基于振荡推拉模塑成型新方法的聚合物自增强及其微纳孔发泡研究

Controlling the microstructure of polymer by developing novel processing technique is one of the most important pathway to achieve high performance polymeric materials and products. We discovered in our recent research that the introduction of oscillation push-pull complex force field during processing could effectively induce the polymer self-reinforce effect, and the self-reinforced polymer formed abundant nano-sized pores after foaming, which resulted in further improvement of mechanical performance. In order to explore the mechanism, based on the previous research outcomes and the self-developed circulating oscillation push-pull molding equipment, we would comprehensively investigate the crystallization, orientation morphology formation mechanism and their reinforcing and toughening mechanism of single phase polymer under oscillation push-pull complex force field; study the micro structure evolution and the mechanism of nano pores formation for the low temperature supercritical gas microcellular foaming of the self-reinforced polymer; elaborate the influencing rules of the micro nano pore size, distribution and structure on the macro-properties of self-reinforced polymer; produce high performance self-reinforced plastic products with nano pore structure via the new method combing "oscillation push-pull molding" and "low temperature microcellular foaming" techniques. We discovered in our recent research that the introduction of oscillation push-pull complex force field during processing could effectively induce the polymer self-reinforce effect, and the self-reinforced polymer formed abundant nano-sized pores after foaming, which resulted in further improvement of mechanical performance.

通过加工成型新方法调控聚合物微观形态结构，是实现高分子材料及制品高性能化的重要途径。在我们的近期研究中发现：在加工过程中引入振荡推拉复合振动力场，能更有效地提高单一聚合物自增强效果；自增强聚合物微孔发泡后形成大量纳米泡孔，力学性能进一步明显提升。为了探明其机理，本项目拟在前期工作基础上，采用自行研制的循环振荡推拉成型设备，系统研究振荡推拉复合力场作用下单一聚合物的结晶、取向等形态结构形成机制及其增强增韧机理，探究自增强聚合物低温超临界气体微孔发泡后的微观结构变化和纳孔形成机理，阐明微纳孔大小、密度、分布以及发泡后的形态结构演变对自增强聚合物宏观性能的影响规律，并通过“振荡推拉模塑成型”与“低温微孔发泡”相结合的加工新方法，制备获得具有纳孔结构的高性能自增强塑料制品。研究成果将促进聚合物高性能化成型加工技术及理论的发展，以及通用高分子材料的高性能化应用，因而具有重要的科学与现实意义。

通过加工成型新方法调控聚合物微观形态结构，是实现高分子材料及制品高性能化的重要途径。本项目基于模塑成型新方法，采用自行研制的循环振荡推拉成型设备，制备成型获得了PP、PE、PLA等多种具有高性能的自增强聚合物材料及试件。研究发现在循环振荡推拉模塑成型过程中，向熔体施加不同强度的振荡推拉剪切流场，可制备具有球晶、shish-kebab取向串晶、取向片晶等不同聚集态结构和形态的材料试样，表现出不同的机械性能。测试分析结果表明循环振荡推拉成型显著提高了聚合物的强度、韧性和摩擦学性能等综合性能。本项目较系统研究了振荡推拉复合力场作用下聚合物的结晶、取向等形态结构形成机制及其增强增韧机理，可为采用复合力场加工方法制备成型高性能自增强聚合物材料制品的研发提供理论和应用指导。进而，通过“振荡推拉模塑成型”与“低温微孔发泡”相结合的加工新方法研究了聚合物分子链取向排列的微观聚集态结构对超临界微孔发泡行为的影响。研究发现采用超临界气体低温发泡方法处理自增强制件时，自增强制件发泡后的外形尺寸及内部主要晶态结构基本不变，各向异性状况改善。测试分析结果表明在超临界气体低温发泡后，串晶和取向片晶的非晶区中可形成高泡孔密度的致密微纳孔，从而进一步提升了自增强制件的综合机械性能。本项目开展了聚合物分子链取向排列的微观聚集态结构和形态对超临界气体微孔发泡行为的影响研究，为探索发泡法制备聚合物纳孔材料提供新思路和新途径。此外，本项目还通过体外细胞培养和动物体内植入实验证实循环振荡推拉成型聚合物可较好的应用于生物组织工程。项目研究成果将促进聚合物高性能化成型加工技术及理论的发展，并推动高性能化通用高分子材料在车船航空、保温包装、隔音屏蔽、组织工程以及工业器件等领域的应用，因而具有重要的科学与现实意义。相关研究成果发表学SCI收录学术论文28篇；申请专利6件。