基于小分子成核剂的聚烯烃结晶过程调控及高性能化的研究

添加小分子成核剂是一种调控聚合物结晶过程及宏观性能简便而有效的手段和方法。但其调控过程和机制至今尚未明确，因此无法为高性能小分子成核剂的设计筛选和进而为高性能化聚烯烃的制备提供理论指导。本课题拟应用实验和分子模拟相结合的方法从小分子成核剂的多尺度结构构筑方式入手，揭示在聚烯烃结晶过程中小分子成核剂的微纳结构与聚烯烃多尺度结构的匹配关系和调控机制，并对其中的关键科学问题进行系统研究。本课题的完成不仅使我们能够从微观上理解有机小分子和聚合物大分子之间相互作用规律，有助于突破介观尺度的瓶颈；同时为新型小分子成核剂的设计筛选提供理论基础，对聚烯烃材料实现高性能化做出积极的贡献。

聚丙烯因其透明性差、低温易脆断，其次是收缩率大，抗蠕变性差，耐光、热及抗老化性能差，从而影响了其在更广泛领域的应用。通过添加有机小分子成核剂可以改变调控PP结晶过程、微观结构和形态，从而有效地改善PP的宏观性能。但其调控过程和机制至今尚未明确，因此无法为高性能小分子成核剂的设计筛选，进而为高性能化聚烯烃的制备提供理论指导。本基金项目应用实验和分子模拟相结合的方法从小分子成核剂的多尺度结构构筑方式入手，揭示在聚烯烃结晶过程中小分子成核剂的微纳结构与聚烯烃多尺度结构的匹配关系，从而揭示有机小分子成核剂调控PP结晶过程和机制。本基金项目首先设计合成了3种新型PP成核剂，包括一种PPα晶型成核剂降冰片烯苄酰胺酸钠（BHBC11）和2种PPβ晶型成核剂降冰片烯十二酰胺锌（NBDA-30）、氯桥酸钾（CA-19），并对其进行了结构和性能表征；其次考察了这3种新型成核剂对PP结晶性能、宏观力学性能和非等温结晶动力学的影响规律；在此基础上进一步研究了加工助剂（硬脂酸钙）与山梨醇缩醛类成核剂在PP中协同成核作用规律；然后，通过研究了各种磷酸酯/酰胺、磷酸酯/羧酸盐、山梨醇/酰胺、山梨醇/羧酸盐α/β复合成核剂对PP晶型结构和宏观力学性能的影响，得出了α/β复合成核剂的作用规律：即α/β复合成核剂对iPP的结晶峰值温度、晶型结构、力学性能的影响都与复合体系中结晶峰值温度较高的单一成核剂相似，在α/β复合成核剂体系中，两种成核剂竞争成核，结晶峰值温度较高的成核剂在结晶过程中起主导地位，而结晶峰值温度较低的成核剂成核作用较小或基本不起成核作用，基于此建立了一种复合α、β成核剂的评价方法，即通过调节两种成核剂的复合比例使得复合体系中两种成核剂所对应的结晶峰值温度相等时，即Min(△Tcαβ=∣△Tcα-△Tcβ∣)，这时α、β两种成核剂在iPP结晶过程中能够同时发挥作用，协同增效，达到iPP增刚和增韧的双重效果。最后，应用了二维红外研究了山梨醇缩醛类成核剂与iPP分子链段间的相互作用，并通过培养单晶及分子模拟相结合的方法研究了成核剂NA03与iPP附生结晶行为，探讨了成核剂的作用机理。以上研究结果将使我们能够更深入的从微观上理解有机小分子和聚合物大分子之间相互作用规律，为新型小分子成核剂的设计筛选提供理论基础，对聚烯烃材料实现高性能化做出积极的贡献。