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新疆理化所張亞剛團隊在高分子復合材料設計與應用研究取得系列進展

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

復合材料具有一系列不可替代的優異特性，新型纖維增強高分子復合材料因其質輕、高強、綜合性能優異，在航空航天、國防、軍工等領域有著廣泛的應用。除此之外，纖維增強基高分子復合材料在汽車、船舶制造、醫療器械、運動器材等領域亦有廣闊的應用前景。

通過剪切拉伸力學實驗，研究四重氫鍵構筑單元在材料表面的力學行為示意圖

中國科學院新疆理化技術研究所精細化工工程技術研究中心研究員張亞剛帶領的團隊開展了一系列包括玻璃纖維增強高分子復合材料和超分子聚合物設計與構筑的基礎理論與應用研究工作。

材料的界面粘附性能是纖維增強復合材料技術的關鍵。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強度，張亞剛團隊提出了一種對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。研究結果表明這種改性方法能有效提高復合材料的拉伸強度。通過界面調控和官能化反應不但可以增強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。相關研究成果發表在國際刊物《英國皇家化學會進展》（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和相變增韌的啟發，張亞剛研究團隊創造性地將纖維增強和成核劑調控聚丙烯結晶行為相結合，研發了合成新型聚丙烯復合材料的新方法。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，首先用成核劑誘導聚丙烯成核，然后再用玻璃纖維與之復合進行進一步增強的方法，解決了傳統方法中直接將聚丙烯與成核劑及纖維進行混合，由于玻璃纖維作為一種外來雜質的引入，使得成核劑不能有效發揮其調控聚丙烯結晶行為的作用的問題。并系統地研究了不同α成核劑與玻璃纖維組成的復合體系制備聚丙烯復合材料的效果，同時考察了成核劑濃度對聚丙烯復合材料力學性能的影響；發現了一系列可同時使得PP達到剛韌平衡的α成核劑/玻璃纖維組合體系和最佳配方。相關研究成果發表在國際刊物《應用高分子科學雜志》（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和β成核劑調控結晶行為相結合制備聚丙烯復合材料中，玻纖和β成核劑對改性PP的結晶行為和力學性能的影響，揭示了增強纖維與基體樹脂界面粘附性能的機理，發現了玻璃纖維增強可彌補β成核劑改性對PP剛性帶來的損失，大大改善其綜合力學性能。相關研究成果發表在國際刊物《英國皇家化學會進展》（RSC Advances）上。

論文鏈接：

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

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

在隨后的工作中，張亞剛團隊提出了應用超分子多重氫鍵進行新型功能和結構高分子材料中的設計的思路，這種新的材料設計方法可用來設計諸如材料界面的納米黏附，拓展可纖維增強的高分子機體材料的范圍。同時，利用通過識別過程動態可逆的特性，通過合理設計，基于新型多重氫鍵單元超分子作用的聚合物設計在諸如刺激-響應、吸聲、減震等功能材料領域有很好的應用前景。相關研究成果發表在國際刊物《當代有機化學》（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科學問題。通過化學鍵接，用四重氫鍵的構筑單元改性材料表面后，在本體材料中，四重氫鍵構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筑單元，在溶液中以分子狀態存在時，具有很大的自由度，所以配對形成四重氫鍵的效率很高，但當四重氫鍵構筑單元被整合嵌入到材料表面或者材料內部后，四重氫鍵構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生的黏附功中，貢獻了多少？占多大比率？

為回答上述關鍵科學問題，張亞剛團隊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行官能化改性的方法。通過比較三組體系：自互補 vs 異互補識別，常規表面自組裝單層 vs 混合表面自組裝單層，三烷氧基 vs 單烷氧基硅烷體系，以含互補四重氫鍵的改性高聚物作為媒介層，通過剪切拉伸力學實驗，并將溶液相的關鍵識別參數與剪切拉伸測試的力學數據相結合，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部的關鍵量化參數：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配對結構的效率可達40%；四重氫鍵在材料界面總黏附功中貢獻百分比可達72%。該方法對基于四重氫鍵的超分子材料設計提供了重要理論基礎。相關研究成果于近日發表在國際刊物《英國皇家化學會進展》（RSC Advances）上。

論文鏈接：

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

上述相關研究工作應邀在2016 EMN Meeting 聚合物納米材料和納米技術國際會議（香港），2017 第四屆全國復合材料科技大會青島學術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基金、國家“千人計劃”等的支持。

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責任編輯：韓鑫