纳米复合材料的颗粒间约束.docVIP

纳米复合材料的颗粒间约束 31 July 2015 作者：Gad Marom and Golan Tanami 纳米颗粒除了增强的潜质，通过作用于纳米复合材料的聚合物基质，尤其是通过颗粒间的约束作用可以间接的影响材料的性能。 各种各样独特的纳米粒子不断增加的用途如同使人们对聚合物纳米复合材料的兴趣急剧上升，因为它们是潜在的有着优异的机械性能和断裂韧性的工程材料。纳米颗粒作为对机械性能如强度和模量的增强剂，必须具有高纵横比，可以通过剥离、单一和均匀的分散体来达到，显然其中颗粒的长度应比它的临界值更高。断裂增韧需要与裂纹前端相互作用，例如通过所谓的裂纹前端弯曲机构，使裂纹扩展中具有更高能量的耗散。大多数科学研究迄今都集中在纳米粒子的直接增强作用上，却忽视了通过改变聚合物基体造成的间接影响，而这正是我们工作的着力点。 在我们最近的研究中表明，除了强化和增韧的潜力，纳米颗粒还可以通过用一种或两者兼有的机制作用于聚合物基体从而间接的影响复合材料的性能（即不作为增强剂）。第一种机制适用于半结晶聚合物。这里，颗粒的大表面积引起成核以使具有不同性能的材料（界面材料）在聚合物基体与复合材料相互改性的过程中成型。第二种机制涉及颗粒间约束。在这种情况下，即使微量的纳米颗粒也会引起小颗粒间的间距和基质的潜在分子约束，从而产生新的形态结构与不同（更好）的性能。 通常，约束由施加在聚合物上的尺寸（几何）约束，如膜厚度来实现，这干扰了它的性能。例如，小直径长丝挤出绘图会产生二维分子约束，其范围由长丝直径决定。然而，往系统中引入纳米颗粒在颗粒间空间中达到了附加约束尺寸。例如，我们发现含有纳米纤维与在扩展流条件下制备的微米尺寸等规聚丙烯（iPP）细单丝表现出更高的分子取向以及更好的机械性能。 在这些研究中我们检查强加约束的状态，了解它们是如何影响iPP气相生长碳纤维（VGCF-iPP）纳米复合材料的性能的。我们通过用挤出绘图施加小尺寸结构来形成超低径单丝来引发整体的约束状态。我们还希望VGCF的相对高的负载量（重量比高达10％）可以通过降低连续颗粒间聚合物结构域的大小来进一步增加约束的等级。 图1显示了对模量和屈服应力的约束（基于我们先前的结果）使性能变化的一个典型范例作为单纤维直径的函数。在250和50μm之间的区域中，具有10％重量比的VGCF的单丝比原始材料的初始刚度高出约2.5倍，屈服值高了30％。在直径范围50-25μm内，急剧增加的刚度作为一个转折点发生在重量比10%的VGCF的刚度值接近4GPa时，原始单丝则发生在接近2GPa时。相同尺寸范围的重量比10%的VGCF的屈服应力在刚度达到55MPa表现出相似的转折点，相对而言，原始单丝的转折点发生在25MPa。 图1. 作为单纤维直径函数的零散机械性能：（a）拉伸强度，（b）屈服强度。VGCF：气相生长碳纤维。 通过采用多种表征技术，我们能够分析纳米复合材料的结构——包括尺寸，分子和“串晶”形态的超分子取向以及纳米纤维——作为直径的函数并使其与机械性能关联。在集合结果的基础上我们提出了图2中显示的约束模型。它说明了纤维间空间的重叠如何减少，以及重量比10%（体积比0.05%）的VGCF如何达到200nm的值（见图3）。 图2. 内含分散纳米填料的细丝（半径为r）的示意图。其更好的对准和重叠是由于降低长丝直径时纤维间距离（λ）也降低，从厚到薄，最后得到超低径长丝。 图3. 作为体积分数（φ）函数的纤维间距离：同时重量分数也被标注。 我们的结论是，在单丝直径降低（这也导致了机械性能的急剧增强）的同时高度取向的横向层状结构形成由于纳米纤维而较容易。工作中有两个潜在的因素，即纳米纤维对成核与定向结晶，以及重叠的纤维间区域的约束的影响。对约束的讨论在于它似乎产生了一个剧变而不是渐变的直径函数，这表明一个特定的分子或结构尺寸已经达到，如聚合物链或薄片尺寸的回转半径。 基于这里所描述的结果，我们有充分的理由相信，颗粒间约束——迄今为止很大程度上被忽略的——可能对机械性能有着显著的影响，尤其是在与二维约束结合时。目前，我们试图利用这种现象以进一步提高市售固态拉伸的iPP纤维的机械性能。 作者信息 Gad MaromThe Hebrew University of JerusalemGad Marom is professor of applied chemistry. He works in the field of composite materials, polymers, and nanocomposites, and particularly on multidimensional structure-pro