基于Janus材料增容技术的高性能可降解高分子复合材料开发及应用
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石油基聚合物的过量使用产生了严重的环境污染,发展高性能可生物降解高分子复合材料对于解决全球性环境污染问题具有深远意义。目前常用的聚乳酸(poly(lactic acid), PLA)可降解聚合物质脆、原料价格高,使其无法实现大规模应用。本作品提出采用PBS(聚(丁二酸丁二醇酯),poly(butylene succinate))与PLA进行共混制备可降解高分子复合材料。同时,为了解决PLA与PBS因热力学相容性差在共混时易发生相分离,致使其无法发挥各自力学特性的问题,本作品特别提出以一种新型的界面增容剂——Janus材料实现PLA与PBS的两相界面增容,进而制备高性能且低成本的可生物降解高分子复合材料,对实现可生物降解复合材料的大规模产业化应用具有重要意义。因此,本项目以雪人状Janus分区颗粒作为PLA/PBS共混物的增容剂,通过调控Janus颗粒微结构及表面特性使Janus颗粒分布于PLA与PBS的两相界面处,实现PLA/PBS共混体系的界面增容;研究Janus颗粒对PLA/PBS共混物的力学性能的影响规律,并揭示相应的强韧化机制。研究得出通过改变雪人型两分区Janus颗粒的尺寸比例可实现Janus颗粒在共混物中较大范围的选择性迁移,且其选择性分布可显著调控共混体系的相态结构,进而对高分子复合材料的力学性能产生显著影响;Janus颗粒位于基体相或分散相时,共混物呈现脆性断裂模式,仅当部分或全部Janus颗粒位于两相界面处时,共混物呈现韧性断裂模式,材料的拉伸韧性得到显著提升。进一步为了研究界面增容作用对共混物力学性能的影响机制,建立了共混体系的细观力学数值模型,得出Janus颗粒界面增容剂可通过细化分散相尺寸使应力均匀分布,延缓材料失效;Janus颗粒通过增加界面粘结强度可增强应力转递效率,促使分散相发生塑性变形从而提升材料韧性。此外,还通过实验验证了Janus颗粒的界面增强作用对共混物的力学性能的提升具有重要意义,表面改性的Janus颗粒锚固在界面可使PLA/PBS可降解复合材料的断裂伸长率和拉伸韧性均提升10倍以上,远优于其他增容剂。本作品得到的高性能可降解复合材料的设计方法对实现可生物降解复合材料在众多领域的大规模应用具有重要的价值,将积极推动可生物降解复合材料的发展。