碳纳米管诱导生物可降解聚羟基丁酸己酸酯纤维界面结晶及其机理研究

There are great significance to investigate carbon nanotubes (CNT)-induced polymer crystallization and the formation mechanism and transition of their inerfaces to develop high-performance polymer/CNT composite fibers. Bacterial poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBHHx) with slow crystallization rate and helical molecular chains will be selected as research object. This research aims to accelerate the crystallization rate during the melt spinning of PHBHHx selecting CNT as nucleating agent. The interfacial crystallization will be tuned by shear stress in the melt spinning and drawing process of the fibers, and the interface interactions of PHBHHx/CNT will be enhanced. The interfacial morphology, microstructure, and interaction at the inerface of PHBHHx/CNT will be investigated systematically by FE SEM, POM, TEM, AFM, in situ FT-IR and DSC. Moreover, the induced crystallization mechanism will be discussed. Further, the comprehensive performance of the PHBHHx/CNT fibers will be optimized The nucleation, crystallization and growth of PHBHHx at the inerface of PHBHHx/CNT will be better revealed in this research. The physical essential of the difference between the interfacial crystallization and the bulk crystallization of PHBHHx will be clarified. This research will favor not only a comprehensive and deeper understanding about the interface interaction of helical biomacromolecules/CNT, the relationship between interfacial crystallization microstructure and the fiber properties, but also providing experimental data and theoretical bases for the investigation of crystallization process of biomacromolecules.

研究碳纳米管（CNT）诱导聚合物结晶及其与聚合物界面形态结构的形成机理和演变过程对于开发高性能聚合物/CNT纤维具有重要意义。项目以慢结晶螺旋链聚羟基丁酸己酸酯（PHBHHx）为研究对象，以加速其纤维熔纺的结晶速率为目标，用CNT作成核剂，以纺丝和拉伸过程中的剪切力调控纤维界面结晶结构，增强PHBHHx/CNT界面相互作用，利用SEM、POM、TEM、AFM、原位FT-IR和DSC等手段研究PHBHHx/CNT界面形貌、微观聚集结构与相互作用，探讨PHBHHx在CNT界面处的诱导结晶机理，最终优化PHBHHx/CNT纤维综合性能。项目将深入揭示PHBHHx/CNT界面成核、结晶与生长过程，阐明PHBHHx界面结晶与本体结晶差异的物理本质。课题的开展不但对螺旋链生物高分子/CNT界面相互作用、界面结晶结构与纤维性能间的关系有全面认识，还为生物高分子结晶过程的研究提供实验依据及理论指导。

碳纳米管（CNT）以其优异的力学、电化学性能，受到科研工作者的关注。聚合物/碳纳米管纳米复合材料逐渐成为研究热点。利用结晶聚合物在CNT界面发生结晶，进而对CNT形成有序的非共价键修饰结构有重要的研究意义和使用价值。本项目通过溶液结晶技术，采用具有“沟槽”结构的单壁碳纳米管（SWNT）bundle诱导螺旋链构象的生物可降解聚羟基丁酸酯（PHB）、聚羟基丁酸己酸酯（PHBHHx）进行结晶，制备了PHB/SWNT、PHBHHx/SWNT纳米杂化材料，探索静态结晶条件下，PHB、PHBHHx在碳纳米管界面发生结晶进而形成有序非共价键修饰结构的可能性。通过熔融纺丝技术制备了PHB/SWNT、PHBHHx/SWNT纤维，考察了在纤维成形过程中，界面拉伸应力的存在对纤维结晶与成形性能的影响，以及碳纳米管存在下诱导产生界面晶体结构的可能与条件。.溶液结晶研究成功获得了PHB/SWNT和PHBHHx/SWNT纳米杂化串晶（NHSK）结构和板条形晶体（lath-shaped crystal）结构，片晶结构完整，形貌清晰。复合材料中，CNT的加入为PHB、PHBHHx结晶提供了大量的成核位点，使得其成核与结晶速率加快，晶核密度随着CNT含量的提高而增加。复合材料从熔体降温结晶时，结晶放热峰的峰值温度与纯PHB、PHBHHx相比向高温方向移动，且在本项目的添加量范围内随CNT含量增加而提高，证明了CNT 的诱导结晶作用。CNT的诱导效应和拉伸应力的作用使得高倍拉伸的纤维结晶更完善，力学性能更好。在PHB/SWNT 0.2、PHBHHx/SWNT 0.1和PHBHHx/SWNT 0.2纤维中得到了界面NHSK结构。CNT的加入使复合纤维的断裂强度都有所提高，断裂伸长率均有所下降。在PHB/SWNT 0.2和PHB/MWNT 0.1的高倍拉伸纤维中，出现了β晶体结构。而PHBHHx的复合纤维中只发现了α晶体结构，没有新晶型的出现。