高效高选择性聚丙烯β晶型成核剂的设计制备及其诱导聚丙烯晶型转变机理

添加β晶型成核剂已成为公认的能够获得高含量β晶型聚丙烯最有效的途径。但目前所发现的β晶成核剂在工业加工条件下大多选择性不高，稳定性较差，这给β晶聚丙烯的应用和发展带来了极大的制约，而从微观上理解聚丙烯晶型转变机理是设计制备高效高选择性的β晶成核剂的关键所在。所以本课题基于我们的研究发现和积累，设计制备一系列β晶成核剂，考察其成核效果和选择性，研究影响其效果和选择性的因素。然后设计实验考察β晶成核剂在诱导聚丙烯晶型转变过程中分子结构和界面能的变化规律，聚丙烯各种晶型形成的顺序和相对生长速度，从结晶推动力和晶体生长动力学角度揭示其诱导聚丙烯晶型转变的机理。并首次应用分子模拟来研究β晶成核剂诱导聚丙烯晶型转变的过程和机理，并与实验研究结果相互验证，在此基础上建立能够准确预测β晶成核剂效率和选择性的方法。本项目的完成不仅为聚丙烯新型成核剂的结构设计提供理论指导，同时为聚丙烯的高性能化提供技术支持。

β晶型聚丙烯(β-PP)由于较α晶型PP易拉伸，有较高的热变形温度，特别是韧性大幅度提高，其应用越来越受到人们的重视。但β晶型在热力学范畴是一种不很稳定、在通常条件下难以获得和保持的晶型。添加β晶成核剂是目前公认的，能够得到高含量β晶的最有效途径。而目前发现的β成核剂种类较少且存在抗冲击强度提高幅度不大、成核效率不高、易着色和合成工艺复杂等不足，工业应用受到限制，因此开发高效稳定的β晶成核剂具有重要意义。但是由于β晶型成核剂诱导聚丙烯晶型转变的机理不明确，成核剂的开发缺乏理论指导。. 本课题通过对现有成核剂的结构分析，同时结合我国乙烯裂解副产物碳五馏分的应用现状以及精细化高附加值应用的发展趋势，以碳五馏分中环戊二烯为原料，将环戊二烯与顺丁烯二酸酐反应生成降冰片烯二酸酐，然后设计合成了同时具有酰胺和羧基这两种官能团的新型聚丙烯成核剂－降冰片烯酰胺酸盐类成核剂。同时以环戊二烯的衍生物－氯桥酸酐为原料设计合成了兼具成核和阻燃的双功能成核剂，并在此基础上进一步研究了晶型转变机理。. 首先选择了脂肪胺十二胺与降冰片烯二酸酐反应合成了降冰片烯十二酰胺酸，然后应用酸碱中和反应以及复分解反应合成了降冰片烯十二酰胺酸锂、钠、钾、镁、钙、锌、钡和铝盐，共8种酰胺酸盐。考察了其对聚丙烯力学性能、光学性能以及结晶行为的影响，筛选出一种有效的β晶型成核剂－降冰片烯十二酰胺酸锌盐（NBDA-30）。结果表明NBDA-30能够诱导的β晶含量达到81.7％，能够使聚丙烯的抗冲击强度提高3倍以上。. 其次，以氯桥酸酐为原料，设计合成了氯桥酸锂、钠、钾、镁、钙、锌、钡和铝盐，共8种羧酸盐，由于其具有高氯含量的结构，期望其兼具成核和提高聚丙烯热稳定性双重作用。考察了其对聚丙烯力学性能、光学性能、结晶行为以及热稳定性的影响，研究首次发现一价羧酸金属盐氯桥酸钾盐（CA-19）能够诱导聚丙烯产生β晶型，其抗冲击强度提高了2倍，同时CA-19能够显著改善聚丙烯的热稳定性，使其成为双功能的成核剂。. 最后，基于以上两种β晶型成核剂，研究其在聚丙烯中的结晶动力学，从动力学角度揭示了成核剂的异相成核机理。同时，对NBDA-30诱导聚丙烯晶型转变机理进行了详细研究，目前已经取得了可喜的进展，研究成果有待发表。同时基于已有的实验数据，应用模拟软件对成核剂的成核机理进行了探索。