基于静电相互作用调控纳米粒子分散的纳米复合材料的设计与制备

In comparison with the conventional method of functionalizing nanoparticles through covalent bonds to improve the dispersion of nanoparticles in polymer matrices and the interfacial adhesion between matrix and nanoparticles, we propose to introduce positive charges into polymer matrices through copolymerization reaction with cationic monomers so that the strong electrostatic interaction between positively charged polymer matrices and negatively charged unmodified nanoparticles could hugely improve the dispersion state of nanoparticles as well as the interfacial adhesion. We will systematically investigate the effect of various factors on both the micro-structure and the macro-performance of the resultant nanocomposties, such as the structure, mass ratio of cationic monomer and its distribution along the polymer chain, the type, geometrical characteristic, magnitude of charge, addition amount and dispersion form of nanoparticles, as well as the polymerization reaction process itself. We will also probe the key controlling factors in designing and fabricating high-performance nanocomposites, reveal the regulatory mechanism of nanoparticels under the influence of electrostatic interactions, and establish an effective measurement to disperse nanoparticles uniformly in polymer matrices. This research probes a new way to design and prepare polymeric nanocomposites, which is expected to solve the dispersion problem of nanoparticles in nanocomposites. In addition, this research also provides theoretical basis for developing high-performance nanocomposites.

与常规的通过纳米粒子表面有机化修饰实现纳米粒子在基体中的均匀分散并增强其与基体的相互作用的思路不同，本项目拟通过与阳离子单体共聚反应，使聚合物基体带上正电荷，利用其所带正电荷与未经有机化修饰的纳米粒子表面负电荷之间的静电相互作用，调控纳米粒子在聚合物基体中的分散形态，增强纳米粒子与聚合物基体的相互作用。对阳离子单体的结构、共聚比例及其在大分子链上的分布状态，纳米粒子的种类、几何特性、表面电荷状态、添加量及其在基体中的分散形态，以及聚合反应过程对纳米复合材料微观结构及宏观性能的影响进行系统地研究；探明设计与制备高性能纳米复合材料的关键控制因素；阐明基于静电相互作用的纳米粒子调控机制；建立实现纳米粒子在聚合物基体中良好分散的有效调控手段。本项目的研究可为聚合物纳米复合材料的设计与制备探索出新途径，有望较好地解决纳米粒子的分散问题，为研究开发高性能纳米复合材料提供理论依据。

项目针对聚合物纳米复合材料制备中的关键和共性问题—如何实现纳米粒子在基体中的均匀分散并增强与基体的相互作用，采用与离子单体共聚使聚合物基体带上电荷，利用静电相互作用改善纳米粒子在基体中的分散及其与基体的相互作用，深入细致地研究了设计与制备高性能纳米复合材料的关键控制因素。主要研究内容包括四个方面。首先，项目选取并制备了多种结构不同的阳离子单体，深入研究了阳离子单体的结构对静电调控纳米粒子分散及纳米复合材料结构与性能的影响；其次，选取多种带正/负电荷的纳米粒子，设计并制备了阴/阳离子单体，研究了阴/阳离子单体调控多种纳米粒子分散的作用机制；再次，针对碳纳米粒子的特殊结构，在静电调控的基础上，进一步协同引入氢键、π-π等相互作用，研究了多重相互作用对聚合物/碳纳米粒子复合材料界面粘附和性能的影响；最后，项目还在基于静电相互作用有效调控碳纳米粒子分散的基础上，进一步探究了复合材料的电化学性能。概括地说，项目揭示了阴/阳离子单体的结构、纳米粒子的种类与几何特性、界面相互作用等因素对聚合物纳米复合材料结构与性能的影响规律，建立了实现纳米粒子在聚合物基体中良好分散的有效调控手段。项目的研究成果为聚合物纳米复合材料的设计与制备开辟了新途径，采取简便高效且环境友好的方法解决了纳米粒子的分散问题，为研究开发高性能纳米复合材料提供了理论依据。