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多層聚合物復合材料研究進展:組裝策略、結構控制及其應用
2018-11-20  來源:中國聚合物網

  四川大學高分子材料工程國家重點實驗室,高分子研究所的郭少云教授課題組經過十余年的艱辛工作,在高分子層狀復合材料基礎研究和成果轉化應用方面取得顯著進展。近日,課題組在高分子材料科學領域頂尖綜述期刊《Progress in Polymer Science》發表了題為“Progress on the layer-by-layer assembly of multilayered polymer composites: Strategy, structural control and applications”的長篇綜述論文,論文第一作者為課題組張先龍博士,通訊作者為郭少云教授。

  該論文綜述回顧了層層組裝發展歷史,再到層組裝的最新研究成果的總結。分析了傳統LbL組裝的局限性,并對目前發展的快速高效的力組裝、基于結晶生長的層層組裝的最新策略。發現了強制組裝技術的簡單和快速的特點發現了力組裝技術的簡單和快速的特點,其可廣泛用于制備多層聚合物。隨著LbL組裝新策略和機理的出現,其應用領域將進一步擴展。但是目前關于LbL組裝的系統性綜合評述仍然很少,因此本文綜合分析了LbL組裝的多層聚合物的形貌調控、結構設計、形成機理、應用范圍等方面的研究進展。逐層 (LbL) 組裝技術是一種精細調控材料表面和界面的重要方法,在制備隔聲減震、形狀記憶、介電、輻射屏蔽等多功能和高性能復合材料中具有重要意義。文章從結構設計、形貌調控、組裝機理等方面對LbL組裝多層聚合物的相關研究進行了綜合評述,并論述了力組裝技術相較傳統組裝方法具有簡單、快速和適用性廣泛的特點。

  在聚合物復合材料的結構設計中,層層組裝起著重要作用,為各種多功能聚合物復合材料的制備提供了有力的工具。多層聚合物復合材料的優異性能主要來源于特殊的多層結構形貌和多層界面效應。對于半結晶聚合物體系,通過控制界面層之間的受限空間,可以有效地控制半結晶聚合物的層狀晶體生長方向,即層狀晶體的形態從扭曲形狀轉變為平面分散形式。對于無定形聚合物體系,隨著層數的增加,界面效應大大增強。與界面相關的性質,例如介電性能、界面應力轉移和抗穿刺能力得到了極大的改善,在最后還指出層層組裝的發展方向:

  (1)驅動力:在聚合物溶液中組裝的驅動力,它主要依靠靜電引力、氫鍵、電荷轉移相互作用力,共價作用,主客體相互作用,鹵鍵,表面張力,和毛細管作用。此外,在聚合物溶液中的層層組裝通常消耗大量的溶劑,這會造成嚴重的空氣污染和設備腐蝕,對操作人員的健康產生嚴重危害。此外,在聚合物熔體中的驅動力主要取源于剪切力、壓力和溫度場,通常有嚴格的限制。通常用于聚合物熔體層層組裝的是熱塑性聚合物的熔體;不是所有的聚合物都可以基于這些力的作用進行組裝(例如,熱固性體系不能組裝)。因此,一些新的驅動方式,需要引入層層組裝技術,如電場,磁場(只有物理作用,無任何化學反應)和光。光驅動模式是未來LBL組裝的一種清潔高效的驅動模式。

  (2)組裝策略:現有的組裝策略都有自身的缺點,不能發揮所有策略的優勢。第一,驅動力不能統一,即每一種策略都有其獨特的驅動力。其次,每個組裝策略也有其自身的特點,即不能對所有體系采用相同的組裝策略。文中表2總結了各種組裝策略的優點、缺點、驅動力和準備環境。因此,將這些策略應用到熱固性聚合物體系中,以實現熱固性聚合物和熱塑性聚合物體系的組裝策略統一是LBL組裝的重要發展方向。此外,實現溶液和熔體的統一是至關重要的,換句話說,不管溶液和熔體如何,都可以應用所有的組裝策略。同時,在未來新的加工技術,如3D打印,也將被引入LBL組裝的行列。

  (3)應用領域:多層聚合物復合材料的應用也將進一步擴大,如春雨后竹筍的涌現;最近,我們團隊將LbL技術應用于抗劃傷復合材料的制備。由于電子信息技術與生物醫學在電子和光信號傳輸、神經信號傳輸、組織修復、藥物控釋等方面的結合,多層聚合物復合材料的應用將在這些方向展示出誘人的應用前景。

上述工作得到了國家自然科學基金(51420105004, 51603131)、四川省科技計劃(2016JY0190)和汽車高性能材料與成型技術重點實驗室開放研究課題(szjj2016-088)的資助。

  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S007967001830279X

  DOI:10.1016/j.progpolymsci.2018.10.002

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