聚合物/低Tg磷酸盐玻璃复合材料在微纳层挤出多级拉伸过程中原位成纤成片行为及其对力学和阻隔性能的影响

In this research proposal, phosphate glass with low glass transition temperature (Pglass) will be chosen as dispersing phase in polymer composites due to its liquid state at processing temperature of most polymers. Polymer/Pglass composites with in situ fibrillation and sheeting will be prepared through micro- and nano-layered extrusion while mopholgy and size of dispersing phase can be controlled by multiple extension during the extrusion and interfacial interaction between polymers and Pglass. It should be one novel idea and method to prepare polymer composites with tunable morphology. Main research content is as follows: optimization of laminating-multiplying elements, effects of formula and surface modification on strucutre and properties of Pglass, effects of polar polymers with diverse crystallization and their interfacial interaction with Plgass on the size of dispersing phase, effects of multiple extension during the extrusion and interfacial interaction on morphology development of non-polar or poor-polar polymers/Plgass composites and their relationship with mechanical and barrier properties. The completion of the research will realize the preparation of polymer composites with high performance and play a very important role in both academic and industrial fields.

本项目以低玻璃化转变温度磷酸盐玻璃（Pglass）为分散相，利用其在聚合物加工温度范围内呈软物质的特性，并通过材料界面相互作用和微纳层挤出多级拉伸过程调控分散相形态和尺度，熔融挤出制备原位成纤化和成片化的聚合物/Pglass复合材料，为聚合物复合材料的制备和形态调控提供一种新方法、新技术。研究内容主要包括：分层叠加单元的优化；组分配比和表面改性对Pglass结构与性能的影响；不同结晶能力的极性聚合物及其与Pglass的界面化学反应和物理作用对分散相尺度的影响；微纳层挤出多级拉伸过程极性、弱极性或非极性聚合物与Pglass复合材料微观形态结构（包括分散相的空间结构、尺度和取向等）的演变规律和稳定性及其对力学和阻隔等宏观性能的影响。为实现聚合物复合材料高性能化提供理论指导，具有重要的理论价值和实际意义。

通过挤出加工过程中剪切拉伸复合力场原位调控聚合物共混体系分散相的形态和尺寸是一种实现聚合物高性能和功能化简便易行、效果显著的方法。多级拉伸挤出装置是由本课题组自主研发搭建，聚合物熔体流经分层叠加单元组合时将同时受到沿挤出方向的剪切拉伸作用和垂直于挤出方向的扩展拉伸作用，即多级拉伸力场，可通过调节多级拉伸挤出装置中分层叠加单元的数量和种类调控聚合物熔体所受的多级拉伸力场以及调节牵引装置的牵引速率与挤出速率之比和牵引辊间距调控聚合物熔体所受的后拉伸压延力场。本项目研究利用多级拉伸装置的多级拉伸力场和后拉伸压延力场实现了聚烯烃弹性体（POE）、工程塑料（聚碳酸酯PC或聚酯PET）、极性聚合物（PET或聚酰胺PA6）与磷酸盐玻璃（Pglass）复合材料（PET/Pglass或PA6/Pglass）在通用高分子材料（聚丙烯PP或聚乙烯PE）基体中分散形态的原位微纤化和原位微片化，分别提高了通用高分子材料的强度、刚性、韧性和阻隔等性能。研究发现，POE、PC、PET、PET/Pglass在多级拉伸力场的作用下可实现形态的原位微纤化，成纤效果随多级拉伸力场的增加而增强。POE微纤化后使PP的强度最大提高了3倍（从25.5MPa提高到68.9MPa），冲击强度略有降低；PC和PET微纤化对复合材料性能有类似影响，强度提高同时韧性略有降低；而PET/Pglass复合材料具有低粘高模的特性，其微纤化可同时提高PP基复合材料的强度和韧性，实现通用高分子材料的同步增强增韧。POE、PA6/Pglass在多级拉伸力场和后拉伸压延力场的作用下形态的微片化效果明显不同。POE的微片化强烈依赖于其在基体中的分布位置，只有位于表层的POE才能实现在PP中的原位微片化；而PA6/Pglass复合材料具有低粘度和高熔体强度的特性，在PE中原位微片化更均匀，可将PE的气体阻隔性提高2倍，且同时提高PE基复合材料在片材平面上两个方向的刚性。利用极性聚合物/磷酸盐玻璃复合材料的原位成纤成片在改善聚合物结构与性能上表现出了特有优势，对实现通用高分子材料的高性能化和功能化具有重要意义。