高分子微纳米功能复合材料和功能器件的先进制造

现代能源、电子通讯、生物医用等高技术领域迫切需要具有光、电、磁、生物医用等多功能、复杂、微型、轻量化高分子功能器件,需要解决两大难题:一是高性能高分子微纳米功能复合材料及规模化制备,二是复杂、微型、轻量化功能器件的先进制造技术。文中介绍了近年来作者团队在高分子微纳米功能复合材料和功能器件先进制造方面的研究进展:通过有机无机/杂化、固相剪切碾磨层间剥离、聚合物粉体球形化、分子复合热塑加工等技术,规模化制备了兼具目标功能、加工性和力学性能的新型高分子微纳米功能复合材料,通过3D打印、微型加工、可控发泡等先进制造技术,制备了系列复杂、微型、轻量化高分子功能器件。

硅铝二元膜包覆稀土发光材料的结构及耐水性能的研究

采用溶胶-凝胶法制备硅铝二元膜包覆稀土发光材料．通过扫描电镜、X光电子能谱、比表面、多晶X射线衍射、荧光光谱和发光亮度的测试,研究了材料的结构、包覆层与原始发光材料的相互作用及材料发光性能;进一步通过pH值测定,考察了材料的耐水性．结果表明,包覆层以无定型态与原始发光材料以化学作用结合,而不是简单的物理包覆;在原始发光材料表面包覆一层均匀的硅铝二元膜,可有效提高材料的耐水性能,而对材料的发光性能影响不大．

生物相容性聚氨酯支架材料的研究

通过半预聚法制备了聚氨酯支架材料。研究了不同稳定剂和开孔剂含量对支架材料形貌结构的影响,通过SEM表征了支架材料的结构,观察了细胞在聚氨酯支架材料上的生长情况。结果表明开孔剂用量的增大使材料的泡孔变大,并促进孔与孔之间的连接和贯通。随着泡沫稳定剂含量增加,材料平均孔径逐渐下降,孔隙率增大,密度降低。SEM照片显示材料泡孔比较均匀,泡孔之间相互连接贯通。细胞相容性研究表明,细胞能在三维支架材料上生长,并分泌出细胞外基质,支架材料具有良好的细胞相容性。

窄分子量分布的乙酸乙烯酯聚合物的制备

以丙烯酸为调聚单体、偶氮二异丁腈为引发剂、甲醇为溶剂进行乙酸乙烯酯溶液聚合。通过聚合转化率和凝胶渗透色谱的测定,研究了聚合过程和所制备聚合物的分子量及其分布,以及丙烯酸对聚合物分子量分布的影响;进一步探讨了反应装置的安装及结构对聚合反应的影响。结果表明,适当引入丙烯酸,当丙烯酸/乙酸乙烯酯的摩尔比为3/100,并采用密封冷凝搅拌装置,反应5 h,既可确保较高聚合转化率,又可获得窄分子量分布的聚合产物。

锂盐/甘油/1-丁基-3-甲基咪唑氯盐改性玉米淀粉/聚丁二酸丁二醇酯共混材料的结构与性能

为制备具有良好性能的淀粉/聚丁二酸丁二醇酯(PBS)共混材料,采用锂盐、甘油和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)复合的方法构建了新型改性剂,通过熔融共混法制备了淀粉/PBS共混材料,考察了由不同锂盐制备的改性剂的作用效果,研究了改性剂对淀粉/PBS共混材料结构和性能的影响。结果表明,锂盐中的阴离子对锂盐/甘油/[BMIM]Cl改性淀粉/PBS结构与性能影响显著,在LiF,LiCl,LiBr和LiI中,LiF,LiBr和LiI的作用效果较差,采用LiCl构建的LiCl/甘油/[BMIM]Cl复合改性剂对淀粉/PBS具有良好的改性作用。LiCl/甘油/[BMIM]Cl复合改性剂能通过破坏氢键、降低淀粉/PBS结晶度改善淀粉与PBS的相容性,提高共混材料的韧性,表现出比甘油/[BMIM]Cl更好的作用效果。采用LiCl/甘油/[BMIM]Cl(质量分数为7.0%LiCl、37.2%甘油和55.8%[BMIM]Cl)在质量分数为21.5%的条件下制备的改性淀粉/PBS共混材料(淀粉与PBS的质量比为2:3)具有良好的力学性能,拉伸强度为13.69MPa、断裂伸长率可达165.40%。

聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯交替层状复合材料的制备和冲击性能提升

如何调控酯交换反应程度是改善聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PC/PBT)共混物冲击强度的关键。文中采用酯交换抑制剂焦磷酸二氢二钠(DPPH)和多层挤出加工技术制备了具有多层结构的PC/PBT-DPPH交替层状复合材料,对比分析了多层结构和酯交换抑制剂的加入对PC/PBT共混物力学性能的影响。结果表明,相较于传统PC/PBT-DPPH共混物,交替层状复合材料的缺口冲击强度从3.6kJ/m^(2)增加到19.3kJ/m^(2),同时拉伸强度保持在53.2MPa。与传统共混相比,多层挤出过程中,PC与PBT的酯交换反应主要发生在层界面处,DPPH的加入使层界面的酯交换反应得到很好的控制,层界面由“刚硬”转变为“柔软”,从而显著提高冲击性能。

PMMA/硅铝包覆铝酸锶复合发光材料的制备和发光性能

采用原位乳液聚合法制备了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/硅铝包覆(SrAl2O4:Eu,Dy)复合发光材料。通过傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和热失重(TGA)测定,研究了复合发光材料的结构,结果表明,复合发光材料中聚合物分子与硅铝包覆(SrAl2O4:Eu,Dy)之间是通过键合的方式结合;通过荧光光谱和发光亮度测试,研究了复合发光材料的发光特性和余辉性能,结果表明,在硅铝包覆(SrAl2O4:Eu,Dy)表面共价结合上PMMA后仍能保持SrAl2O4:Eu,Dy原有的发光性能。

聚甲基丙烯酸甲酯/稀土复合发光材料的结构及耐水性能

采用原位乳液聚合法,制备了聚甲基丙烯酸甲酯/稀土复合发光材料。通过傅立叶变换红外光谱(FT-IR)和热失重(TG)测定,研究了复合发光材料的结构、发光特性和耐水性能。结果表明,复合发光材料中聚合物分子与稀土分子之间通过键合的方式结合;复合发光材料与稀土发光材料的激发光谱和发射光谱波长范围相近,表现出相似的发光特性;复合发光材料的耐水性优于稀土发光材料。

紫外光阻隔型低分子量聚乳酸的合成及结构性质研究

以源于可再生资源的芦荟大黄素(AE)为引发剂,引发丙交酯(LA)开环聚合,合成了具有阻隔紫外光功能的低分子量聚乳酸.系统研究了所合成聚乳酸PLA-En的结构,光学和热学性质.AE分子结构中的醇羟基引发LA聚合形成由En基团(AE分子结构中醇羟基反应后的结构)封端的聚乳酸PLA-En,调控LA与AE之间的摩尔比n(20~200),可调控PLA-En数均分子质量M_(n)(0.29×10^(4)~2.93×10^(4)g/mol);En基团的引入可赋予PLA-En与AE相似的光吸收特征和荧光发射特征,且几乎不受分子量的影响,同时,产物聚乳酸的热稳定性得到提高,PLA-En的热分解温度(T_(d))比由十六醇(CA)引发合成的相近分子量聚乳酸PLA-Cn(Cn为CA结构中醇羟基反应后的结构)高15℃以上,但熔点差别不大.T_(d)的提高赋予PLA-En比PLA-Cn更宽的熔融加工温度窗口,前者超过100℃,后者不超过90℃.将质量比3 mass%的PLA-En(n=20,M_(n)=0.29×10^(4)g/mol)引入商品化聚乳酸PLA(M_(n)=6.28×10^(4)g/mol)中,可赋予PLA较稳定的紫外光阻隔性,但不影响PLA的透明性和力学性能.本文研究结果为后续发展紫外光阻隔的透明聚乳酸材料奠定了很好的基础.

DOPO接枝氢氧化镁阻燃聚丙烯研究

采用自制的DOPO接枝氢氧化镁(MH)复合型阻燃剂(D-MH)制备了无卤阻燃聚丙烯(PP)材料。采用微型量热(MCC)、极限氧指数(LOI)、热重分析(TGA)研究了D-MH与MH的协同作用及其对材料阻燃性能、热释放总量及速率、热降解历程的影响。结果表明,接枝率仅为3.6%的D-MH阻燃体系即可表现出显著的催化成炭作用,使树脂热降解速率大幅降低。D-MH阻燃PP材料的LOI可达31.8%,其最大热释放速率(PHRR)和总热释放速率(THR)分别为496 W/g和18.9 kJ/g,相比于相同添加量的未改性MH阻燃聚丙烯树脂下降了19 W/g和0.7 kJ/g,表现出阻燃协同效应;另外,D-MH的表面有机化也提高了其与树脂相容性,使阻燃PP材料力学性能有所改善,更具综合性能优势。

改性三聚氰胺氰尿酸盐阻燃玻纤增强PA6的研究

采用改性三聚氰胺氰尿酸盐阻燃玻纤增强尼龙6,考察了阻燃材料的阻燃性能、加工流变性能、力学性能及热变形温度,分析了该阻燃剂的作用机理。

ABS材料在若羌地区典型环境中的自然老化行为分析

通过凝胶渗透色谱、红外光谱、白度和力学性能分析,研究了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物(ABS)材料从2012年夏季始12个月内在中国新疆若羌地区典型暖温带大陆性荒漠干旱气候下的自然老化行为。结果表明,在户外曝露1个月后,ABS结构中产生羰基、羟基等含氧基团,相对分子质量降低,表面黄化,材料由韧性破坏转变为脆性破坏。随着曝露时间的延长,白度不断降低,羰基、羟基含量增加,分子链断裂加剧,拉伸强度、冲击强度逐渐减小。曝露12个月后,拉伸强度和冲击强度分别降低了43%和34%。

高度取向磷酸锆/环氧树脂纳米复合涂层的防腐蚀性能

针对金属防腐蚀的需求,采用简单的喷涂法在金属基底上制备了高度取向磷酸锆/环氧树脂纳米复合涂层。利用透射电镜和X射线衍射分析探究了复合涂层中磷酸锆纳米粒子的分散形貌,采用电化学交流阻抗谱和动电位极化曲线等测试评价了复合涂层的防腐蚀性能和其作用机理。结果表明,高度取向的磷酸锆纳米粒子可有效地增加水、氧气、电解液的扩散路径,改善涂层的防腐蚀性能。此外,该绝缘涂层也可进一步阻止腐蚀介质的迁移,增加涂层电阻,显著提高环氧树脂涂层对金属基底的长期防护性能。

聚丙烯/蒙脱土和聚丙烯/石墨烯交替多层材料的结构与气体阻隔性能

利用微层共挤出设备制备了蒙脱土填充聚丙烯和石墨烯填充聚丙烯的交替多层结构,构筑出连续的交替气体阻隔层,通过偏光显微镜、差示扫描量热仪、万能拉伸机以及压差法气体渗透仪测试研究了交替多层复合材料与普通共混材料的结构与性能的关系。结果表明,随着层数的增加,交替多层复合材料的氧气渗透系数在40℃时有了明显的下降,下降了19倍之多,气体阻隔性能显著提高,拉伸强度也有明显的提升,提高了12.3%。

聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮共混材料的热塑加工性能

通过热塑加工方法制备了聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮(PVA/PVP)共混材料,采用差示扫描量热分析、热重分析、傅里叶红外光谱、高压毛细管流变仪等研究了PVA与PVP间的氢键作用、共混材料的热行为和流变性能。结果表明,PVP可与PVA及改性剂形成氢键复合,增加体系氢键类型,能进一步屏蔽PVA羟基,延缓其脱除反应,提高其初始热分解温度,有利于PVA的热塑加工。随PVP含量增加,共混体系熔融温度先略升高,后降低,获得86.4℃热塑加工窗口;熔体表观黏度和剪切敏感性均先增大后减小,PVP质量分数为20%时达最大;而粘流活化能降低,表明共混体系对温度的敏感性降低,PVA加工稳定性提高。适量PVP可促进PVA的结晶,提高材料拉伸强度;PVP质量分数为10%时,材料拉伸强度最大,为43MPa。

连续碳纤维增强阴离子聚酰胺 6热塑性复合材料的制备与性能

采用树脂传递模塑工艺(RTM)制备了阴离子聚酰胺6树脂和连续碳纤维(CF)增强阴离子聚酰胺6(APA6)热塑性复合材料,研究了催化剂配比对APA6树脂转化率、结晶度和力学性能的影响。进一步探讨了纤维体积分数对连续CF/APA6复合材料力学性能的影响,并采用扫描电镜(SEM)观察了复合材料的拉伸断裂形貌。结果表明,APA6树脂转化率和结晶度随着催化剂比例增大而降低;当纤维体积分数为40%时,连续CF/APA6复合材料的拉伸强度和弹性模量最高分别达到493 MPa和60 GPa;SEM分析表明,继续增加纤维体积分数(>40%),APA6树脂基体在碳纤维中的浸润性变差,弱化的界面使增强体作用难以发挥。

多级拉伸挤出制备右旋聚乳酸/左旋聚乳酸复合材料的结构与性能

通过自主研发的多级拉伸挤出设备,将5%右旋聚乳酸(PDLA)/左旋聚乳酸(PLLA)立构复合共混样品及PLLA对比样进行挤出。通过差示扫描量热分析、二维广角X射线衍射、扫描电子显微镜、拉伸试验研究了多级拉伸挤出下立构晶(SC)对PLLA结晶性能、微观形貌及力学性能的影响。结果表明,立构晶能显著改善PLLA的结晶速度和结晶度,同时其在9个层倍增器下能进一步促进PLLA结晶。挤出样品的结晶度从6.8%提高到38%,并形成了取向的微晶网络结构。多级拉伸挤出制备的PDLA/PLLA复合材料相对于未加层倍增器挤出的PLLA材料,力学性能得到显著的提升,拉伸强度和断裂伸长率分别提高了15.8%和909.6%。

形状记忆聚氨酯/碳纳米管复合材料在形状记忆和热处理过程中导电性能变化

采用溶液混合结合密炼的方法制备了碳纳米(CNTs)/形状记忆聚氨酯导电复合材料。电镜照片显示,CNTs在聚氨酯基体中分散均匀。该材料具有良好的导电性能,添加3%的碳管,材料导电率可达4.6 s/m,逾渗阈值仅为0.99%。加入碳管没有损害材料的形状记忆性能,碳管质量分数为3%时,材料的形状固定率为~94%,恢复率为~87%。文中在线研究了该材料在形状记忆(拉伸-固位-恢复)和高温热处理过程中材料电阻的变化。通过改变拉伸次数、变形温度、拉伸速率和拉伸长度等条件,系统研究形状记忆过程中材料的电阻变化规律,发现复合材料的电阻随拉伸应变的增加而增大,但电阻并不随变形的恢复而降低,而是在回复过程中继续增加。最后,可以通过高温热处理,使材料的电阻恢复到接近拉伸前的值。在此基础上解释了形状记忆过程和热处理中CNTs导电网络可能产生的变化以及驱动力。

增韧水凝胶的研究进展

水凝胶由交联聚合物网络和大量水组成。与生物组织类似的结构,使得水凝胶广泛应用于人类生活和生物医药领域。但现今水凝胶的进一步应用仍然受限于其较差的力学性能。为此,文中综述了近些年科研工作者们在水凝胶增韧方面的研究进展,并从增韧机理出发,划分为杂交交联、互穿网络、高功能交联剂及其他新型体系,深入分析各种能量耗散机理。此外,还展望了水凝胶未来的增韧机理的发展方向及前景。

干法球磨原位剥离石墨对聚苯乙烯复合材料导热和力学性能的影响

相较于传统的湿法球磨,干法球磨剥离石墨(GT)制备石墨纳米片耗时更短,且无需任何溶剂,环保低能耗。文中选用与GT具有较强界面相互作用的聚苯乙烯(PS)和氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物接枝马来酸酐(SEBS-g-MAH)为固态分散介质,原位干法球磨剥离GT得到了石墨纳米片,通过密炼加工和微型注塑成型制备了PS复合材料。分析了填料在基体中的形态结构和分散状态对PS复合材料导热和力学性能的影响。实验结果表明,与未球磨GT相比,石墨纳米片与基体界面相互作用更强,分散更均匀且呈取向排列,PS复合材料的导热性能提高了27.5%、缺口冲击强度提高了14.9%。