基于粘土/碳纳米管混合填料的聚合物复合材料的纳米层级构建

It is a favorable way to apply two different nanofillers into one polymer matrix for fabricating the high-quality nanocomposites. However, how to strengthen the synergistic effect of mixed fillers so as to realize their effective application is a practical challenge. To address this issue, taking a typical filler suite of montmorillonite (MMT) and single-walled carbon nanotube (SWNT) as an example, this research proposal presents a bottom-up approach in which the polymer composites are designed and fabricated at the nanometer level, aiming to provide two optional solutions for the effective application of the MMT/SWNT mixed fillers. One is to firstly synthesize the MMT-SWNT nanohybrids (MSH) by using MMT and SWNT as starting materials, and then fill MSH into polymer matrix. To this end, the alkyl quaternary ammonium salts are covalently grafted onto the nanotube surface to provide SWNTs with the characteristics of positive electrical charge. Since MMT has net negative charges on its surface, MSH can thus be prepared through the strong electrostatic interactions between surface-functionalized SWNT and MMT. Another is to directly use MMT and SWNT, but employ a particular layer-by-layer assembly (LBL) technique to tailor their respective morphology and structure in polymer matrix at the nanometer scale. In the implementation of such a proposal, the effects of various parameters on Synthesis of MSH and Application of LBL will be systematically studied in order to develop new methods for exploiting the potentials of the MMT/SWNT mixed fillers. Also, the mechanisms of Synergistic Effect and Electrostatic Interaction will be fully understood so that new strategies for preparing the high-performance polymer nanocomposites can be inaugurated.

混合使用两种或多种纳米填料【如蒙脱土/碳纳米管（MMT/SWNT）】是获取性能优异聚合物复合材料的一种有效手段，但如何强化混合填料的协同效应以实现其有效使用是一个现实的挑战性课题。本项目拟采用自下而上的研究思路，以对聚合物复合材料进行纳米层级构建为实施指引，旨在为MMT/SWNT混合填料的有效使用提供两种可供选择的解决方案：1）通过分子层级材料设计，先利用强静电相互作用制备出MMT-SWNT纳米杂化材料（MSH），然后再将其与聚合物基体复合；2）直接使用MMT和SWNT，但经由逐层组装（LBL）技术对其在聚合物基体中的形态、结构进行纳米层级裁制。项目实施中，一方面系统研究各种参数对MSH制备和LBL技术实施的影响，为有效使用混合填料提供新方法；一方面深入探索协同效应机理和静电相互作用机制，为制备性能优异的聚合物复合材料开辟新途径。

混合使用两种或多种纳米填料【如蒙脱土/碳纳米管（MMT/SWNT）】是获取性能优异聚合物复合材料的一种有效手段，但如何强化混合填料的协同效应以实现其有效使用是一个挑战性课题。本项目采用自下而上的研究思路，以对聚合物复合材料进行纳米层级构建为实施指引，旨在为MMT/SWNT混合填料的有效使用提供两种可供选择的解决方案：1）先利用静电相互作用制备出MMT-SWNT纳米杂化材料（MSH），然后再将其与基体树脂复合；2）直接使用MMT和SWNT，但经由逐层组装（LBL）技术对其在基体树脂中的形态、结构进行纳米层级裁制。.项目实施中，基于蒙脱土纳米片（CNP）的表面负电性，在将正电荷引入SWNT表面后，利用两者间的静电相互作用制备了MSH。随后，以PVA和Nylon-6为代表性树脂，分别制备了PVA/MSH和Nylon-6/MSH复合材料。在与纯树脂以及CNP、SWNT、CNP+SWNT基复合材料对比后，发现MSH基复合材料的拉伸强度、杨氏模量和热稳定性均明显优于CNP、SWNT以及CNP+SWNT基复合材料，表现出了期待的协同增强效应。由此，为在复合材料中有效使用MMT/CNT两种填料提供了一种新选择。.采用逐层组装（LBL）技术对MMT和SWNT在基体树脂PDDA中的形态、结构进行了纳米层级裁制。由于填料在基体树脂中实现了纳米层级均匀分散且两者间形成了良好的界面粘合，厚度仅为4.8 μm的组装膜，其弹性模量已可达9.9 GPa。这为在复合材料中有效使用MMT/SWNT两种填料提供了另一种新选择。.项目实施中，还以MSH为构筑单元发展了一种新型“无机组分”水凝胶。该水凝胶的储能模量可高达0.16 MPa。在该水凝胶体系中引入第二网络（PVA网络）后，目标复合水凝胶还发展出了一种抗水分解能力。初步的生物学研究显示该复合水凝胶可用作细胞培养等的基底材料。.总结而言，本项目的研究工作不仅为有效使用MMT/SWNT混合填料提供了新方法，为制备性能优异的聚合物复合材料开辟了新途径，而且通过对两种或多种纳米粒子协同效应的理解，为发掘其它填料的潜能提供了新思路，丰富了材料学科基础研究的内容。