本文介绍了一种新型PA6基共混物，同时具有增韧和气体阻隔功能。所制备的独特的“缨束”（TB）结构，PA6基共混物由PA6、纳米片（OMMT）、弹性体（mPOE）和原纤化纤维（PTFE）组成，构建了一个能量耗散网络，而不是仅依赖于单个弹性体界面来吸收能量。TB结构大幅度提升复合体系的韧性，断裂伸长率可达83.5%，气体渗透系数达到0.69×10⁻¹⁶ mol·m/(m²·s·Pa)。提高材料的气体阻隔性能，同时克服材料脆性的缺点，以满足在具有良好阻气性和高韧性的领域的实际应用和加工要求，更广泛地应用在IV型储氢罐内胆等新兴应用领域。

交通运输二氧化碳排放在我国占比约10.4%，其中公路运输排放量占87%，而乘用车和商用车分别占38.5%和61.5%。随着氢燃料电池技术成熟及氢能源生态链、配套设施完善，氢燃料电池汽车有效减少公路运输碳排放，且将率先在商用车上推广。而目前商用车上采用的III型储氢罐采用铝制内胆碳纤维全缠绕，而正在开发的IV型储氢罐采用塑料内胆碳纤维全缠绕，可避免金属氢脆行为，相比III型节约30%的载荷，而且设计储存压力更高。因此，加快高性能IV型储氢罐内胆的设计至关重要。

基于上述背景，东华大学材料科学与工程学院徐洪耀课题组利用mPOE与PTFE构建的特殊“缨束”（TB）结构，设计一种PA6/OMMT/mPOE/PTFE纳米复合材料，希望在提高材料气体阻隔性的同时，克服材料脆性的缺点，实现材料韧性的显著提升，使力学性能满足应用需求，并系统地研究改善材料阻隔性能的机制（图1）。

图1 PA6/OMMT/mPOE/PTFE的气体传输路径

文章通过扩散系数计算来预测形态，对于PA6/mPOE/PTFE三元共混物， mPOE相会沿着PA6和PTFE的界面扩散，并导致以PTFE原纤维为核心成分、mPOE液滴为外壳成分的包封形态。考虑到PTFE在动态熔融混合过程中的原纤化能力，剪切应力将PTFE组分转化为具有部分物理交联的连续纤维网络。此外，即使在相对较低的剂量下，PTFE也形成了具有纳米级直径的纤维结构。大多数纳米原纤维的长轴沿均匀的方向排列，与熔体的流动方向一致。包封机制和原纤维骨架使橡胶相呈椭圆形，其长轴沿流动方向（FD）对齐（图2）。因此，传统的“核壳”结构演变为一种新的TB结构，其中包封的形态不是离散的，而是连续和定向的。对于三元共混物，随着mPOE体积分数的增加，相同或相邻纤维束上的橡胶颗粒的尺寸和数量逐渐增加，随后使橡胶颗粒合并形成渗流结构。

图2 从三元共混物到PA6/mPOE/PTFE的形态演变示意图

文章讨论了TB结构的增韧机制，得益于其特殊的橡胶形态，直接影响聚合物的应力场分布。在PA6/OMMT/mPOE中，mPOE橡胶的分散相呈现出离散的海岛结构。由于反应能力膨胀和橡胶体积分数的影响，局部应力场的重叠是有限的。未完全剥离并与PA6基材团聚的OMMT无机刚性颗粒之间的界面成为应力集中点，加速了裂纹的传播，导致材料过早失效。在PA6/OMMT/mPOE/PTFE中，PTFE纤维化形成的纳米纤维网络占据了与PA6基材界面处的增容共聚物，迫使未反应的mPOE聚集成更大的颗粒，并在PTFE纤维表面扩散以共享增容区域，从而降低了系统的自由能。这种分散机制形成了具有更高纵横比的橡胶颗粒，甚至是穿透结构的连续橡胶相，使材料在应变前具有初步的重叠应力场。另一方面，TB结构导致熔体粘度显著增加，这有助于剪切传递并实现OMMT的完全分离（图3）。

图3 TB结构增韧机制

文章探讨了由PTFE纤维和有序排列的OMMT片形成的TB结构协同优化了材料的韧性和阻气性能。在PA6/mPOE/PTFE/OMMT的熔融共混过程中，PTFE发生原纤化，形成高粘度纤维网络，充当“锚点”，阻碍局部熔体流动。当熔体穿过纤维时，流线被破坏，产生更强的局部剪切和拉伸流场，迫使OMMT层平行于流动方向排列。在冷却阶段，PTFE纤维网络因其高熔点而首先固化，形成刚性骨架，将定向OMMT层“锁定”在有序位置，诱导并保持其高度有序的排列（图4）。

图4 气体阻隔机理模型

本文发表在Chinese Journal of Polymer Science, 题目为“Super tough polycaprolactam (PA6)-based blends with gas barrier properties”。吴雪莹博士研究生和林杰龙博士研究生是该论文的第一作者，徐洪耀教授为通讯作者。

Citation

Wu, X. Y.; Lin, J. L.; Xu, H. Y. Super tough polycaprolactam (PA6)-based blends with gas barrier properties. Chinese J. Polym. Sci. https://doi.org/10.1007/s10118-025-3444-1DOI：10.1007/s10118-025-3444-1