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【背景介紹】

眾所周知，聚合物材料的加工、形態(tài)和性能之間的關(guān)系一直是學(xué)術(shù)和工業(yè)研究的研究熱題。微原纖化復(fù)合材料（MFCs）是一類有前景的聚合物復(fù)合材料。MFCs的優(yōu)點在于原位形成微纖維，通過該微纖維可以實現(xiàn)增強體在基質(zhì)中的完美均勻分布。它們潛在的優(yōu)異機械性能在很大程度上取決于原纖維的長徑比，而長徑比是通過三步生產(chǎn)工藝開發(fā)的：熔融共混、原纖化和各向同性。在熔融共混過程中，聚合物會經(jīng)歷不同的形態(tài)變化，例如液滴的破裂和聚結(jié)。在處理過程中，各種參數(shù)可能會影響MFC的形態(tài)，必須加以考慮。此外，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)還取決于共混物的組成比和組分的粘度以及微纖維的分散和分布。因此，非常有必要對原纖維復(fù)合材料的加工、結(jié)構(gòu)與性能三者之間的關(guān)系進行總結(jié)分析。

 

【成果簡介】

基于此，比利時根特大學(xué)Kim Ragaert（通訊作者）等人報道了有關(guān)微原纖化復(fù)合材料（MFCs）的復(fù)雜加工、結(jié)構(gòu)與特性關(guān)系的最新完整概述。圖1代表了在MFC這個經(jīng)典材料科學(xué)三角形中起作用的最重要因素的方案。其中，各種參數(shù)可能會影響加工，例如擠出過程中的混合、分散組分的拉伸、注射速度或注射成型過程中的溫度。此外，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)不僅取決于加工參數(shù)，還取決于共混物的組成和組分的粘度，以及最終形態(tài)中微纖維的分散和分布。最后，MFCs的特性將受所獲得的形態(tài)和加工參數(shù)的影響。研究成果以題為“Relationship between the Processing, Structure, and Properties of Microfibrillar Composites”發(fā)布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

 

【圖文解讀】

圖一、影響MFCs加工、結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系的主要參數(shù)

圖二、MFCs的加工示意圖

圖三、熔體混合過程中液滴的變形，取決于λ的值

 

圖四、MFCs的形貌變化

 

 

圖五、MFCs的形貌表征

 

圖六、纖化周圍TCL形成的示意圖

圖七、結(jié)晶度形成和生長的條件

 

圖八、不同MFC的TEM和AFM表征

（a）注射成型的LDPE/PET MFC的TEM圖像；

（b）拉伸后，PP/PET超細纖維混合物的低溫表面的AFM相圖。

 

圖九、混合物和MFC的拉伸斷裂模型

（a）混合物的拉伸斷裂模型；

（b）MFC的拉伸斷裂模型。

 

圖十、MFC裂紋機理和擴展路徑

 

（a）MFC裂紋機理的沖擊斷裂機理；

（b）纖維復(fù)合材料中裂紋擴展的曲折路徑。

 

圖十一、不同原纖化取向的MFCs的沖擊斷裂模型

圖十二、具有不同微纖化取向的PP/PET MFCs的應(yīng)力/應(yīng)變曲線

（a）單軸；（b）交叉鋪層；（c）PP純各向同性（無微纖維）；（d）隨機。

 

圖十三、純HDPE和微原纖化共混物的粘彈性參數(shù)的溫度依賴性為1 rad/s

（a）儲能模量G'與溫度的關(guān)系；

（b）損耗模量G''與溫度的關(guān)系。

 

圖十四、薄膜內(nèi)部形態(tài)對滲透分子滲透薄膜所必須經(jīng)過距離的影響

 

圖十五、三種最常見增強顆粒形狀的有效阻隔面積，顯示出有效阻隔面積與顆粒體積間的關(guān)系

圖十六、混合膜和MFC膜的透氧性

圖十七、組成比對原纖化形成和性能的影響

（a-c）兩種樣品的PP/PA66力學(xué)性能與PA66濃度（wt％）間的關(guān)系：（a）拉伸強度（σt）；（b）拉伸模量（E）；（c）沖擊強度（ak）。

 

圖十八、利用二甲苯蝕刻PP/PET納米原纖化復(fù)合材料的SEM圖

（a-d）具有MFR的PPs：（a）每10 min 3.6克；（b）每10 min 5克；（c）每10 min 19克和（d）每10 min 36克，分別是15 wt%的PET。

 

圖十九、二次流GAIM超細纖化共混物結(jié)晶上部結(jié)構(gòu)形成的示意圖

圖二十、擠出過程中，有無增容劑的冷拉伸過程中共混物的形態(tài)

 

 

【總結(jié)】

總之，本文總結(jié)了加工參數(shù)對MFC結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響以及對最終復(fù)合材料性能的耦合效應(yīng)。作者從共混物的組成開始，然后集中于三個處理步驟的流程：熔融共混，拉伸（冷或熱）和通過注塑（或壓縮）成型的各向同性。最初關(guān)注的是聚合物共混物的組成，它們的粘度和彈性比，這些特性會嚴(yán)重影響微原纖維結(jié)構(gòu)的變化。指出增強物的變形、聚結(jié)和可拉伸性取決于聚合物共混物的粘度比。起始混合物的低粘度比將促進分散組分的變形并導(dǎo)致高縱橫比的原纖維。聚合物熔體的熔融共混和物理性能，以及機筒溫度、螺桿速度等加工設(shè)置，都會影響分散組分的尺寸和形狀。除原纖長寬比外，微原纖維的取向還被作為重要參數(shù)。作者討論了與MFC生產(chǎn)的各向同性有關(guān)的各種參數(shù)，闡述了加工溫度和剪切速率這兩個主要參數(shù)對相和晶體形態(tài)的影響。需注意，由于加熱受到更嚴(yán)格的控制，壓縮成型更適合于熔融溫度窄的聚合物。此外，在MFC中使用少量的增容劑可以顯著降低界面張力并防止增強劑聚結(jié)，從而導(dǎo)致小顆粒及其在基體中的均勻分散和分布。

 

文獻鏈接：Relationship between the Processing, Structure, and Properties of Microfbrillar Composites. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003938.