剪切作用下剥离型聚合物/膨胀石墨纳米复合材料的制备与性能研究

本项目首先通过动态熔体流变仪对剪切力场下膨胀石墨在聚合物中的分散剥离过程进行原位监测，并将在线流变性能变化与离线结构形态表征联系起来，以正确提出剪切作用剥离石墨的机理，并考察多种因素（聚合物性质、石墨膨化程度、剪切条件等）对石墨剥离效果的影响；接着会将基础研究成果用于指导在实际成型加工中制备剥离型的聚合物/膨胀石墨纳米复合材料，并确定最优化的加工条件参数，特别是要运用特殊的动态保压成型技术，在注塑保压阶段对复合材料熔体施加强大的往复剪切力场，以极大促进石墨的分散剥离，从而使纳米复合材料注塑制品的性能显著提高；最后，详细表征注塑制品的多层次结构，深刻认识微观结构－宏观性能的关系。研究的主要目的是：建立一套完整、系统的研究体系，从基础理论到实际加工再到结构－性能调控，对剪切力场下制备剥离型聚合物/膨胀石墨纳米复合材料进行全面、深入的研究，最终推动这类纳米复合材料向实际应用领域发展。

本项目在过去三年中围绕剪切力场引起膨胀石墨分散剥离从而制备新型的高性能聚合物/膨胀石墨纳米复合材料这一主题，系统开展一系列研究工作。通过在加工共混过程中引入特殊的强剪力场，使得膨胀石墨能够得到有效剥离；发现不同方式的剪切力场对膨胀石墨结构的影响也不相同，RSSM使得石墨颗粒轮廓尺寸减小，而DPIM主要作用是减薄及造成片层剥离。从而证实了加工中强的剪切作用确实能够帮助获得均匀分散与高度剥离的石墨片层结构。进一步地，将界面增容与剪切促进剥离相结合，能够获得较理想的分散均匀与高度剥离的膨胀石墨结构，从而建立起了一套制备聚合物/剥离膨胀石墨纳米复合材料简便、有效的方法。基于所提出的方法，通过加工共混实际制备了几种三元纳米复合材料。剪切作用主导获得剥离石墨纳米片层，而调节界面相互作用可以实现石墨片层的选择性分布（即在分散相、基体相、界面区域或各部分都存在）。纳米复合材料的宏观物理性能，如冲击韧性、强度、模量、结晶性能等，受石墨纳米片层的分布影响很大，初步探索了其结构-性能关系。最后，将制备具有石墨纳米片层分散结构复合材料的方法进行扩展，石墨纳米片层通过表面负载的方式与较大尺寸填料（SiO2、玻纤）相结合，发展了填料增强聚合物复合材料的新方法。SiO2、玻纤表面负载了石墨纳米片层后，与聚合物基体间的界面相互作用明显增加，从而力学增强效果提高显著。基于项目的研究成果，已发表SCI论文7篇（另有2篇在审稿中）。国家发明专利授权一项。培养博士研究生1名，硕士研究生2名。较好地完成了原申请书中的研究内容与工作计划。