最近几年,不相容聚合物体系的共连续化研究非常注目,这是因为相对于海岛结构体系,具有共连续微结构的聚合物共混体系有可能大幅度提高力学强度、耐热温度以及导电、导热和耐溶剂等功能特性。一般情况下,两种聚合物的共连续区出现在体积分数相近的相反转区。如何降低相反转点含量,即大幅度减少其中一个组分含量的同时保持该材料的共连续结构,是开发低成本耐高温材料以及高性能导电材料的关键技术。本文以炭黑(CB)或纤维作为降低复合体系形成共连续结构相反转点含量的手段,深入研究了CB在聚合物共混体系中的自组装特性以及聚合物(或金属合金)熔体在纤维表面的定向凝聚行为,制备了一系列以热塑性聚合物为基体,以无机填充材料为骨架的共连续新型结构材料。首先,本文研究了作为纳米粒子的CB定向聚集对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)/尼龙6(PA6)共混体系微结构演变的影响。研究发现,CB定向聚集在PA6相中,这种定向聚集可以使ABS/PA6共混体系由原先的海岛结构转变为共连续结构。随着CB含量的增加,形成共连续结构所需的PA6的含量降低,同时相尺寸减小。进一步研究表明,对于同一种共混体系,CB的临界体积分数(ΦCB)和形成共连续PA6的体积分数(ΦPA6)存在定量的反比关系,其特征参数n值(n=ΦPA6×ΦCB)保持不变,且随着CB粒子自发凝聚能力的增加而减小。这种定量关系充分说明CB的自组装能力对拓宽形成共连续结构的组成范围至关重要：正是由于CB具有自发凝聚形成导电网络的能力,促使CB定向聚集的PA6相也形成连续相。在CB的自组装诱导下,ABS/PA6共混体系在较低的PA6含量下形成了共连续结构,从而大幅度提高了材料在高温区域的力学模量；同时,由于CB的定向聚集和双重渗流效应,极大地降低了共混物的渗流阈值。研究还表明,上述定量关系对纳米粒子填充不相容聚合物共混体系具有普遍意义,对于复合材料共连续结构的设计和调控具有理论指导意义。其次,我们试图利用玻璃纤维(GF)具有较大长径比的优势,以及GF与PA6具有较强相互作用的特点,考察了GF增强对聚苯乙烯(PS)/PA6共混体系共连续结构的影响。结果发现,在熔融共混过程中GF被PA6焊接在一起,在PS基体中形成了连续的GF-PA6骨架结构,只要在PS/GF复合体系添加少量的PA6,复合材料的热变形温度(HDT)从95℃大幅度提高至201℃。为了表征共混及退火过程中PA6向GF表面的定向凝聚的动态过程,本文采用选择性抽提等实验方法测定了PA6在GF表面的粘附率(NPA6),同时利用GF-PA6骨架结构的理论模型确定了骨架结构中PA6的有效含量。研究发现,NPA6越大,GF-PA6骨架结构的强度越高,复合材料的耐热性能也就越好。随着共混时间的延长,NPA6逐渐增大并达到一个稳定值；NPA6的增大速率以及NPA6稳定值的大小与PA6粘度以及PA6与PS的粘度比有关；退火处理可以有效提高NPA6,同时还大幅度提高粘附在GF与GF交叉点的PA6有效含量。这些结果都充分说明在GF-PA6骨架结构形成的动态过程中PA6向GF表面的定向凝聚起到了关键的作用,在GF连结点毛细管力的驱动下,退火过程中PA6定向凝聚在GF与GF交叉点,形成了更为强健的GF-PA6骨架结构。为了进一步阐明GF-PA6骨架结构形成的热力学条件,我们考察了GF-聚合物的界面相互作用力差异(即PA6和基体聚合物对GF表面的竞争吸附)对形成GF-PA6骨架结构的影响。采用聚合物液滴在GF表面的接触角以及GF与聚合物的界面剪切强度两种技术分别测定了GF与一系列具有不同极性侧基聚合物的粘附功,分析了GF-PA6粘附功与GF-基体聚合物粘附功的差值(AWA*)与PA6在GF表面的粘附率NPA6之间的关系。研究表明,如果△WA*为负值,那么PA6无法在GF上凝聚,也就无法形成GF-PA6骨架结构；随着△WA*增大,PA6在GF表面的粘附率增大,GF-PA6骨架结构的强度也就越高,复合体系的耐热性能越好。研究还发现,△WA*不是唯一的判据,PA6在GF表面的粘附率还取决于基体聚合物对GF表面的浸润性。尽管PP和PE在GF表面的粘附功较低,但是它们对GF表面的润湿性非常强(接触角为0),导致PA6在GF表面的定向凝聚发生困难,NPA6偏低。在考察了GF-PA6骨架结构形成的动态过程及其热力学条件后,本文还探讨了如何在低PA6含量的前提下构建高强度GF-PA6骨架结构的加工工艺。在PA6含量较低的情况下,共混过程中PA6的粘附速率明显变慢(PA6相与GF的碰撞几率以及每次碰撞所带来的粘附增量均降低)。为减轻GF的的断裂程度以及避免聚合物的降解,如何加快PA6向GF表面定向凝聚的速度以使得在一定的共混时间内获得较高的NPA6是制备低PA6含量高耐热复合材料的关键所在。研究发现,对于GF-聚合物相互作用力差异大的复合体系,分步共混工艺可以加快PA6的粘附速率,在一定的共混时间内促使NPA6达到一个较高的稳定值,有利于进一步改善复合材料的耐热性能。此外,增加GF的含量可以大幅增大复合体系中连结点的密度,而连结点的强度(NPA6/ΦGF)变化不大,因而可以显著改善复合材料的耐热性能。基于上述实验结果,我们制备了极低PA6含量的高耐热的PS/PA6/GF复合材料：仅需添加3 wt% PA6就可以将PS/GF复合材料的HDT从99℃提高至170℃,这一成果为开发低成本高耐热的纤维增强复合材料提供了一条全新的途径。最后,本文将PA6在纤维表面的定向凝聚特征进一步延伸至开发高性能导电复合材料。通过向ABS/铜纤维(CuF)复合体系中引入少量的低熔点锡铅合金(Sn),在共混及模压过程中,由于Sn熔融,而Sn与铜纤维表面又具有极高的亲和性,最终将相邻的CuF焊接在一起形成CuF-Sn导电骨架结构。研究发现,这种骨架结构可以大幅延长导电通路,促进导电网路形成,有效地降低了复合材料的渗流阈值,提高了材料的加工流动性。更重要的是,CuF经Sn原位焊接后消除了CuF间接触电阻,促使ABS/CuF/Sn(体积比90/’5/5)复合体系的电阻率降低至2.56x10-3Ω·cm。由于CuF被Sn焊接在一起,复合材料的电阻率随环境温度的升高几乎不变,而且所形成的CuF-Sn骨架结构可以有效地防止CuF的氧化,赋予复合材料优异的导电稳定性。