高分子基体中一维/二维无机纳米粒子可控取向问题的研究

高分子基体中无机纳米粒子的微观形态直接影响到有机无机复合材料的导电性、气体阻隔性和力学性等多方面的功能特性，因而成为近年来高分子物理和材料科学领域的研究热点。但是，采用现有的方法和手段研究探索制备功能复合材料的方法时，由于填充其中的碳纳米管、蒙脱土等一维/二维无机纳米粒子取向分布的随机性，使得所制备出的有机无机复合材料还远没有达到所期望的性能指标。因此，引出了高分子基体中一维/二维无机纳米粒子可控取向的问题。申请人在前期研究并发明微积分纳米层叠器的基础上，提出采用纳米微层拖曳流场控制一维/二维无机纳米粒子沿流动平面取向的方法，研究微流层厚度、拖曳流速度梯度、基体高分子物理与化学性质等对以碳纳米管和蒙脱土为例的一维和二维无机纳米粒子取向度的影响，并进一步研究解决其可控取向的问题。这一问题的解决，可以为开发低成本、高性能的导电高分子复合材料和气体阻隔复合材料奠定理论基础。

高分子基体中无机纳米粒子的微观形态直接影响到有机无机复合材料的导电性、气体阻隔性和力学性等多方面的功能特性。本项目利用国际授权发明专利“一种纳米叠层复合材料制备装置”将纳米微层拖曳流场引入复合材料的制备过程，研究了纳米微层拖曳流场对基体材料和一维二维纳米粒子复合材料的微观形态和宏观性能的影响规律与作用机制，并最终得到纳米微层拖曳流场中高分子链与一维和二维纳米粒子的可控取向方法。主要创新研究结论如下：.(1) 纳米微层拖曳流场可以明显改善CNT的分散性和取向性，使复合材料的导电性能呈现各向异性，729层复合材料沿挤出方向的逾渗阈值可降低至3 wt%；复合材料拉伸过程中出现双屈服现象，力学性能得到显著提升；.(2)可通过调控微层拖曳流层数、螺杆转速和聚合物基体物化性能实现对CNT的可控取向：CNT的取向度随微层拖曳流层数增加、螺杆转速提高而增高；带有侧基的聚合物基体比无侧基碳链聚合物对CNT的取向作用强；相同化学结构下，高粘度的聚合物基体中CNT的取向作用强；.(3)橡胶基体与功能材料形成的微层结构可以重构气体的渗透路径，显著提高复合材料的气密性；纳米拖曳流场可有效地促进高分子链插层进入MMT片层之间，明显改善MMT的分散和取向程度，使复合材料综合力学性能得到显著提升；.(4)基体材料种类和微层厚度对MMT的剥离性能的影响较大，螺杆转速对扩大MMT层间距的影响作用不大，但是对于MMT的取向作用明显，分子量越大、分子链结构越简单越有利于熔体插层进入MMT层间距，微流层厚度越小越有利于MMT的分散取向，MMT以剥离形态分散的越多，729层复合材料的MMT层间距可达到10nm以上，得到剥离型纳米复合材料；.(5)纳米微层拖曳流场可以有效地改变聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等材料的分子构象，使分子链排布更加规整与紧密，从而使材料的力学性能和阻隔性能得到提高；可以使聚合物基体中的小分子助剂分散更加均匀，特别是可显著降低聚氯乙烯材料中的增塑剂迁移率。.在本项目的支持下，研究成果已在苏州同大机械有限公司和江苏金材科技有限公司实现成果转化。在本项目发表各类学术论文26篇，其中SCI/EI收录6篇；累计申请国际PCT专利1项，已获美国发明专利授权；申请国家发明专利19项，获授权发明专利12项；晋升高级职称1名，培养博士研究生2名，硕士研究生8名。