片状Janus粒子在聚合物共混体系中的界面行为与增容作用研究

Janus particles with biphasic polymer brushes are promising as the next generation of compatibilizers in polymer blends due to their combined intrinsic properties, amphiphilicity of two compartment brushes and “pickering effect” of the particulate character. Based on the fact that the sheet-shaped Janus particles (Janus nanosheets) can lead to more stable emulsions than spherical particles, this project aims at the utilization of Janus nanosheets with high interfacial activity to compatibilize immiscible polymer blends, in particular addressing some fundamental issues in interfacial behaviors of Janus nanosheets, like interfacial jamming, phase morphology and mechanical properties of polymer blends. The Janus nanosheets with high interfacial activity are synthesized by sequential surface modification on SiO2 Janus nanosheets that can be large-scale produced, and then attaching biphasic polymer brushes onto their compartment surface of Janus nanosheets. We propose to optimize the synthesis conditions to adjust the molecular weight and grafting density of polymer brushes, to control the interfacial jamming, to improve the compatibilization efficiency and mechanical properties of polymer blends. Successful completion of this project would lead to a well understanding of some scientific issues in interfacial jamming of Janus nanosheets, and advance the applications of Janus nanosheets in polymer blends.

Janus粒子在聚合物共混体系中表现出优异的增容性，有望成为下一代理想的增容剂。基于片状Janus粒子比球形Janus粒子具有更强的稳定乳液能力，本项目致力于研究片状Janus粒子界面行为的相关科学问题，包括片状Janus粒子在共混聚合物相界面聚集的控制因素、片状Janus粒子对相结构的调控机理，及其对聚合物材料力学性能的贡献等，以发展高界面活性的片状Janus粒子，用于共混聚合物的增容。本项目拟以可量产制备的片状SiO2Janus粒子为模板，通过严格分区表面改性，获得双亲性的片状Janus粒子；调节片状Janus粒子表面聚合物刷的分子量、接枝密度等参数，控制其与聚合物相间的界面张力；深入分析片状Janus粒子的界面行为对共混聚合物相形态、界面结构、界面层性质以及力学性能的影响机制，为其在聚合物材料中的推广应用提供理论指导及实验依据。

本项目主要以片状Janus粒子为模板，通过表面选择性改性，在粒子的两侧分别引入不同的聚合物刷，制备了具有不同表面性质，且严格分区的两亲性Janus粒子。深入研究了Janus粒子的表面性质对共混聚合物相形态的影响，分析了Janus粒子在共混聚合物中的相界面行为，以及Janus粒子填充聚合物共混体系引起的力学性能变化。研究发现，聚合物刷的引入提高了Janus粒子与共混聚合物基质的亲和性，提高了不相容体系基质间的焓值作用，降低了体系的自由能；两亲性Janus粒子可稳定地聚集在共混体系的相界面，并抑制共混聚合物的相分离，降低分散相相区尺寸，当Janus粒子表面聚合物刷分子量高于共混聚合物中相应聚合物的分子量时，增容效果更理想；相比于前期研究的雪人状Janus粒子，各向异性的片状Janus粒子具有更好的增容效果，即便在2 wt%浓度的情况下，Janus粒子增容效果也非常显著；两亲性Janus粒子加入共混聚合物中后，由于固体粒子自身的增强作用，Janus粒子对共混聚合物相区的调节作用，以及表面聚合物刷与共混聚合物基质在界面的相互作用，可显著提高共混聚合物材料的力学性能，同时实现共混聚合物材料的增强和增韧。两亲性片状Janus 粒子良好的界面活性，及其表面聚合物刷与基质间的相互作用，有望作为高效界面活性剂，推广其在高性能聚合物中的应用。项目执行期间发表标注基金资助的研究论文12篇，其中，第一标注基金资助的研究论文7篇，SCI论文5篇，国内核心2篇;申请中国发明专利2项；参加学术会议11人次，做邀请报告3次，分会口头报告2次；培养硕士生13人，毕业6人。