聚硅氧烷接枝聚乙烯的高效合成及应用研究

Polyethylene (PE) is a carbon-based crystalline polymer, while polysiloxane (PSI) is a semi-inorganic polymer with a flexible siloxane (Si-O) backbone. Polysiloxane graft polyethylene (PSI-g-PE) can synergistically combine the disparate distinctive properties obtained separately in PE and PSI, and, therefore, shows great potentials in preparing high-performance polymeric materials. However, reports concerning the syntheses and applications of PSI-g-PE are rare to date. Meanwhile, existing approaches to synthesize PSI-g-PE often suffer from distinct drawbacks, including ill-defined structures of graft copolymers and/or tedious and labor-consuming procedures. We intent to synthesize PSI-g-PE with functional side groups (phenyl and fluorocarbon), via hetero-functional condensation between dimethoxysilane terminated PE and α,ω-silanol terminated siloxane oligomers. The proposed approach, featured by its mild condition, high selectivity and efficiency, is a convenient avenue to prepare well-defined PSI-g-PE in large scale. Accordingly, the potential applications of PSI-g-PE with fine-tuned structures and optimized properties will be explored as compatibilizer, surface modifier and polymer processing aid. The successful implementation of this project will broaden the ideas and approaches of synthesizing PSI-g-PE and enrich the knowledge of the structure-property relationships of PSI-g-PE, which will further lay the theoretical bases for the applications of PSI-g-PE.

聚乙烯（Polyethylene，PE）是碳基结晶性聚合物，聚硅氧烷（Polysiloxane，PSI）是具有柔性Si-O键主链的半无机高分子。聚硅氧烷接枝聚乙烯（PSI-g-PE）兼具PE与PSI的优异理化性质，在制备高性能高分子材料方面具有重要应用。目前，文献中关于PSI-g-PE的合成及应用研究十分有限，且现有路径存在产物结构不明确或/和步骤繁琐等不足。本项目拟利用二甲基硅氧烷封端PE与α,ω-硅羟基硅氧烷寡聚物之间的异官能团缩合反应，合成带有功能侧基（苯基、氟碳基）的PSI-g-PE。该合成路径温和、高效，适用于结构明确PSI-g-PE的宏量合成。进一步，研究经结构调控及性能优化的PSI-g-PE在增容剂、表面改性剂、加工助剂等方面的应用。项目的成功实施，将在创新PSI-g-PE合成路径、丰富PSI-g-PE构效关系等方面取得突破，为PSI-g-PE的应用奠定理论基础。

聚烯烃功能化改性是获得高性价比新材料的有效途径。有机硅聚合物具有特殊的理化性质；因而，与传统功能化聚烯烃相比，聚烯烃/聚硅氧烷接枝共聚物具有优异性能，成为一类有代表性的功能化聚烯烃,在多个领域具有重要潜在应用（如增容剂、加工助剂、表面改性剂）。基于本项目，发展了新颖异官能团缩合或硅氧烷平衡反应路线，合成了多种聚硅氧烷接枝聚乙烯（类似物）；明确表征了所合成接枝共聚物的化学结构，建立了反应条件与所得产物结构参数之间的规律。首先，通过二甲氧基硅烷封端聚乙烯DMS-PE与硅醇封端硅氧烷齐聚物PDMS-diol之间的甲氧基硅烷/硅醇异官能团缩合反应，合成了结构明确、结构参数可调的聚硅氧烷接枝聚乙烯PDMS-g-PE。其次，通过商品化C30-45长链烷基硅氧烷AMS-C30与硅醇封端硅氧烷齐聚物之间的一步硅氧烷平衡反应，合成了两种聚硅氧烷接枝聚乙烯类似物（PDMS-g-PEw）；基于研究结果，提出了硅氧烷平衡反应合成PDMS-g-PEw的详细反应机理。SEM表征表明，PDMS-g-PE或PDMS-g-PEw均可作为高效增容剂增容PE/PDMS共混体系。通过端氨基PDMS与马来酸酐接枝聚丙烯之间的高效偶联反应，合成了具有高PDMS含量的聚丙烯接枝聚硅氧烷PP-g-PDMS。SEM测试表明，PP-g-PDMS可作为不相容PP/PDMS共混体系高效增容剂；流变测试表明，PP-g-PDMS可作为流变加工助剂显著降低PP体系粘度。具有与PDMS-g-PE及笼型倍半硅氧烷具有类似化学结构的低成本C30-45长链烷基改性倍半硅氧烷（C30PSS），被用作功能助剂改性普通聚乙烯。C30-45长链烷基使得C30PSS可均匀分散于PE基体中，并显著降低PE的复数粘度。与纯聚乙烯相比，PE/C30PSS复合材料力学性能明显提升。总之，本项目发展了多种PDMS-g-PE、PDMS-g-PEw及PP-g-PDMS的高效、易操作合成路径，明确了接枝共聚物合成机理；进一步，探索了所得接枝共聚物及C30PSS作为增容剂、加工助剂等功能助剂，在发展新型聚烯烃材料领域的应用。通过本项目的顺利实施，在创新聚硅氧烷接枝聚乙烯、聚丙烯接枝聚硅氧烷的合成路径、丰富聚聚硅氧烷接枝聚乙烯、聚丙烯接枝聚硅氧烷构效关系等方面取得了一定突破，为聚硅氧烷/聚烯烃接枝共聚物的应用奠定了理论基础。