申报

一、科学意义及应用前景 (说明本项目主要研究的问题及其科学意义，对航空科学技术发展的作用和研究成果的应用前景等）。

随着全球航空业的发展，复合材料得到了快速发展和广泛应用。特别是聚合物纳米复合材料将有机聚合物的柔韧性好、密度低、易于加工等优点与无机填料的强度和硬度较高、耐热性好、不易变形等特点结合在一起，加之纳米优化效应，具有一般工程塑料所不具备的优异性能，受到各国研究者的高度重视，在航空、国防、冶金、化工、电子、医学和生物工程等领域得到越来越广泛的应用。

聚丙烯（PP）是一种材料改性领域中相当活跃的基体树脂，其来源丰富、价格低廉、易于加工成型、产品综合性能优良好，因此用途非常广泛。PP与聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、ABS等其他通用热塑性塑料相比，密度最低，只有0.89～0.91g/cm3；它的力学性能(包括屈服强度、拉伸强度、压缩强度、表面硬度和弹性模量)均较优异，并有突出的应力开裂性和刚性；PP的耐热性较好，熔点高达164℃，软化点高于低压聚乙烯和ABS，可在100～120℃下长期使用，在没有外力作用下，升温到150℃也不变形；PP几乎不吸水，具有良好的化学稳定性，具有良好的电绝缘性和较小的介电率；PP成型加工容易，可用注射、挤出和中空成型等多种方法高效率地成型各种制品。但是，纯的PP材料存在模量低、热稳定性差、韧性差、易老化等缺点，在工程塑料中应用受到限制，因此，需要对PP材料进行增强增韧改性。

纳米无机粒子增强增韧聚合物是近年来该领域的研究热点。无机物以纳米尺寸分散在聚丙烯基体中形成的聚丙烯／无机填料纳米复合材料，由于分散相的纳米尺寸效应，大比表面积与强界面结合，使纳米聚丙烯具有优异性能，具有广阔的商业开发价值和应用前景。近几年，国内外一些研究部门对于纳米聚丙烯复合材料研究从纳米粒子改性、纳米粒子与聚合物作用机理到宏观制造等方面做了不少工作。

但是，目前纳米无机粒子在塑料高性能改性中的研究、开发与应用还处于摸索和起步阶段，有待于进一步研究的理论和实际问题还很多，其中纳米无机粒子的团聚及保存问题、纳米无机粒子在塑料基体中的分散问题、纳米无机粒子的种类与不同聚合物界面黏结的强度与稳定性问题、纳米无机粒子的种类及含量与不同塑料的各种功能性间的关系、纳米无机粒子对塑料的增强增韧机理问题、纳米无机粒子对塑料性能影响的定量关系等都是很重要的需要解决的研究课题。因此，开展纳米无机粒子在塑料高性能化改性中的研究，具有十分重要的理论意义和应用价值。

本研究以PP材料的“结构-功能一体化”为重点，构筑“结构–功能一体化”的新型PP基复合材料。选用功能性碳化硅(SiC)粒子为改性剂，采用双螺杆挤出与注射成型工艺制备新型PP基复合材料；探讨偶联剂、SiC的种类和用量对SiC/PP复合材料性能的影响；对SiC/PP复合材料的力学

性能、热学性能、抗静电性能进行测试；分析有机－无机界面效应，研究无机粒子增强增韧聚合物机理。以期在提高PP材料力学性能和热学性能的同时，赋予PP材料抗静电的功能，实现PP复合材料“结构-功能一体化”目标。

无机纳米粒子协同增强增韧聚丙烯的研究有望从材料制备与表征方面，系统解决分散性和界面粘结性问题，研究纳米粒子与聚合物的界面结合理论，加强纳米粒子与聚合物的界面结合，对性能增强增韧机理进行有效的研究，使PP复合材料达到高强度、高模量、轻质、抗静电等性能要求。综合考虑来源丰富、价格低廉、易于加工成型、新型、轻质、性能优良等优点，PP复合材料可用于制造航空器的内饰部件和电气部件，在航空领域中得到广泛的应用。

二、研究背景 (国内外对类似问题的研究概况，已达到的水平、存在的主要问题及发展趋势)。

聚合物/纳米复合材料在许多方面显示出特异的性质，因此，世界各国对其开发研究日益活跃。

近年来，对PP的改性研究越来越多，通过对其进行填充、增强和增韧改性，来赋予PP许多新的优异的性能。PP的改性方法多种多样，总体上可划分为化学改性和物理改性。化学改性是指通过接枝、嵌段共聚，在PP大分子链中引入其他组分，或是通过交联剂等进行交联，或是通过成核剂、发泡剂进行改性，由此赋予PP较高的抗冲击性能，优良的耐热性和抗老化性。化学改性主要包括：共聚、接枝、交联等，主要是改变PP的分子链结构，从而改进材料性能。物理改性是在PP基体中加入其他的无机材料、有机材料、其他塑料品种、橡胶品种、热塑性弹性体，或一些有特殊功能的添加助剂，经过混合、混炼而制得具有优异性能的PP复合材料的处理方法。物理改性大致分为：共混改性、增强改性、填充改性、功能改性等。

对无机刚性粒子改性PP体系来说，基体、无机粒子、无机粒子与基体间的界面相是决定改性效果的内因。因此，提高无机刚性粒子与PP基体的界面粘结可以提高材料体系的性能。但是大多数无机填料具有一定的酸碱性，表面有亲水性基团，并呈极性；而PP则呈疏水性、非极性，因此两者之间的相容性差，界面相互作用不能使两者达到良好的结合状态，两相间的不相容性不利于无机粒子在PP基体中的分散，对于制备PP基复合材料无疑是一个非常不利的因素。为此，要制备具有良好性能的PP基复合材料，改善两相间的相容性显得尤为重要。这需对无机刚性粒子进行表面处理，使之尽可能与基体实现表面性能、化学性能、酸碱性能、热性能乃至几何形貌等方面的匹配，既可加速粒子的分散、改善分散效果，又可形成良好的界面相，而达到对材料体系增强增韧的目的。无机刚性粒子的表面改性方法主要有物理方法和化学方法。前者目的是增加填料表面凹凸度，从而增加填料的比表面积；后者目的是在填料表面上嫁接了各种官能基团，使表面具有反应活性，这种改性方法具有简单易行，而得到广泛的应用。另外，机械力化学改性是利用超细粉碎及其他强烈机械作用有目的地对粉体表面进行激活，在一定程度上改变颗粒表面的晶体结构、溶解性能、化学吸附

和反应活性。尽管表面改性处理方法众多，偶联剂处理是无机填料表面改性的最为基本、通用的方法。

对于选定的PP基体，改性效果主要取决于无机刚性粒子以及无机刚性粒子与基体间的界面相。无机刚性粒子的外形、粒径大小及其粒径分布和粒子含量也是决定改性效果的主要因素之一，其中无机刚性粒子的粒径和粒径分布是影响无机刚性粒子填充PP体系脆韧转变的主要因素。粒径小的粒子相对于大颗粒而言，其表面缺陷少，非配对原子多，与PP发生物理或化学结合的可能性大。粒子越细，相同质量的填料其表面积就越大，被PP包覆的面积就越大，界面作用就越强，所以冲击性能就越好。所以，微米级无机刚性粒子虽可提高PP材料的抗冲击韧性与刚性，但对强度有负面影响。相对于纯PP材料和微米级填料填充PP材料而言，纳米粒子更明显的改善PP材料的模量与强度、透气性、抗溶剂性、耐热性和透明性等性能，从而得到综合性能更优异的PP材料。但是，鉴于单纯纳米无机刚性粒子的成本较高、难于实现在基体中均匀分散，将纳米无机刚性粒子与微米无机刚性粒子组合使用是PP填充改性值得深入研究的新方向。此外，采用功能性无机刚性粒子为改性剂，构筑“结构–功能一体化”新型复合材料则是PP基复合材料的发展的另一重要方向。

PP的功能改性主要是提高其抗静电性、阻燃性和抗老化性等。需要消除和减少静电，可以从两方面着手：一是尽量减少静电荷的产生；二是设法使已产生的静电荷尽快地泄露出去。后者较容易实现。目前，泄露高聚物静电的方法主要有两类：1. 在绝缘高聚物中加入导电性填料或在绝缘高聚物中原位聚合导电性聚合物，形成复合材料，以提高材料的电导率，促进静电释放。2.在高聚物中加入抗静电剂。

无机刚性粒子填充改性PP最初是以部分取代树脂、降低成本为主要目的。后来发展的超细改性微粉填充PP，不但降低了材料成本，同时提高了材料的刚性和韧性。经表面改性处理的纳米无机刚性粒子是PP增强增韧改性的新途径。近年来国内外学者对纳米无机刚性粒子对PP材料改性的研究很多，包括不同种类的无机刚性粒子/PP复合材料的典型性能，以及微-纳米组合粒子对PP材料增强增韧改性的协同效应及其相关机制。

张青等发现经表面改性处理的亚微米级CaCO3能在PP基体中均匀分散，CaCO3粒子与PP基体之间有良好的结合强度，从而提高了材料的韧性。洪连周利用双螺杆挤出机制备了超细重质CaCO3(～2μm)/PP复合材料，CaCO3的填充质量分数在10%时，复合材料的冲击强度提高至纯PP 的2倍左右；复合材料的结晶度随CaCO3填充量的增加而有所降低。樊世民等利用Ca(OH)2-H2O-CO2体系制备出表面包覆纳米CaCO3颗粒的重质CaCO3和硅灰石复合粉体，实现了矿物粉体在Ca(OH)2-H2O-CO2体系中的表面纳米化修饰。表1是矿物粉体的填充量在30mass%时PP材料的力学性能，可以看出，经表面纳米化修饰后的硅灰石粉体填充改性PP材料较未经表面纳米化修饰的硅灰