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新疆理化所張亞剛團(tuán)隊(duì)在高分子復(fù)合材料設(shè)計與應(yīng)用研究取得系列進(jìn)展

2018-07-20 11:09:06 作者：本網(wǎng)整理來源：新疆理化所分享至：

復(fù)合材料具有一系列不可替代的優(yōu)異特性，新型纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料因其質(zhì)輕、高強(qiáng)、綜合性能優(yōu)異，在航空航天、國防、軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。除此之外，纖維增強(qiáng)基高分子復(fù)合材料在汽車、船舶制造、醫(yī)療器械、運(yùn)動器材等領(lǐng)域亦有廣闊的應(yīng)用前景。

通過剪切拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究四重氫鍵構(gòu)筑單元在材料表面的力學(xué)行為示意圖

中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所精細(xì)化工工程技術(shù)研究中心研究員張亞剛帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開展了一系列包括玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料和超分子聚合物設(shè)計與構(gòu)筑的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究工作。

材料的界面粘附性能是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)的關(guān)鍵。為提高熱塑性樹脂聚丙烯（PP）與玻璃纖維（GF）之間的界面相容性和粘結(jié)強(qiáng)度，張亞剛團(tuán)隊(duì)提出了一種對GF三步浸漬的方法，將GF逐步用（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（γ–APS），1，6-己二異氰酸酯（HDI）及芐胺、十八胺或聚處理，從而在GF表面接枝上長的分子鏈。研究結(jié)果表明這種改性方法能有效提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。通過界面調(diào)控和官能化反應(yīng)不但可以增強(qiáng)纖維和高分子材料的界面相容性和黏附能力，而且可以大大拓寬可使用的基體材料的范圍。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際刊物《英國皇家化學(xué)會進(jìn)展》（RSC Advances）上。

論文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ra/c5ra05491e#!divAbstract同時，受生物骨組織替換材料纖維增強(qiáng)和相變增韌的啟發(fā)，張亞剛研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將纖維增強(qiáng)和成核劑調(diào)控聚丙烯結(jié)晶行為相結(jié)合，研發(fā)了合成新型聚丙烯復(fù)合材料的新方法。該方法是由聚丙烯、增容劑、玻璃纖維、成核劑、抗氧劑采用兩步法工藝而成，首先用成核劑誘導(dǎo)聚丙烯成核，然后再用玻璃纖維與之復(fù)合進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)的方法，解決了傳統(tǒng)方法中直接將聚丙烯與成核劑及纖維進(jìn)行混合，由于玻璃纖維作為一種外來雜質(zhì)的引入，使得成核劑不能有效發(fā)揮其調(diào)控聚丙烯結(jié)晶行為的作用的問題。并系統(tǒng)地研究了不同α成核劑與玻璃纖維組成的復(fù)合體系制備聚丙烯復(fù)合材料的效果，同時考察了成核劑濃度對聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響；發(fā)現(xiàn)了一系列可同時使得PP達(dá)到剛韌平衡的α成核劑/玻璃纖維組合體系和最佳配方。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際刊物《應(yīng)用高分子科學(xué)雜志》（Journal of Applied Polymer Science）上。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/app.45768

此外，科研人員還考察了將玻纖增強(qiáng)和β成核劑調(diào)控結(jié)晶行為相結(jié)合制備聚丙烯復(fù)合材料中，玻纖和β成核劑對改性PP的結(jié)晶行為和力學(xué)性能的影響，揭示了增強(qiáng)纖維與基體樹脂界面粘附性能的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)可彌補(bǔ)β成核劑改性對PP剛性帶來的損失，大大改善其綜合力學(xué)性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際刊物《英國皇家化學(xué)會進(jìn)展》（RSC Advances）上。

論文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/RA/C7RA08322J#!divAbstract

相關(guān)研究成果“一種聚丙烯復(fù)合材料的制備方法”已申請國家發(fā)明專利，該方法將α和β兩個系列成核劑調(diào)控結(jié)晶行為分別與玻璃纖維增相結(jié)合制備高性能聚丙烯復(fù)合材料，設(shè)計制備出了剛性和韌性平衡的聚丙烯復(fù)合材料，為設(shè)計新型聚丙烯復(fù)合材料提供一種新的思路和方法。

在隨后的工作中，張亞剛團(tuán)隊(duì)提出了應(yīng)用超分子多重氫鍵進(jìn)行新型功能和結(jié)構(gòu)高分子材料中的設(shè)計的思路，這種新的材料設(shè)計方法可用來設(shè)計諸如材料界面的納米黏附，拓展可纖維增強(qiáng)的高分子機(jī)體材料的范圍。同時，利用通過識別過程動態(tài)可逆的特性，通過合理設(shè)計，基于新型多重氫鍵單元超分子作用的聚合物設(shè)計在諸如刺激-響應(yīng)、吸聲、減震等功能材料領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際刊物《當(dāng)代有機(jī)化學(xué)》（Current Organic Chemistry）上。

論文鏈接：

http://www.currentorganicchemistry.com/articles/132128/modification-of-glass-fiber-surface-and-glass-fiber-reinforced-polymer-composites-challenges-and-opportunities-from-organic-chemistry-perspective

四重氫鍵單元在材料表界面的識別行為和規(guī)律不清楚，缺少量化分析，是超分子聚合物研究中的核心基礎(chǔ)科學(xué)問題。通過化學(xué)鍵接，用四重氫鍵的構(gòu)筑單元改性材料表面后，在本體材料中，四重氫鍵構(gòu)筑單元的表界面行為還不清楚，比如：從分子角度上，打開一對四重氫鍵需要的能量是多少？對于小分子四重氫鍵的構(gòu)筑單元，在溶液中以分子狀態(tài)存在時，具有很大的自由度，所以配對形成四重氫鍵的效率很高，但當(dāng)四重氫鍵構(gòu)筑單元被整合嵌入到材料表面或者材料內(nèi)部后，四重氫鍵構(gòu)筑單元的自由度大大降低，在材料中配對形成四重氫鍵的效率怎樣？如果利用超分子四重氫鍵作為增強(qiáng)表界面黏附性能的納米黏附劑，相比表界面中存在的其他非專一作用力，四重氫鍵究竟在總的各種力所產(chǎn)生的黏附功中，貢獻(xiàn)了多少？占多大比率？

為回答上述關(guān)鍵科學(xué)問題，張亞剛團(tuán)隊(duì)采用分子識別的原理，合成了基于UPy, DeUG 和 DAN 四重氫鍵單元，建立了對材料表面進(jìn)行官能化改性的方法。通過比較三組體系：自互補(bǔ) vs 異互補(bǔ)識別，常規(guī)表面自組裝單層 vs 混合表面自組裝單層，三烷氧基 vs 單烷氧基硅烷體系，以含互補(bǔ)四重氫鍵的改性高聚物作為媒介層，通過剪切拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并將溶液相的關(guān)鍵識別參數(shù)與剪切拉伸測試的力學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了一套新的理論計算方法，通過該方法，獲得了四重氫鍵識別單元在材料內(nèi)部的關(guān)鍵量化參數(shù)：測得單個四重氫鍵的瞬間同步拉斷力對UPy-UPy 和DAN-DeUG分別為160 pN 和 193 pN；四重氫鍵識別單元在材料表面形成互補(bǔ)配對結(jié)構(gòu)的效率可達(dá)40%；四重氫鍵在材料界面總黏附功中貢獻(xiàn)百分比可達(dá)72%。該方法對基于四重氫鍵的超分子材料設(shè)計提供了重要理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在國際刊物《英國皇家化學(xué)會進(jìn)展》（RSC Advances）上。

論文鏈接：

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/RA/2018/C8RA03739F#!divAbstract

上述相關(guān)研究工作應(yīng)邀在2016 EMN Meeting 聚合物納米材料和納米技術(shù)國際會議（香港），2017 第四屆全國復(fù)合材料科技大會青島學(xué)術(shù)會議上做了邀請報告和分會報告。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家“千人計劃”等的支持。

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責(zé)任編輯：韓鑫