橡塑合金中纳米粒子诱导类双连续结构的形成机理及性能相关性

Adding a small amount of nanoparticles with strong self-networking capability to obtain a special co-continuous like structure has been proved to be an effective strategy to optimize the impact toughness of plastic/rubber alloys. However, the formation, evolution and destruction mechanism of nanoparticles induced co-continuous like structure is still not clear, which is of significance to its precisely control. In this study, we set Polylactide(PLA)/Ethylene-Vinyl acetate(EVA) as model blends and plan to investigate the role of thermodynamics and kinetic key factor, such as viscoelasticity change of rubber phase, initial location of nanoparticles, nanoparticles-nanoparticles interaction, nanoparticles-rubber interaction and viscosity of polymer matrix, in the formation, evolution and destruction of co-continuous like structure via in-situ TEM observation. On this basis, we try to realize the controllable preparation of co-continuous like structure by adjusting the process conditions and quantitative characterization of structural parameter of co-continuous like structure. So, the structure-properties relationship of co-continuous like structure can be established. The interesting results of this work provide basic theoretical instruction for preparation of high performance plastic/rubber alloys. It can be applied to the most common industry used rubber toughen plastic blends，which is of great value in both theoretical research and industrial application.

在橡塑合金中添加少量具有自网络能力的纳米粒子形成类双连续结构是减少橡胶用量、提高增韧效率、实现其良好刚-韧平衡的一种有效手段。然而，类双连续结构的形成机理还不明确，这对于实现其高效可控制备至关重要。本项目中，申请人以聚乳酸/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物共混体系为主要研究对象。拟从纳米基体粘度、粒子初始分散位置、粒子-粒子和粒子-橡胶相互作用、橡胶相粘弹性变化等关键热力学、动力学影响因素入手，通过在线TEM观察体系结构演变过程，揭示类双连续结构形成及破坏的本质机理。调控熔融加工条件，实现类双连续结构的可控制备，明确类双连续结构形成的边界条件范围。采用分型维度参数定量表征类双连续结构，从而建立类双连续结构与性能之间关系，完善橡塑合金体系结构性能关系谱图。该项目研究成果可以为橡塑合金高性能化理论指导和实践支持，应用于工业广泛应用的橡胶增韧共混体系，在理论研究和工业应用两方面都有巨大价值。

通过纳米粒子诱导橡塑合金形成类双连续结构是实现低橡胶用量下显著增韧的有效方法。因此，揭示类双连续结构的形成机理，实现类双连续结构的可控制备，阐明类双连续结构与性能之间的定量关系，具有重大的科学意义以及应用价值。本项目以聚乳酸（PLA）/弱极性乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）和PLA/强极性聚氨酯（PU）为模型橡塑合金，加入具有极强自网络能力的纳米二氧化硅粒子（SiO2）诱导体系发生相形态变化，调节SiO2比表面积改变其自网络能力，控制SiO2羟基含量改变体系内相互作用，设置加工条件改变体系的动力学过程，研究三方面对结构以及性能的影响。结果表明：对于PLA/EVA体系，（1）由于SiO2与EVA分散相相互作用不足，无论改变SiO2用量、比表面积、羟基含量以及EVA的VA含量，都无法诱导其以网络形式组装，因此不能有效地形成类双连续结构，以上作用仅会影响SiO2分散及分布位置；（2）当SiO2分布在两相界面时，对冲击韧性的贡献最大，并且该贡献随着SiO2与两相相互作用的提高而增强；（3）通过流变学分析发现，EVA分散相已经过凝胶化，并且具备极高的弹性，说明分散相的粘弹性变化以及相分离并不是形成类双连续结构的主要原因；对于PLA/PU体系，（1）SiO2含量越高以及自网络能力越强，体系越容易形成类双连续结构；（2）自网络能力越强，类双连续结构的粗化现象越明显，不利于其周围的应力场叠加，反而导致冲击韧性下降，因此存在增韧效果的自网络能力最佳值。通过综合两个体系的研究结果，纳米粒子自网络行为、纳米粒子与分散相之间的强相互作用是形成的类双连续结构的主要机理。进一步，通过改变SiO2的比表面积、羟基含量以及加工条件都可以实现对类双连续结构及体系性能的宽幅调控。该研究项目不仅可以丰富对于橡塑合金相结构调控及结构-性能之间关系的认识，而且可以为工业生产提供理论指导和实践支持。因此，该项目兼具重要的理论研究和应用研究价值。