微纳多层功能复合材料的制备新技术

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1、乇明，等．微纳多层功能复合材料的制备新技术19微纳多层功能复合材料的制备新技术王明郭少云(四川大学高分子材料研究所，高分子材料与工程国家重点实验室，成都610065)摘要微纳多层共挤出技术是通过简单地对高分子熔体进行分割一变流一合并过程来增加层数。通过微纳多层共挤出技术制得的微纳交替多层复合材料在结构上不同于传统加工方法得到的复合材料，其在力学性能、阻隔性能、导电性能、光学性能具有独特的优点。微纳多层共挤出技术还可用于开发新型的中间相材料。此外，这种交替多层结构形态为界面张力、粘接、结晶、扩散等理论研究提供了一个很好的模型。’关键词微纳多层共挤出力学阻隔导电光学

2、扩散复合材料高分子功能材料是近年来国内外研究的热门课题。开发高分子功能材料的思路很明确，就是要抓住材料结构与性能之间的直接联系。开发途径一般有两种：一种是通过化学途径使高分子材料分子链带上某种特有功能的基团或链段；一种是通过物理途径使高分子材料具有一种或多种功能。高分子材料复合加工是一种很好的开发功能材料的物理途径。两种不同的高分子材料在不同的加工条件下会得到不同的相结构(如图l所示)，而相结构与复合材料的性能有直接的关系。具有交替多层结构的复合材料具有独特的力学性能、光学性能、阻隔性能、导电性能等，为了制备这类结构的材料，便产生了微纳多层共挤出新技术【1。5J

3、。厂一p：尊非均匀分布聚合物A常规尹合{，，．雕；i均匀分布聚合物A

4、：：：：叫叫刀111i一一1一黟溺．一L镧连续分布飘f篇料{r售。微徽出，聚矗物B{——(微纳多层共挤出)特殊混合工艺L⋯；．一～相结构图I不同加工条件得到的不同相结构l微纳多层共挤出技术简介图2示出本实验室自主开发的微纳多层共挤出系统，主要有两台挤出机、连接器、分层单元、水冷却装置、牵引装置等部分组成。两种不同的高分子熔体分别从两台挤出机挤出，经过不同的流道在连接器出口处合并成一股两层的熔体，然后进入分层单元，分层单元可以成倍地增加熔体的层数，最后在牵引装置的作用下，多层复合材料经过冷却装置

5、被牵引出分层单元。用此类共挤出系统可以很容易得到具有几十到几千层的薄膜和薄片，并且可以很容易通过控制分层单元数来控制层的数量和厚度(在保持总厚度不变的情况下，层数的增加将使层厚减小)，控制喂料比来改变不同组分层的厚度比。分层单元的工作原理类似于w．J．Schrenk等[1。1所设计的分层口模(如图3所示)，高分子熔体进入分层单元时首先在垂直于流动方向上被分成两部分；然后一部分熔体向上流动并向水平扩张(此时流体的厚度不断变小而宽度不断扩大)，而另一部分熔体向下流动并向水平扩张；最后两股熔体在分层单元出口处重新合并。通过这个过程，在总厚度保持不变的情况下，层数得到了

6、成倍增加。n个分层单元可以得到2¨+1’层的多层复合材料。连接器却装置图2自主开发的微纳多层共挤出系统结构不意图聚合物A熔体[二=_=：=)[二◇仓。晶沼菖K酽～蛤毫诠鹭聚合物B熔体第1分层单元第2分层单元图3分层单元工作原理2交替多层复合材料的发展前景交替多层复合材料的优势在于能充分地把两种高分子材料的性能体现出来，并产生协同效应，得到性能更加优越的材料，因此具有广阔的应用前景。以下分别从力学性能、阻隔性能、光学性能、导电性能、界面扩散、受限结晶等方面来介绍交替多层复合材料的发展前景。2．I力学性能w．J．Schrenk等¨1在研究聚碳酸酯(PC)和(苯乙烯／

7、丙烯腈)共聚物(SAN)交替多层复合材料力2008年中嘲I程#斟复舍材料技术研讨会论文颦学性能时发现，高伸长率层可能起到阻止脆性层横向裂纹发展，使脆性层出现韧性屈服现象，整个复台材料将具有韧性断裂行为，并具有较大伸长率(如图4所示)。髓后．EBaer等”6。⋯’对此种材料的机理做了进一步研究，发现产生这种坍同效应的原因是银坟和剪切带的相互作用。如图5所示，在较小应变下．首先在SAN层发生不可逆变形而形成银纹(圈5b)，随着应变的进一步增加，银纹引发了PC剪切带的形成，使得在银纹顶端的应力得到扩散(图5c)，能量被消耗，并且银纹和剪切带相互作用程度与层问的粘接程度

8、”1、层数或层厚”川1、各层厚度比”“”相关。日4软、硬层变替多层复音材料的徽层增强示意目ii甬两—甬嗣i高嗣i嗣i赫鞴葡i嗣鞠胃露嗣■ii嗣话蜀‘_■砷■■—■■■■■一‘i甬嘲蜥麓两麓茹嘲一；；i嗣寮赣瞬酾鞭研‘嫡嗣嗣i蛹龋黼幂嘲硐嘲猁礤辚露酾嘲⋯一应变小；b一应变弁}n、c之闻；e应变大囤5PC／SAN空替多层复合材料22阻隔性能通过增加气体或液体扩散路径可以提高聚合物基复合材料的阻隔性(如图6所示)””，这就是著名的Neilsen模型。根据Neilsen的思想。微纳多层共挤出技术可以制各高阻隔性的复合材料。该技术的主要优势在于可以把阻隔性好的组分以连续片

9、层或高长径比的不连续片层