基于高分子刷的反应成型结构泡沫材料制备及其构效关系研究

The interfacial incompatibility between organic foam and inorganic reinforced materials would result in serious problems such as low reinforced efficiency, high brittleness and heterogeneous pore structure. In order to make the high performance structural foam become much "lighter, stronger, thinner", and also take acount of the character of outstanding energy adsorption, the novel composite structure design of organic and inorganic materials is one of the hottest research topics in military and industrial applications. According to the structure design of reaction molding structural foam, this project presents that the flexible polymer brushes with activated end group grow from the surface of inorganic reinforced particles. Understand and control the conformation transition of the polymer brush in the reaction molding foam through studying the growth kinetics. Investigate the influence of polymer brush struture on the rheological behavior and the evolvement of the structure of foam, and obtain the structure- activity relationship between the structure of polymer brush and the properties of structural foam to provide a new approach to achieve the unity of mechanical strength and energy adsorption. The significance of this project is that a novel method, which is used to prepare functional inorganic reinforced materials with the controllable structure for the system of reaction molding structural foam, is provided. The research results would provide theory and technical support for the optimal design and practical application of the advanced strctural foam in the near future.

无机增强材料与泡沫材料的界面不相容性将导致材料体系增强效果差、脆性高、泡孔结构粗大等严重问题，因此，设计新型有机-无机材料复合结构构筑方式，使高性能结构泡沫材料实现"更轻、更强、更薄"的同时，兼具突出的缓冲吸能效果，是国防和民用领域的热点研究课题之一。本项目拟从反应成型泡沫材料的结构设计出发，在无机纳米粒子表面原位生长含特定活性官能团的高分子刷，通过研究其生长动力学，理解和控制高分子刷在反应成型泡沫体系中的构象转变，研究其对体系的流变特性和泡沫材料结构演变的影响规律，获得功能高分子刷与反应成型结构泡沫性能之间的构效关系，为实现材料承载性能和优异缓冲吸能效应的有效统一提供新的途径。本项目的重要意义在于可以为反应成型泡沫材料体系提供结构可控的无机纳米增强材料功能化的新型制备方法，研究结果预计能为未来先进结构泡沫材料的优化设计和实际应用提供理论和技术支持。

反应成型泡沫材料在武器系统中具有广阔的应用，通过引入高强高模的无机填料可以进一步提高反应成型结构泡沫的力学强度，但由于无机填料与有机泡沫之间的界面相容性差，导致体系增强效果差、脆性高、泡孔结构粗大等严重问题。传统的硅烷偶联剂修饰法的改性可靠性差，难以获得理想的效果。因此，必须通过设计新型的有机-无机材料复合结构构筑方式，改善无机填料与有机泡沫基体之间的界面相容性，提高增强效率，使高性能结构泡沫材料实现“更轻、更强、更薄”。.本项目以二氧化硅、碳纳米管为无机填料，以聚氨酯泡沫为载体，分别通过以下三种途径，在纳米粒子表面原位接枝聚醚高分子刷，探究纳米粒子接枝前后对复合聚氨酯泡沫微观结构及性能的影响。.（1）采用阴离子开环聚合法在SiO2粒子表面引发环氧丙醇的开环聚合，原位接枝超支化聚环氧丙醇，接枝量为6 wt%。接枝后SiO2可以使聚氨酯泡沫泡孔结构得到优化，实现在低填充量时，达到更优异的热性能和力学性能。.（2）采用阴离子开环聚合法在SiO2、碳纳米管等无机填料表面原位引发环氧丙烷和环氧乙烷的开环聚合，接枝聚环氧丙烷或聚环氧乙烷高分子刷。研究了不同反应条件下，聚醚高分子刷的生长动力学，获得了接枝量高达25wt%的有机-无机杂化粒子。由于表面接枝聚合物的纳米粒子具有独特的结构和界面作用，使得接枝后纳米SiO2复合聚氨酯泡沫泡孔结构得到优化，在低填充量时具有更优异的增强效果。.（3）采用原子转移自由基聚合（ATRP）技术，在SiO2表面接枝了P(PEGMA)高分子刷，获得了SiO2-P(PEGMA)杂化粒子。这种独特界面结构可以更好的优化聚氨酯泡沫的泡孔结构，其填充量为1wt%时，泡沫平均泡孔孔径相比纯PUF泡沫减小了81µm，且比压缩强度得到大幅提升。.通过上述研究工作的开展，初步掌握了一种新型的无机-有机杂化技术，实现在低填充量的下高效增强，验证了最初的设想。该方法可以进一步拓展到各种无机纳米填料，实现特定的功能。