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千人张亚刚团队高分子复合材料设计与应用研究取得系列进展

来源:新疆理化技术研究所 2018-07-20 11:27:42
  复合材料具有一系列不可替代的优异特性,新型纤维增强高分子复合材料因其质轻、高强、综合性能优异,在航空航天、国防、军工等领域有着广泛的应用。除此之外,纤维增强基高分子复合材料在汽车、船舶制造、医疗器械、运动器材等领域亦有广阔的应用前景。

  中国科学院新疆理化技术研究所精细化工工程技术研究中心研究员张亚刚带领的团队开展了一系列包括玻璃纤维增强高分子复合材料和超分子聚合物设计与构筑的基础理论与应用研究工作。

  材料的界面粘附性能是纤维增强复合材料技术的关键。为提高热塑性树脂聚丙烯(PP)与玻璃纤维(GF)之间的界面相容性和粘结强度,张亚刚团队提出了一种对GF三步浸渍的方法,将GF逐步用(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(γ–APS),1,6-己二异氰酸酯(HDI)及苄胺、十八胺或聚处理,从而在GF表面接枝上长的分子链。研究结果表明这种改性方法能有效提高复合材料的拉伸强度。通过界面调控和官能化反应不但可以增强纤维和高分子材料的界面相容性和黏附能力,而且可以大大拓宽可使用的基体材料的范围。相关研究成果发表在国际刊物《英国皇家化学会进展》(RSC Advances)上。

  同时,受生物骨组织替换材料纤维增强和相变增韧的启发,张亚刚研究团队创造性地将纤维增强和成核剂调控聚丙烯结晶行为相结合,研发了合成新型聚丙烯复合材料的新方法。该方法是由聚丙烯、增容剂、玻璃纤维、成核剂、抗氧剂采用两步法工艺而成,首先用成核剂诱导聚丙烯成核,然后再用玻璃纤维与之复合进行进一步增强的方法,解决了传统方法中直接将聚丙烯与成核剂及纤维进行混合,由于玻璃纤维作为一种外来杂质的引入,使得成核剂不能有效发挥其调控聚丙烯结晶行为的作用的问题。并系统地研究了不同α成核剂与玻璃纤维组成的复合体系制备聚丙烯复合材料的效果,同时考察了成核剂浓度对聚丙烯复合材料力学性能的影响;发现了一系列可同时使得PP达到刚韧平衡的α成核剂/玻璃纤维组合体系和最佳配方。相关研究成果发表在国际刊物 《应用高分子科学杂志》(Journal of Applied Polymer Science)上。

  此外,科研人员还考察了将玻纤增强和β成核剂调控结晶行为相结合制备聚丙烯复合材料中,玻纤和β成核剂对改性PP的结晶行为和力学性能的影响,揭示了增强纤维与基体树脂界面粘附性能的机理,发现了玻璃纤维增强可弥补β成核剂改性对PP刚性带来的损失,大大改善其综合力学性能。相关研究成果发表在国际刊物《英国皇家化学会进展》(RSC Advances)上。

  相关研究成果“一种聚丙烯复合材料的制备方法”已申请国家发明专利,该方法将α和β两个系列成核剂调控结晶行为分别与玻璃纤维增相结合制备高性能聚丙烯复合材料,设计制备出了刚性和韧性平衡的聚丙烯复合材料,为设计新型聚丙烯复合材料提供一种新的思路和方法。

  在随后的工作中,张亚刚团队提出了应用超分子多重氢键进行新型功能和结构高分子材料中的设计的思路,这种新的材料设计方法可用来设计诸如材料界面的纳米黏附,拓展可纤维增强的高分子机体材料的范围。同时,利用通过识别过程动态可逆的特性,通过合理设计,基于新型多重氢键单元超分子作用的聚合物设计在诸如刺激-响应、吸声、减震等功能材料领域有很好的应用前景。相关研究成果发表在国际刊物《当代有机化学》(Current Organic Chemistry)上。

  四重氢键单元在材料表界面的识别行为和规律不清楚,缺少量化分析,是超分子聚合物研究中的核心基础科学问题。通过化学键接,用四重氢键的构筑单元改性材料表面后,在本体材料中,四重氢键构筑单元的表界面行为还不清楚,比如:从分子角度上, 打开一对四重氢键需要的能量是多少?对于小分子四重氢键的构筑单元, 在溶液中以分子状态存在时,具有很大的自由度,所以配对形成四重氢键的效率很高,但当四重氢键构筑单元被整合嵌入到材料表面或者材料内部后,四重氢键构筑单元的自由度大大降低,在材料中配对形成四重氢键的效率怎样?如果利用超分子四重氢键作为增强表界面黏附性能的纳米黏附剂,相比表界面中存在的其他非专一作用力,四重氢键究竟在总的各种力所产生的黏附功中,贡献了多少?占多大比率?

  为回答上述关键科学问题,张亚刚团队采用分子识别的原理,合成了基于UPy, DeUG 和 DAN 四重氢键单元,建立了对材料表面进行官能化改性的方法。通过比较三组体系:自互补 vs 异互补识别,常规表面自组装单层 vs 混合表面自组装单层, 三烷氧基 vs 单烷氧基硅烷体系,以含互补四重氢键的改性高聚物作为媒介层,通过剪切拉伸力学实验,并将溶液相的关键识别参数与剪切拉伸测试的力学数据相结合,提出了一套新的理论计算方法,通过该方法,获得了四重氢键识别单元在材料内部的关键量化参数: 测得单个四重氢键的瞬间同步拉断力对UPy-UPy 和DAN-DeUG分别为160 pN 和 193 pN;四重氢键识别单元在材料表面形成互补配对结构的效率可达40%;四重氢键在材料界面总黏附功中贡献百分比可达72%。该方法对基于四重氢键的超分子材料设计提供了重要理论基础。相关研究成果于近日发表在国际刊物《英国皇家化学会进展》(RSC Advances)上。

  上述相关研究工作应邀在2016 EMN Meeting 聚合物纳米材料和纳米技术国际会议(香港),2017 第四届全国复合材料科技大会青岛学术会议上做了邀请报告和分会报告。该研究工作得到国家自然科学基金、国家“千人计划”等的支持。

通过剪切拉伸力学实验,研究四重氢键构筑单元在材料表面的力学行为示意图


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