高孔隙率材料泡孔结构的相形态和流变调控机理

组织工程支架等多孔材料要求有高的孔隙率，其制备极具挑战性。本项目综合应用本课题组3项发明专利技术，提出孔尺寸呈双峰分布的高孔隙率材料的创新制备思路，即通过混炼流场，并可辅以超临界流体(SCF)，促进纳米粒子分散，并使之位于少组分相内与/或界面上，以改变组分的黏弹性能与/或降低界面张力，在少组分相含量较低时组装成共连续相形态；对材料进行微发泡，在少组分相内形成微孔；溶解掉发泡样品中的多组分相。纳米粒子可起四重作用，即增强、促进共连续相形态形成、促进微孔发泡和促进细胞的生长和粘附。建立泡孔结构-材料的相形态参数和线性黏弹流变性能-混炼流场参数和SCF这三者之间的综合关系，就可把混炼流场和SCF的协同作用以及相形态和流变性能作为调控泡孔结构的一种手段，在一定程度上实现高孔隙率材料制备方法的突破，为通过挤出和注塑这两种高分子加工的最重要技术，大规模制备这类材料提供基础。

高孔隙率的多孔材料应用十分广泛，作用日显重要，但其制备极具挑战性。.主要研究内容和重要结果：.1. 提出并实施了制备高孔隙率泡孔结构的新思路，包括高孔隙率高分子材料支架、具有多尺度高孔隙率泡孔结构高分子制品和微生物燃料电池用三维开孔碳泡沫支架电极的制备。.2. 研制成功在线黏度测试系统和挤出微孔发泡设备。.3. 研究高剪切速率下高分子熔体的剪切黏度，揭示了高分子熔体的真实高剪切流变行为；提出稳态测试模式研究熔体的延伸黏度，以更准确地反映其拉伸特性。.4. 通过设计加工流场制备高分子多相体系，并研究其微观形态和流变性能。混沌混炼提供的拉伸和折叠效应有利于高度分散或薄片状等形态的形成，尤其是在少组分相含量较低（如30 wt%）时形成明显的共连续相形态。分析了混炼流场尤其是混沌流场参数对材料微观形态和流变性能的影响以及微观形态参数与流变性能之间的关系，从而揭示了混炼流场-流变性能-微观形态之间的关系。.5. 采用两步和一步法2种方式，制备发泡材料，研究其泡孔结构和性能。.(1) 两步法.(a) 在变温模式下通过升温与降压协同作用制备成功双峰高孔隙率泡孔结构，分析其形成机理，并研究发泡条件对发泡材料双峰泡孔结构和性能的影响。.(b) 制备高分子共混物发泡材料，研究其泡孔结构和性能及开孔结构形成机理。.(c) 基于相形态的微孔发泡共混物泡孔结构调控的机理研究。.(d) 制备成功新的三维开孔碳泡沫支架电极，大大提高了微生物燃料电池的最大输出电流密度和最大输出功率密度。.(2) 一步法.(a) 挤出微孔发泡制备高开孔率微孔发泡材料的研究。.(b) 首次提出注射压缩微孔发泡新方法，研究发泡制件的泡孔结构和宏观性能。.通过上述研究，揭示、分析了发泡材料的泡孔结构和宏观性能-材料的微观形态参数和流变性能-混炼流场尤其是混沌混炼流场参数这三者之间的综合关系。这样，就可把混炼流场以及相形态/微观结构和流变性能作为调控泡孔结构的一种手段，探索泡孔结构调控尤其是高孔隙率泡孔结构形成的机理。本项目研究在一定程度上实现了高孔隙率材料制备方法的突破，为通过挤出和注塑这两种高分子加工的最重要技术，规模制备高孔隙率材料提供了基础。