纳米原纤维聚合物聚合物和单一聚合物复合材料通过转化而不是添加的概念真正的聚合物纳米复合材料的例子
2021年07月23日 南阳机械设备网
纳米原纤维聚合物 - 聚合物和单一聚合物复合材料通过“转化而不是添加”的概念 - 真正的聚合物纳米复合材料的例子
该综述讨论了关于聚合物纳米复合材料的机械性能的理论推导的预期与实验获得的结果之间的巨大差异的原因。假设最可能的原因是我们很难处理真正的纳米复合材料，因为在通过聚合物基质与增强纳米尺寸材料的共混制备的复合材料中，增强元件不是单个纳米颗粒，而是它们的聚集体，其尺寸在微米范围。这种情况是由于目前没有有效的纳米材料正确分散技术进入聚合物基质中国塑料网vlevle.com。建议的解决方案是避免复合制剂中的分散步骤，因为“转化而不是添加”的概念确实如此。描述了真正的聚合物纳米复合材料的两个实例 - 纳米纤丝聚合物 - 聚合物和纳米纤丝单聚合物复合材料。
介绍
关于其研究主题的高分子科学属于最古老的科学领域（自活细胞出现以来就存在），而作为单独的，定义明确的科学，它是在不到100年前制定的 - 在1920年至1930年之间 - 由于德国化学家H.施陶丁格的先锋作品。聚合物科学的另一个特点是聚合物材料一直被人类使用，而不知道这些材料与其他材料的区别。
如今，当天然高分子材料添加了许多以前未知的性能组合的合成材料时，我们很难想象没有这些材料的生活。更重要的是，它们的数量和种类不断增加，因为新合成路径提供了大量机会和大分子的特性 - 它们的链条特征。这使得制备具有所需性能的全新材料成为可能，或者可以显着改善已知材料的选定方向的性能。与合成聚合物材料的许多优点并行，使它们具有重要性和吸引力，它们也具有严重的缺点，例如，它们的不利环境影响。
合成石油基聚合物对环境的负面影响可能是聚合物科学和技术中的主要问题，因为随着塑料生产的增长和缺乏可接受的解决方案，这种担忧正在增加。如果考虑到聚合物材料不能与其他天然材料的机械性能相竞争这一事实，情况就会变得更加严重，因此需要对其进行加固。最常见的增强材料是玻璃纤维和碳纤维，它们不能像聚合物基质那样进行焚烧。它们的量通常为复合材料的1/3（重量）。
试图将玻璃和其他无机纤维替换为聚合物复合材料的增强组分，导致天然纤维作为增强材料的应用（例如参考文献[1]）。这个方向的下一步是使用合成聚合物作为增强剂，但制备成纤维，微纤维或纳米纤维（例如参考文献[2]）。当然，第二种方法不如使用可生物降解和环保的天然纤维那样有利。同时，从环境的观点来看，合成聚合物 - 聚合物复合材料似乎比它们的无机对应物更可接受，因为它们本质上是有机的，可以被焚烧。
聚合物科学和技术的第二个重要问题与它们的机械性能有关，即使在增强聚合物的情况下也是如此。它与已知的事实有关，即增强材料的强度没有得到充分利用，因为基体和增强材料不具有完美的粘合性。这是因为复合材料的两种基本组分具有不同的化学组成。创建聚合物 - 聚合物复合材料是一种可能的部分解决方案，因为聚合物当然比它们的矿物对应物在化学上更加接近，因此更容易选择具有良好的粘合性。例如，在聚合物 - 聚合物复合材料中，两种组分在玻璃纤维中都是疏水的增强聚合物复合材料基体是疏水性和增强 -亲水性。
该问题的另一部分解决方案在于使用第三组分，该第三组分在其化学组成中与基质以及与增强物有共同之处。它位于两个组件之间的相界，因此减少了它们之间的巨大差异。这些化合物的良好实例是使用增容剂。
当在基质和增强化学键之间建立时，可以观察到理想粘附的情况。如果基质和增强物属于缩聚物组（例如聚酯和聚酰胺）或含有能够彼此反应的官能团（例如纤维素），则会发生这种情况。在第一种情况下可能的交易：
应该指出的是，到目前为止在界面上形成共价化学键并没有消除聚合物共混物和复合材料中合作伙伴的化学相互作用的可能性 - 氢键是下一个机会。
在作者看来，复合材料界没有充分利用基质和增强材料之间界面粘合质量的显着改善的潜力，这可能是因为参与这类研究的工程师缺乏化学知识。
如果两种基本复合组分，即基质和增强剂具有相同的化学组成，则可以实现基质和增强物之间理想粘合的另一种情况。这是单一聚合物复合材料的情况。
单一聚合物复合材料的概念是由Roger Porter在40年前制定的，并在他与N.Capiati[3]的出版物中进行了论证。他们使用两种类型的高密度聚乙烯（HDPE）样品，这些样品的熔化温度大多不同。这种新材料的制备，称为“一种聚合物复合材料”是可能的，因为对齐和延伸链提供热力学上更稳定的晶体，因此其熔点高于常规结晶熔体。
在过去二十年中，由于合成聚合物及其玻璃纤维增强复合材料对环境的影响，学术界和工业界对单一聚合物复合材料（SPC）的兴趣大大增加。
Ward和他的同事们对单一聚合物复合材料领域做出了重要贡献（例如参考文献[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]）。他们不仅成功制备了大量均聚物的SPC，开发了新的制造技术，而且还获得了专利[8]和具有SPC结构的商品化产品。J. Karger Kocsis也对SPC做出了有趣的贡献（例如参考文献[13]）。）证明可以使用聚合物中的多晶型现象制备这种复合材料。最后，SPCs最近添加了由平行排列的非互连纳米纤维（直径在50和250 nm之间）制备的纳米纤丝单聚合物复合材料系列，具有优异的机械性能（例如参考文献[14]，[15]）。
由于它们的优点，单一聚合物复合材料将继续成为人们关注的焦点：（i）缺乏基质 - 增强粘合问题，（ii）高纵横比（总是涉及纤维成分），（iii）强烈支配增强成分（高达80或90％），（iv）环保（无矿物添加剂），（v）SPC完全再生，（vi）制备纳米原纤维SPCs仅使用纳米尺寸材料，（vii） ）纳米原纤维SPCs具有极高的机械性能。
这种预测是基于它们是轻质的（它们的密度低于大多数传统复合材料），环境友好（特别是由于它们通过熔体中的再加工容易回收），并且它们提供了新的性质（与纳米孔隙有关，例如）。由于这个原因，他们的兴趣不断增加，正如最近对该主题的评论[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]所证明的那样。它们的基本缺点属于非常狭窄的加工窗口- 在许多情况下仅为几度°C。
最后，为了能够利用上面概述的单一聚合物复合材料的独特性能，我们不应忘记它们是单组分体系，其中基质和增强剂具有相同的化学组成。它们不得与其密切相关的聚合物 - 聚合物复合材料混合，其中基体和增强材料具有不同的化学组成。
本综述的目的是证明预期的机械性能与通过基体和增强剂的熔融共混制备的聚合物纳米复合材料中观察到的机械性能之间的灾难性差异与导致形成微米而非纳米复合材料的差的分散有关。该评价的第二个目标是提供不含分散步骤的纳米复合材料制备方法，迄今为止缺少适当的增强分散的技术和仪器。