纤维素纳米晶/尼龙6复合材料的原位制备及性能研究

In this project, Nylon nanocomposites will be prepared by in-situ ring-opening polymerization to overcome the problem of poor material properties due to the uneven dispersion of the nanoparticles filled by the traditional melt blending. With the natural polymer material cellulose nanocrystals (CNC) as the filler particles, two methods will be used to prepare CNC/PA6 in-situ composites. One is the direct blend polymerization of caprolactam and CNC, and the other is the method of grafting PA6 on the surface of CNC. First of all, this study will systematically optimize the in-situ ring-opening polymerization between CNC and caprolactam to solve the problem of polymerization inhibition, and establish the best method to achieve this in-situ polymerization goal. Secondly, the new high-performance nylon 6 nanocomposites with high dispersion and strong interface will be prepared by grafting PA6 on the surface of CNC. And the effect of surface grafted structure on the dispersion of nanoparticles and the properties of composites will be revealed. Finally, the structure and performance of different CNC/PA6 composites will be explored systematically to generalize the general strategies for the preparation of high-dispersion and strong-interface nanocomposites. In short, through this study, the problem of difficult machining between CNC and PA6 will be solved, so as to obtain a new high-performance nanocomposites, thereby expanding the application of natural polymer material CNC in the field of engineering plastics, and at the same time providing a feasible solution for the ideal dispersion and interfacial bonding of nanoparticles in polymers.

本项目拟采用原位开环聚合法制备尼龙基纳米复合材料，以克服传统熔融共混法制备的复合材料因纳米粒子分散不均而导致材料性能不佳的问题。研究中以天然高分子材料纤维素纳米晶（CNC）为填充粒子，将采用两种方案制备CNC/PA6复合材料，一是己内酰胺和CNC共混聚合法，二是在CNC表面引发接枝PA6的方法。首先，将系统优化CNC与己内酰胺原位开环聚合，解决阻聚问题，阐明阻聚机理，建立实现这一原位聚合目标的最佳方法；其次，通过在CNC表面引发接枝尼龙6的方式制备复合材料，揭示CNC表面接枝结构对纳米粒子分散及复合材料性能的影响；最后，系统探讨不同CNC/PA6复合材料的结构与性能，归纳制备高分散和强界面的高性能纳米复合材料的普适性策略。通过本研究，将解决CNC与PA6加工难的问题，得到一种新的高性能纳米复合材料，从而拓展天然高分子材料在工程塑料领域的应用，同时实现纳米粒子在聚合物中的理想分散和界面粘接。

本项目采用原位开环聚合法制备尼龙基纳米复合材料，以克服传统熔融共混法制备的复合材料因纳米粒子分散不均而导致材料性能不佳的问题。研究中以天然高分子材料纤维素纳米晶（CNC）为填充粒子，采用两种方案制备CNC/PA6复合材料，一是己内酰胺和CNC共混聚合法，二是在CNC表面引发接枝PA6的方法。首先，系统优化了CNC与己内酰胺原位开环聚合，解决阻聚问题，阐明阻聚机理，建立了实现这一原位聚合目标的最佳方法；其次，通过在CNC表面引发接枝尼龙6的方式制备复合材料。利用CNC表面的羟基，与TDI的进行反应，再通过己内酰胺进行封端，制备接枝己内酰胺的纤维素纳米晶（CNC-g-CL）；然后，以CNC-g-CL作为活性中心，使单体在CNC表面聚合，制备CNC-g-PA6复合材料。本研究中探讨了接枝工艺条件对CNC-g-CL的影响，进一步研究了聚合工艺条件对CNC-g-PA6复合材料性能的影响。结果表明，CNC均匀地分散在PA6基体中，且平均粒径小于1微米。CNC增强作用显著，拉伸强度最高达到108 MPa，比浇铸PA6增加了37.7%。通过工艺调控，冲击强度达到7.9 KJ/m2，相比于浇铸PA6提升了46%，实现了同步增强增韧。另外CNC-g-PA6的玻璃化转变温度从浇铸PA6的30 ℃提高到100 ℃，显著提升了材料的耐热性。通过本研究，解决了CNC与PA6加工难的问题，得到一种新的高性能纳米复合材料，从而拓展了天然高分子材料在工程塑料领域的应用，同时实现纳米粒子在聚合物中的理想分散和界面粘接。