以及微孔材料形态结构和性能之间的关系，最终建立起比较完善的拉伸成孔法制备聚合物微孔材料的绿色环保技术体系，促进聚合物微孔材料学科和产业的发展。

微孔材料作为一种新型材料，因其特有的微观结构而具有特殊的性能，其应用前景十分广阔。共混拉伸成孔法被广泛用于制备聚合物微孔材料，然而致孔剂主要是以微米级尺寸分散的无机粒子，对于以纳米尺寸分散的无机物与聚合物复合，采用拉伸法制备聚合物微孔材料却鲜有报道。本项目提出以纳米无机粒子作为致孔剂，通过改变纳米粒子与聚合物的界面结合，探索以纳米尺寸分散的无机粒子在拉伸过程中能否使聚合物形成微孔，以及分散粒径从纳米到微米级变化、共混组成和拉伸条件对聚合物微孔结构和材料性能的影响。通过本项目的研究，有利于促进共混拉伸成孔法理论的完善和聚合物微孔材料的发展。主要研究成果如下：. 首先，以纳米二氧化硅为致孔剂，选用两种极性不同的高分子聚乳酸（PLA）和聚丙烯（PP）分别与纳米二氧化硅复合，纳米二氧化硅均能够以纳米尺寸分散在PLA和PP中，并且在一定的拉伸条件下能够使聚合物形成微孔，其结构受纳米材料的含量和拉伸条件影响显著。PLA的成孔温度高于PP，当致孔剂含量相同时，PLA更容易拉伸成孔，孔隙率较高。. 其次，系统研究了共混组成、拉伸倍率、拉伸速率和拉伸温度等成孔条件对PLA微孔结构和材料宏观性能的影响，探索了微孔结构形成的内在机理。在所选定的成孔条件下，纳米二氧化硅含量越高，拉伸倍率越大，拉伸速率越大，拉伸温度越低，复合材料越容易成孔，孔隙率越大；与未成孔的聚乳酸复合材料相比，PLA微孔材料的力学性能、隔热性能、透过性能均提高。拉伸成孔的机理主要包括应力集中、脱粘和剪切屈服的微观机制。. 最后，通过选用不同粒径的二氧化硅作为致孔剂，研究致孔剂的粒径变化，即从纳米尺寸分散到微米尺寸分散，对PLA在拉伸过程中微孔结构和演变以及材料性能的影响。二氧化硅粒径越大，制得的多孔材料的孔径越大，孔隙率也越大。此外，由于拉伸产生的孔结构，多孔材料的力学性能、隔热性能、透过性能均得到明显提升。