纳米无机粒子对取向聚合物材料结构调控和性能影响的研究

为探索聚合物高性能化和功能化改性新途径，发挥纳米无机粒子对聚合物（主要是热塑性塑料）的增强和功能化作用，本项目提出通过加工取向诱导纳米粒子在聚合物中有序分散，形成逾渗作用网络，使纳米粒子对聚合物起显著增强和光学性能改善等作用。拟将纳米无机粒子表面接枝改性、复合材料功能设计与加工工艺相结合，利用成型过程中的固态拉伸和固态压延技术制备取向纳米复合材料。在适宜外场（温度场、应力场和速度场）作用下，促使纳米粒子有序分散并将不同长度的取向分子链"束扎"在一起，减少链端缺陷，提高无定形相的承载能力，并促进结晶聚合物中特殊取向结晶结构的完善，获得综合性能优异、兼具透明和高强的新型纳米复合材料。本项目将深入阐明取向作用下聚合物纳米复合材料的界面形成机制与纳米效应调控机理，对发展纳米复合材料成型加工技术和制备高性能、功能化复合材料具有重要意义，使该类材料有望在太阳能光伏、建筑节能和航空航天领域获得实际应用。

对现有聚合物材料进行改性实现其高性能化，一直是高分子材料与工程领域的热门研究课题，而近年来，随着能源和新材料领域应用需求的增加，如何实现聚合物复合材料的功能化，更是显得十分重要。为探索聚合物高性能化和功能化改性的新途径，发挥纳米无机粒子对聚合物材料（主要是热塑性塑料）的增强和功能化作用，本项目提出通过加工取向诱导纳米粒子在聚合物中有序分散，形成逾渗作用网络，使纳米粒子对聚合物起显著增强和光学性能改善等作用的新思路。主要的研究内容为将纳米无机粒子表面接枝改性、复合材料加工工艺与结构、功能设计相结合，研究纳米无机粒子对取向聚合物的结构调控和性能影响，特别是对采用成型过程中的固态拉伸和固态压延等技术制备的取向纳米复合材料进行研究。通过研究聚合物链与纳米粒子的作用行为，纳米无机粒子接枝改性及其复合颗粒的结构与界面控制以及取向聚合物纳米复合材料的加工-结构-性能关系，阐明了聚合物纳米复合材料的界面形成机制与纳米效应调控机理。研究结果表明，在适宜外场（温度场、应力场和速度场）作用下，可以促使纳米粒子有序分散并将不同长度的取向分子链"束扎"在一起，减少链端缺陷，提高无定形相的承载能力，并促进结晶聚合物中特殊取向结晶结构的完善，由此充分发挥纳米粒子的增强作用，获得高强度和综合性能优异的新型纳米复合材料，并通过分子动力学模拟研究，结合实验结果，提出纳米粒子“内部集结”增强聚合物的新理论。在此基础上，对在取向作用下纳米粒子诱导聚合物晶型转变及其三元体系中通过调控相分离结构调控纳米材料有序分布进行了研究。进一步针对不同的应用领域，在上述成果指导下，对聚合物纳米复合材料进行功能化改性研究，如开展将光转化纳米粒子及其负载催化剂纳米粒子加入定向拉伸EVA材料中制备光伏组件封装胶膜的研究，制备CNT/PVDF导电材料及其纳米粒子（纳米二氧化硅、石墨烯等）改性聚合物电解质材料的研究，使该类材料有望在太阳能光伏、能源和航空航天领域获得实际应用。该项目研究发展纳米复合材料成型加工技术、制备高性能和功能化复合材料以及拓宽聚合物纳米复合材料应用领域，具有重要的理论和实际意义。