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功能梯度高分子膜材料
功能梯度高分子膜材料 Contents 1.1梯度功能材料(FGM)简介 1.1梯度功能材料(FGM)简介 FGM由日本学者平井敏雄等人于1984年首次提出,最初用于航空飞机缓和热应力型超耐热材料,这种复合材料的高温一侧是耐高温的陶瓷材料,低温一侧是具有高热传导的金属材料,从陶瓷部分到金属部分组成呈梯度过渡。 经过二十来年的发展,FGM的研究相对成熟,已将其推广应用于核能源、电子、光学、电磁学、化学、生物医学等技术的材料领域;同时材料的组合也发展出多种形式。 1.2FGM的发展—PGM 1.3PGM 的分类 1.3PGM 的分类 2.1 梯度聚合物材料的制备方法 梯度共聚物的制备 互穿网络聚合物梯度材料的制备 复合型高分子梯度材料的制备 共混型梯度高分子的制备 2.1.1梯度共聚物的制备 共聚物型高分子梯度材料是指微观组成随着分子链的增加,从一种单元占主导地位变化到另一种单元占主导地位的聚合物。研究表明,梯度共聚物可以综合无规共聚物和嵌段共聚物的性能,从而代替无规共聚物和嵌段共聚物,用于不相容聚合物界面亲和力的改善。 2.1.1梯度共聚物的制备 梯度共聚物的制备方法按加料方式可分为批量法和半批量法。 批量法主要是利用单体对反应活性的差异,采用一次性投料自发形成梯度的聚合方法。在批量聚合法中,梯度的强度仅仅受单体对活性比和起始投料比的影响。 半批量法是一种无论单体对的反应活性相差多大,都采用一种单体一次性加料,另一种单体连续或间歇性加料而形成梯度的聚合法。采用半批量法则可使用更多的单体对来合成更多的梯度共聚物。 按聚合反应原理来划分,制备梯度共聚物的方法有活性阴离子聚合、受控自由基聚合和开环易位聚合等。 特殊的梯度共聚物-梯度分子刷 梯度分子刷是接枝链的密度沿着分子主链方向呈梯度变化的一种接枝/柱状梯度共聚物。分子刷可用作抗冲击的塑料、热塑性弹性体和增溶剂等。两亲性的分子刷可作为高分子表面活性剂或乳液的分散剂等。梯度分子刷的制备方法有3种:利用梯度共聚物的活性点进行相似转变,制成大分子引发剂,引发其他单体聚合,得到主链上带有接枝密度呈梯度变化的分子刷;将一种单体与带有支链的另一种单体进行CRP等聚合;在梯度共聚物的活性反应点上,接枝上另一种聚合物分子链。形成分子刷。 梯度共聚物的表征 目前还无法直接表征梯度共聚物的微观组成,一般是用1HNMR跟踪分析聚合反应过程中共聚物微观组成的变化。当共聚物中某一单体单元的累积含量和瞬时含量都随共聚物链长的增加而增加时,即共聚物的微观组成从一种单体单元占主导地位逐渐变化到另一种单体单元占主导地位,就表明确实形成了梯度或渐变共聚物。 2.1.2 IPN聚合物梯度材料的制备 互穿网络型高分子梯度材料是多组分多相体系,组成的多种聚合物间形成有效的分子互穿网络,即一种特殊的互穿网络(IPN)或半INP高分子梯度材料。在一个梯度聚合物体系中,一种与其它组分的物理化学性质不同的组分,其浓度变化与它在体系中所处的地方呈一种函数关系,形成某种特定的梯度剖面。梯度剖面可以是线形、S形、抛物线形。 序列聚合是一种适用于制备互穿网络型梯度聚合物材料(IPN-FGM)的方法。其合成步骤往往是通过将一种客体单体扩散到主体聚合物基材一段特定的时间,然后原位聚合固定扩散的单体。 2.1.3填充复合型聚合物梯度材料制备 填充复合型高分子梯度材料通常是非高分子组分与高分子组分的复合体系。一类是在填料增强的高分子体系中使填料的浓度呈梯度分布,即孔隙率呈梯度分布的高分子材料;另一类是高分子渗入无机材料表面梯度化分布的孔穴中形成的高分子呈梯度分布的功能材料;还有一类是掺杂剂呈梯度分布的掺杂高分子材料。 2.1.3填充复合型聚合物梯度材料制备 2.1.4共混型梯度材料的制备 2.2自组织梯度功能材料及其形成理论 自从原子、分子的概念被认识以来,随着相应知识和技术的不断积累,人们开始利用物质的原子、分子级的相互作用形成的凝集结构来开发新型功能材料。 FGM的自组织制备法就是利用原材料物质分子自身的自组织化而形成特异的组成分布(高分子梯度功能材料和阶跃型功能材料,统称为高分子层状功能材料)的原理而形成的一种制造法,聚合物层状化的自组装机理是这一技术应用的关键。 共混体系的自组织工艺 2.2.1自分层机理 2.2.2自组织形成梯度的理论 一、表面能理论 表面能理论认为,引起涂膜自分层的推动力是两种聚合物间的表面能的差异。当含有两种树脂的溶液涂布在底材上时,由于两聚合物对基材的界面张力的差异,造成一种聚合物对基质润湿性好,成为底漆;另一种聚合物对基质润湿性差,成为面漆。因此,根据表面能的关系可以判断该体系的自分层情况。 二、溶度参数理论 聚合物的不相容性是分相或分层的必要条件。两聚合物的不同极性、分子间不
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