同步辐射X射线成像和小角中子散射原位研究高分子复合网络的结构与性能关系

The high special strength and easy process properties of polymer composite come from the synergistic interactions of filler and molecule chain networks. Because of complex of network structures and limitations of research methods, how the influence of some key factors on the mechanisms of polymer composite, such as filler diameters, structures and shapes, is not clear, and the three dimensional structures of filler distributing in the polymer matrix is not known. Aim at the challenge, this project plans to develop micro-mechanical measurement set up which can be used in in-situ measurement with both synchrotron X-ray 3D imaging and small angle neutron scattering technique. Taking white carbon black enhanced silcone rubber as example, the relationship of the structure changes of filler and molecule chain networks and mechanical properties during tensile deformation will be detected, the synergistic interactions of the two networks will be studied. we will accomplish multi-scale structure characterization with time and spatial resolution accompanying with mechanical properties measurement. and the proper principles of molecule chain deformation under drawing together with the relationship between the Payne effect of filled silicone rubber and three dimensional structures of white carbon black in rubber matrix will be given. We aim at establishing synchrotron -based method for the study of mesoscopic mechanics in polymer and providing more useful help for the users from polymer materials and other research field as well as give evidences for designing and producing the silicone rubber composites with special mechanical properties.

高分子纳米复合材料的优异力学性能取决于纳米填料网络与高分子链网络的协同效应。然而，由于网络结构的复杂性以及研究方法和技术手段的限制，这一软硬双网络结构分别对力学性能的贡献及其协同机理还不清楚。针对纳米填料网络和高分子链网络的结构特点，本项目计划发展同步辐射X射线成像和小角中子散射原位技术，以白炭黑补强硅橡胶体系为模型研究对象，研究双网络结构在拉伸作用下的结构演化动力学与力学性能的关系。同步辐射X射线三维成像技术检测纳米填料网络在拉伸中的形变、破坏和外力撤除后的恢复与重构；小角中子散射和氘代技术结合，跟踪分子链网络形变和松弛。调节填料与分子基体的界面相互作用，探寻双网络结构之间的协同效应，揭示纳米填料增强的物理机制和Payne效应等力学特征的结构缘由，为设计高性能纳米复合高分子材料提供理论和实验依据。本项目发展基于大科学工程的原位技术，为高分子同行服务。

本项目针对硅橡胶白炭黑填料的网络结构和力学性能关系，研制与同步辐射X射线成像和X射线超小角散射实验系统联用的超微型拉伸装置，发展相应的数据处理方法和分析软件，建立X射线成像和X射线超小角散射技术原位研究硅橡胶白炭黑的网络结构和力学性能关系的方法，同时结合小角中子散射技术等，对白炭黑填料在拉伸应变下的网络结构变化和力学性能关系进行研究，探索填料网络的不同尺度结构及其演化与宏观力学行为之间的相关性，力争回答Payne效应的物理机制,为高性能硅橡胶制品的设计提供理论和实验依据。. 针对上述研究目标：成功研制了可与同步辐射X射线成像系统联用的低温拉伸压缩装置，基于同步辐射光源发展了X射线三维成像的原位研究技术，探索Avizo三维处理软件与Matlab程序语言结合的三维成像数据处理方法。在上述基础上，研究获得了如下结果：（1）基于原位X射线三维纳米成像技术，直观观察了白炭黑/硅橡胶复合体系不同应变下填料网络结构演变过程，发现拉伸过程中存在相分离以及纳米填料网络的破坏和重构，提出形变过程中白炭黑纳米颗粒间以及纳米颗粒与硅橡胶基体为可逆结合的增强机理。（2）采用小角中子散射技术、透射电镜及动态热机械分析技术，研究了白炭黑硅橡胶体系中，白炭黑补强结构的尺寸，通过界面层-温度外场-动态性能的响应关系，探索了Payne效应的物理结构缘由。（3）发现白炭黑/硅橡胶体系在不同温度区间内存在不同的结晶能力和相转变路径，在温度-应变空间下构建了不同白炭黑份数的复合硅橡胶体系在拉伸诱导结晶和相转变的非平衡相图。拉伸过程中填料网络的破坏促进固固相转变过程，回复过程中填料网络的重构并不会影响伸直链继续形成晶体。