Adv. Mater. 綜述：探究微原纖化復合材料的加工、結構與性能的關系

【背景介紹】

眾所周知，聚合物材料的加工、形態和性能之間的關系一直是學術和工業研究的研究熱題。微原纖化復合材料（MFCs）是一類有前景的聚合物復合材料。MFCs的優點在于原位形成微纖維，通過該微纖維可以實現增強體在基質中的完美均勻分布。它們潛在的優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工藝開發的：熔融共混、原纖化和各向同性。在熔融共混過程中，聚合物會經歷不同的形態變化，例如液滴的破裂和聚結。在處理過程中，各種參數可能會影響MFC的形態，必須加以考慮。此外，復合材料的微觀結構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合材料的加工、結構與性能三者之間的關系進行總結分析。

【成果簡介】

基于此，比利時根特大學Kim Ragaert（通訊作者）等人報道了有關微原纖化復合材料（MFCs）的復雜加工、結構與特性關系的最新完整概述。圖1代表了在MFC這個經典材料科學三角形中起作用的最重要因素的方案。其中，各種參數可能會影響加工，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，復合材料的微觀結構不僅取決于加工參數，還取決于共混物的組成和組分的粘度，以及最終形態中微纖維的分散和分布。最后，MFCs的特性將受所獲得的形態和加工參數的影響。研究成果以題為“Relationship between the Processing, Structure, and Properties of Microfibrillar Composites”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、影響MFCs加工、結構和性能之間關系的主要參數

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的應力/應變曲線
（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的溫度依賴性為1 rad/s
（a）儲能模量G'與溫度的關系；

（b）損耗模量G''與溫度的關系。

圖十四、薄膜內部形態對滲透分子滲透薄膜所必須經過距離的影響

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力學性能與PA66濃度（wt％）間的關系：（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超細纖化共混物結晶上部結構形成的示意圖

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

【總結】

總之，本文總結了加工參數對MFC結構發展的影響以及對最終復合材料性能的耦合效應。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，這些特性會嚴重影響微原纖維結構的變化。指出增強物的變形、聚結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。作者討論了與MFC生產的各向同性有關的各種參數，闡述了加工溫度和剪切速率這兩個主要參數對相和晶體形態的影響。需注意，由于加熱受到更嚴格的控制，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，從而導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.

本文由CQR編譯，由于文中圖太多，故選取大部分圖。

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