由强剪切应力场引发的高接枝率聚烯烃接枝马来酸酐极性基团的熔融挤出研究

This paper in-depth study of the mechanism of the chain scission, grafting and crosslinking of polyolefin materials under strong shear stress fields produced by the extrusion device. Polyolefin active free radicals generated by the mechanochemical device graft with the amount of polar groups such as maleic anhydride at a certain temperature conditions, in order to achieve the mechanochemical grafting reaction without peroxide initiator, the graft rate can be improved by adjusting the intensity of shear stress. Strong shear stress can give priority to the chain scission of the long-chain macromolecule, and therefore the molecular weight of the graft masterbatch of the hot melt adhesive obtain a narrow distribution, in order to produce the optimization and uniformly bonding effect; the reason of the black and yellow dots of the hot melt adhesive is the peroxide initiator, therefore, polyolefin hot melt adhesive prepared by no peroxide mechanochemical reaction graft has a good appearance, high bond strength, stored a long time and so. In summary, the research of this subject may be a new way of thinking for the production of high-performance hot melt adhesive.

本课题拟通过能够产生强力剪切应力的挤出装置深入研究聚烯烃材料在强剪切应力作用下所产生的断链、接枝、交联等力化学反应现象及机理。利用该力化学反应机理所产生的聚烯烃活性自由基与适量的马来酸酐等极性基团在一定的温度条件下产生接枝反应，从而实现了无过氧化物引发剂的极性基团力化学接枝反应，并可通过调整剪切应力强度来提高接枝率。强烈的剪切应力可以优先实现对长链大分子的断链，因此制得的热熔胶接枝母料中聚合物分子量分布更窄，所生产的接枝母料能够在热熔胶中更优化和均匀的产生粘结效果；过氧化物引发剂是接枝母料和聚烯烃热熔胶产品中出现黄点、黑点的根源，因此无过氧化物的力化学反应接枝法制备的接枝母料和聚烯烃热熔胶具有外观质量好、粘结强度高、存放时间长等特点。综上所述，本课题的研究可能为高性能的热熔胶的生产制备创造一条新的思路。

本课题将螺旋剪切与磨盘式力化学反应器结合，研发了一种强剪切力化学反应装置。以高分子熔融机理与中点断裂理论为理论基础，运用数值仿真方法分析强剪切力化学反应装置的螺杆与料筒结构的变化对其流场内的聚合物运动轨迹及其所受剪切应力，以此为依据得出该反应装置核心部件螺杆与料筒结构最优值。并综合考虑聚合物在流场内运动过程中的剪切速率、停留时间以及整体拉伸效率等参数，得出该反应装置的螺杆与料筒结构的最终参数。为了对聚合物经该装置剪切后的断链效果做出评价。本课题组基于POLYFLOW软件与Materials studio软件对该装置内部流场进行有限元和分子动力学仿真。并以结合熔融理论及中点断裂理论推导出的高分子断链理论为理论依据，得出给定分子量聚合物经剪切断裂后数均分子量计算方法。通过此方法研究温度与转速对断裂过程的影响，预测聚合物断裂后分子量分布，为强剪切力化学反应装置的实验结果及生产工艺提供理论指导。. 本课题组根据最优方案制造了实验样机。以GPPS152P为原材料，在不同转速和温度下进行剪切实验。实验测定样本的熔体质量流动速率（MFR）增大，进而计算得出样本分子量减小。说明了该装置是具有剪切效果的。通过对样本进行,凝胶渗透色谱（GPC）测试，分析了不同温度与转速时样本剪切后融指数变化得出：剪切速度提高有利于剪切后样本重均分子量减小，分子量分布变窄；同时剪切温度降低，会使断链效果明显，数均分子量变小，导致分布变宽。. 本课题所提出的强剪切力化学反应装置能使聚合物高分子发生断链为接枝改性提供所需自由基团。且数值模拟与实验结果均证明该设备具有良好的混合性能，这说明该设备在为聚合物高分子力化学断链接枝提供诱导机械应力场的同时也利于接枝反应的充分进行。此外，本课题基于POLYFLOW与Material Studio软件对熔融态聚合物断链过程进行仿真，针对对剪切后的分子量分布提出了理论预测方法。