附生结晶增强高分子/石墨烯复合材料力学性能的机理研究

The interfacial interactions between polymer and nanomaterials has a great influence on the final properties of polymer nanocomposites, therefore the study that the enhancement mechanism of polymer nanocomposites’ mechanical properties by interfacial interaction is very important. In this project, using the epitaxial crystallization between polymer and two-dimensional graphene with ultrahigh strength, layers of extended chain crystals are prompted at the interface, to improve the interaction of graphene and polymer matrix, so as to effectively enhance the mechanical properties of polymer/graphene nanocomposites. X-ray scattering/diffraction in-situ test platform with high spatial and high temporal under the condition of rapid stress will be built at small angle line station of Shanghai synchrotron radiation, to study in-situ structural evolution of polymer/graphene nanocomposites under the condition of rapid stress, on this basis, the enhancement mechanism of crystallizable polymer nanocomposites’ mechanical properties by epitaxial crystallization will be in-depth understood.

高分子与纳米材料的界面相互作用对高分子/纳米复合材料的最终性能有很大的影响，因此研究界面相互作用增强高分子/纳米复合材料力学性能的机理十分重要。本项目通过引入二维的超高强度石墨烯，利用高分子在石墨烯表面的附生结晶作用促使高分子在界面形成伸直链结晶层，改善石墨烯与高分子基体的界面相互作用，从而有效提升高分子/石墨烯纳米复合材料的力学性能，并在上海同步辐射光源小角线站搭建适用于快速受力情况下高空间和高时间分辨的X射线散射/衍射原位测试平台，进行高分子/石墨烯纳米复合材料快速受力情况下的原位结构演变研究，在此基础上深入认识附生结晶对结晶性高分子纳米复合材料的增强机理。

高分子纳米复合材料兼具高分子材料低密度和可塑性等特点以及纳米材料优异的力学性能等诸多优良性质，是实现高分子材料高性能化的重要途径和方法。高分子与纳米材料的界面相互作用对复合材料的最终力学性能有很大的影响，因此研究界面相互作用增强高分子/纳米复合材料力学性能的机理十分重要。附生结晶是一种利用非破坏的物理改性方法来增加可结晶性高分子与纳米材料之间界面结合力的方法，因此本项目引入二维的超高强度石墨烯来研究高分子的附生结晶及其对复合材料力学性能的影响机理。本项目首先采用系列周期性取代的聚乙烯作为示例结晶高分子，采用石墨烯作为附生基底、并引入碳纳米管和超高分子量聚乙烯纤维作为对比附生基底，研究了溶液结晶和超临界二氧化碳辅助结晶在石墨烯、碳纳米管和超高分子量聚乙烯纤维表面的附生结晶，发现附生结晶可以改变部分周期性取代聚乙烯的晶型，并提升熔点幅度高达70℃以上，这一点是通常的处理方式不可能实现的。本项目选用三种不同的可结晶性高分子材料—聚己内酯、高密度聚乙烯、尼龙66，并以不能附生的等规聚丙烯作为参照，利用注塑过程中流场作用下高分子在石墨烯表面的附生结晶作用促使高分子在界面形成附生晶体，改善了石墨烯与高分子基体的界面相互作用，从而有效提升了高分子/石墨烯纳米复合材料的力学性能。本项目利用上述高分子/石墨烯纳米复合材料，在上海同步辐射光源SAXS/WAXD原位测试平台进行了快速受力情况下的原位结构演变研究，深入认识了附生结晶对结晶性高分子纳米复合材料的增强机理，在此基础上探索形成了高性能高分子/石墨烯纳米复合材料制备的工业化工艺。以上结果不仅发展和完善了附生结晶及其对结晶性高分子纳米复合材料的增强机理的本质认识，而且可以应用于高分子/石墨烯纳米复合材料制品的工艺改进和产品性能提升。