高性能填充β-PP复合材料的制备原理与技术研究

针对目前填充聚丙烯（PP）复合材料都为α-PP基体，冲击强度较低，采用弹性体增韧虽可提高韧性，但引起材料刚性降低。本项目通过研究PP不同填料表面的α-成核作用转化为β-成核作用的科学问题，解决实现填料表面α-成核作用转变为β-成核作用的技术问题，为低成本制备具有高效β-成核作用的填料（简称β-填料）提供科学与技术依据。通过研究β-填料与PP复合制备高韧性的填充β-PP复合材料中β-PP形成的科学问题，解决高性能填充β-PP复合材料的制备技术问题，为低成本制备高性能填充β-PP复合材料提供科学与技术依据。通过不同填料表面成核作用的转变，探索填充PP复合材料中α-和β-成核机理相互转变的规律，为深入研究β-成核机理提供科学依据。本项目实现填料表面α-成核作用转变为β-成核作用和高β-PP含量填充PP复合材料的制备及其研究，具有领先性和创新性，

PP及其填充复合材料主要形成强度和刚性高，韧性和冲击强度低的α-PP，采用高韧性β-PP作为基体是发展高性能PP复合材料的有效途径。但至今填充β-PP复合材料发展很慢，关键问题是填料表面α-成核作用的影响，难于通过添加填料和β-成核剂的方法得到高β-晶含量的填充PP复合材料。针对以上问题，本项目提出负载型β-成核剂概念，依据庚二酸与硬脂酸钙合成庚二酸钙β-成核剂的基本原理，探索了庚二酸与含钙或不含钙填料反应形成庚二酸钙的科学问题和具有β-成核作用填料粒子制备技术，证实了PP常用填料对PP结晶发生了α→β成核机理的转变，发明了一种制备简单、成本低廉、β-成核效率高的填充β-PP制备技术。纳米碳酸钙与庚二酸反应形成庚二酸钙负载在纳米碳酸钙粒子表面，获得具有β-成核作用的纳米碳酸钙。填充PP复合材料中的β-晶含量随着碳酸钙用量增加而提高，获得β-晶含量高于95%的碳酸钙填充PP复合材料。而加入填料和β-成核剂的传统方法制备PP 复合材料的β-晶含量低于50%。为了证实这一技术的普适性，探索了含钙的蒙脱土和硅灰石负载庚二酸钙的科学问题，同样获得具有β-成核作用的蒙脱土和硅灰石，其填充PP中的β-晶含量也随β-蒙脱土用量增加而提高，可制备高填充量高的β-晶含量的填充β-PP复合材料。对于不含钙填料，发现先将填料与庚二酸作用后再与含钙物质反应或引入含钙物质后再与庚二酸反应，都可实现填料表面成核机理α→β转变，而获得具有β-成核作用的填料。如MWCNT与庚二酸作用后，再与乙酸钙反应形成庚二酸钙，可得到高β-成核作用的MWCNT。采用传统方法制备MWCNT填充β-PP材料，难于得到高β-晶含量的复合材料。而β-MWCNT填充可获得95%以上β-晶含量的高填充PP纳米材料，且不受MWCNT用量影响。而分子筛经氯化钙或醋酸钙钙化后，再与庚二酸反应可获得高β-成核作用的β-分子筛。其填充PP材料β-晶含量高达95％。以上研究在国内外发表SCI论文28篇，授权发明专利1件，Scopus-分析搜索结果显示为近几年国际上发表β-PP复合材料论文最多的机构和作者，被国外学者认为做出杰出、开创性的工作。该研究对于发展高韧性PP结构与功能材料和填充β-PP材料低成本产业化具有重要科学意义和实用价值。