晶体结构可控的超分子成核剂调控聚乳酸结晶过程研究

Polylactic acid (PLA), as a kind of biodegradable and renewable polymer, can meet the increasingly environmental requirements. So it is considered as the ideal substitute to petroleum base plastic. However, the crystallization rate of PLA is not satisfied, which affects the performance of PLA products. Adding nucleating agents(NAs) is the most common way to improve crystallization ability of PLA. But NAs for PLA used now were discovered randomly and there is no rules to follow.We proposed a new way obtaining supermolecular NA for PLA based on the epitaxial crystallization mechanism. That is to adjust the cyrstal structure of supermolecular NA by introducing different guest molecules, which aims to matching the crystal structure with polylactic acid. The objective of this study is to reveal the relationship between crystal structure and nucleation effect of supermolecular NAs and screening out the best supermolecular NA for polylactic acid as well. The study can make the process of screening the nucleating agent becomes more rapid, simpler, which will be a great progress in molecular designing and screening theory for nucleating agent. By then we can develop the NA for PLA with independent intellectual property rights, improve the polylactic acid properties and laid the theoretical and experimental basis on large-scale application for PLA.

聚乳酸作为一种可降解和可再生的聚合物能够应对满足日益严苛的环保要求，是理想的石油基塑料替代品之一。然而，聚乳酸存在结晶速率慢的缺点，影响了其最终制品的性能，限制了其更广泛的应用。改善聚乳酸结晶行为最常用的手段是添加成核剂。但目前聚乳酸成核剂的发现过程均具有偶然性、随机性，并无规律可循。本项目以附生结晶机理为理论依据，提出利用超分子组装成核剂晶体的特征轴长度可控这一特点，通过引入不同的客体分子，调节超分子成核剂的晶体结构，使之与聚乳酸晶体结构之间相匹配，以达到最佳的成核效率为导向。目的为揭示超分子成核剂的结构与聚乳酸晶体结构之间的构效关系，筛选出成核效果最佳的聚乳酸用超分子成核剂，调控聚乳酸的结晶过程。本课题的完成能够使得筛选这一类成核剂的过程变得更加快速、简单，对于成核剂分子设计及筛选理论上将是一大进步，为我国开发拥有自主知识产权的成核剂，提高聚乳酸性能，实现大规模广泛应用奠定理论及实验基

通过对聚乳酸晶体结构的调控来改善其性能是目前最为常用的技术。本研究对叔丁基杯[8]芳烃（tBC8）、对叔丁基杯[6]芳烃（tBC6）和对叔丁基杯[4]芳烃（tBC4）及α、β、γ几种主体分子，并通过主客体包合反应，与不同溶剂客体分子自组装形成超分子包合物。考察其对聚乳酸（PLLA）结晶性能的影响。结果表明tBC8与客体分子自组装后，显示出优异的成核效果。例如tBC8-t、tBC8-eb成核PLLA的Tp为132.5℃、134.4℃，效果均高于传统成核剂滑石粉。客体分子的尺寸对tBC8体系自组装成核剂的成核性能强弱有很大影响，随着客体分子苯环上烷基取代基的延长，Tp先逐渐增大，而后降低，当客体为乙苯时，Tp达到最大值。客体分子未能起到调节其他主客体包合物晶体结构进而改变其对PLLA成核能力的作用。包合物在经历样品制备的高温，客体小分子逃逸后，恢复相同的晶体结构，对PLLA显示出相同的成核能力。.项目揭示了超分子成核剂调控聚乳酸结晶的过程和机理，并为此类成核剂的分子设计及筛选提供可靠的理论依据，使这一过程更加快速、简单。同时，项目开发的新型成核剂，能够显著提高聚乳酸的结晶性能，效果超过现常用的商品化成核剂滑石粉，具有一定的推广应用价值。项目研究成果申请国家发明专利3项，共发表论文17篇，会议论文1篇，超额完成预期目标。项目执行期间，负责人进一步获得包括国家高科技研究发展计划等4项纵向项目资助，并与沙伯基础化学展开合作1项。此外，负责人凭借成核剂方面的创新以第3完成人身份于2014年4月获上海市技术发明一等奖1项。