离子液体接枝聚偏氟乙烯的结构调控及功能性研究

Immobilizing ionic liquids (IL) onto polymers attracts significant attention. Our previous investigation indicated that the electron-beam irradiation is an effective strategy to graft ionic liquids onto the PVDF molecular chains in the amorphous region at room temperature. The subsequent melting of the grafted samples induces the microphase separation and novel nanostructured PVDF composites with fine PVDF-g-IL nanodomains homogeneously dispersed in the PVDF matrix were achieved. In this project, we will investigate the effects of various experimental conditions (such as irradiation dose, irradiation temperature, IL loading, etc) and the micro-phase separation conditions on the molecular structure and phase structure of the IL grafted PVDF. It is expected that the hierarchical structures of the PVDF-g-IL can be controlled by such investigations. At the same time, we will focus on the properties of the samples at each preparation stages and the samples with various microstructures to fully understand the structure-properties relationships. Emphasis will be placed on the mechanical, electrical, especially dielectric properties of the materials. We will also try to explore other functionalities of the novel materials. On the other hand, we will try to expand the strategy to fabricate the PVDF/IL/nanofillers ternary composites. We consider that the project might pave new route to the new materials with high dielectric constant and low dielectric loss, which will be of both the academic and industrial significance.

离子液体在高分子上的固定是一个重要的研究课题。我们前期的研究发现：利用电子辐射的手段在室温下可将含双键的离子液体接枝到聚偏氟乙烯（PVDF）无定形区的分子链上；当再次高温熔融辐射接枝后的样品时，样品发生微相分离形成独特的纳米结构。本项目在此基础上，拟系统研究辐射剂量、辐射接枝温度、离子液体添加量以及微相分离条件对离子液体接枝PVDF分子链结构及微相分离结构的影响，实现对接枝高分子一次结构和高次聚集态结构的调控。同时，探索含无机纳米填料的三元体系的辐射接枝及微相分离行为。研究样品制备各个阶段及具有不同结构材料的力学、电学（特别是介电）、热学及其他性能，理解离子液体接枝PVDF的结构与性能的关系。本项目不仅首次利用简单辐射发实现离子液体在高分子链上的固定，调控离子液体接枝高分子的多阶层结构，而且研究该材料的功能性，为制备高介电常数、低损耗材料提供一个新思路，具有重要的学术意义和工业价值。

功能性小分子对高分子的精密接枝具有重要的学术价值和工业应用意义。本项目利用半结晶高分子（聚偏氟乙烯、尼龙、聚丙烯等）的两相结构模型，将熔体相容的高分子与功能小分子的共混物经过熔体结晶，将小分子富集于无定形区，再进行固体辐射接枝，实现小分子在无定形区的“就地”原位接枝，从而实现小分子在高分子链上的可控接枝。这一接枝新模式具有以下特点：1）接枝方式克服了传统熔体接枝导致分子量下降的缺点，所得接枝高分子分子量高，接枝密度可调可控；2）制备的高分子具有嵌段接枝高分子的结构，嵌段接枝高分子可以自组装；3）这一方法实际上是利用高分子物理的原理，通过高分子加工的方法合成功能性高分子，实现了高分子学科内部学科领域的交叉融合。利用这一方法，本项目成功实现了多种小分子在本结晶高分子链上的接枝，并系统研究了接枝高分子的分子链结构、聚集态结构和材料功能。项目不但实现了高分子链的改性，而且为研究半结晶高分子的结构模型提供了新途径和新方法。项目共发表相关SCI论文31篇，其中多篇发表在Macromolecules和Polymer等权威高分子学术期刊上。应邀在RSC学术专著上撰写相关研究结果1章。项目执行期间获得国际高分子加工学会Morand Lambla奖，2018年和2020年两次获得冯新德高分子奖提名奖。申请相关发明专利6项，授权3项。项目培养博士生2名，硕士生5人。