基于Janus颗粒和多层夹心结构方法研究界面流变在颗粒增容共混聚合物的形貌调控作用

To understand the compatibilization mechanism of particles in polymer blends especially the role of interfacial rheology and to address the challenge of interfacial rheology study, this project aims to develop a new measurement method of interfacial rheology with a model particle before investigating the role of the interfacial rheology in manipulating the morphology of nanocomposites. Firstly, poly(methyl methacrylate-co-2-vinylpyridine) microgel based Janus nanoparticle is to be synthesized to combine the characteristic of controllable rheological property of microgel and the amphiphilicity of Janus particles to be a good model for interfacial rheology study. Secondly, a universal measurement method of interfacial rheology with constitutive models is to be developed based on a sandwich structure with well-controlled planar interfaces to simulate quantitatively the complex interfacial structure in polymer blending. Finally, evolutions of island-type and co-continuous morphology in poly(methyl methacrylate)/polystyrene blend are to be controlled by solely adjusting the interfacial rheology with a clear rheology-morphology-property relationship to be established. The implementation of this project will provide new methods for investigating interfacial rheology in multicomponent polymer melts and new scientific foundations for development of high-performance composites.

针对颗粒增容聚合物共混体系中增容机理特别是界面流变行为所起作用机制尚不清晰以及界面流变研究难度大等问题，本项目拟从颗粒结构设计、界面流变测试方法建立等角度出发系统研究颗粒在多相聚合物熔体界面的流变行为，并以此调控纳米复合材料的微观形貌。首先，结合微凝胶（microgel）流变行为可控和雅努斯（Janus）颗粒具有双亲性的优点设计结构性能可控的甲基丙烯酸甲酯-2-乙烯基吡啶共聚物微凝胶基Janus纳米颗粒作为界面流变研究的模型颗粒；其次，利用多层夹心结构的平面界面体系量化模拟共混加工过程的复杂界面结构建立具有普适性的界面流变测试方法和本构模型；最后，通过操纵Janus模型颗粒的界面流变行为调控聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯乙烯合金材料的海岛型与共连续型形貌结构的演变过程并建立流变-形貌-性能关系。本项目为多组分聚合物熔体界面流变学研究提供新的方法并为高性能复合材料的制备提供新的理论指导。

本项目针对颗粒增容聚合物共混体系中增容机理特别是界面流变行为所起作用机制尚不清晰以及界面流变研究难度大等问题，首先设计合成一系列不同结构和性能的微凝胶和Janus颗粒，作为界面流变研究的模型颗粒。其次，基于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/聚苯乙烯（PS）和哑铃型PMMA-PS Janus颗粒构建一种多层夹心结构的不相容聚合物熔体界面流变测试方法，有效剔除共混体系中存在的形貌演变和Marangoni应力影响，能够有效检测出颗粒在聚合物熔体界面的本征流变行为。最后，通过分析界面流变行为阐明Janus模型颗粒对海岛型与共连续型结构的PMMA/PS合金材料的高效增容和形貌调控机理并建立流变-形貌-性能关系；同时，系统研究微凝胶颗粒在气-液界面的流变行为及其对微凝胶稳定Pickering泡沫的形貌、性能及应用的调控作用。本项目不仅为多组分聚合物熔体界面流变学研究提供新的方法并且为高性能复合材料的制备提供新的理论指导。 .项目研究成果凝练为第一/通讯作者SCI论文12篇（第一标注7篇），中国-比利时国际合作与交流项目1项（22111530080），项目负责人章华桂在国内外学术会议做口头报告、邀请报告和主旨报告各1次，并获第15届全国流变学学术会议青年优秀论文奖。在本项目资助下，培养硕士研究生4人。