基于反应挤出和原位添加成核剂的高熔体强度聚丙烯制备以及超临界二氧化碳发泡行为和机理的研究

The investigation of high strength polypropylene (HMSPP) foaming with supercritical carbon dioxide has become a research focus. But our country is still not achieve industrialization and the challenge is that the preparation techniques of HMSPP with a high bubble nucleation efficiency is not mature. Meanwhile, supercritical carbon dioxide foaming behavior and mechanism is not clear. The project first proposed the concept of bifunctional crystallization and bubble nucleating agent based on our study of bubble nucleating agents and crystallization nucleating agents. Then we put forward that the bifunctional nucleating agent is used to increase bubble nucleation efficiency and control micromorphology and crystal stucture of HMSPP and further to improve their application performance. To avoid decrease of the melt strength of HMSPP induced from the secondary processing of adding nucleating agent, we proposed the preparation technique of high melt strength polypropylene based on reactive extrusion and in-situ addition of nucleating agents. Then the foaming behavior and the mechanism of nucleated HMSPP foaming with supercritical carbon dioxide is investigated. The project not only enriches the theory of polypropylene foam system, but also provides a theotetical guidance to the preparation of high-performance HMSPP and foaming equipment and process design.

以高熔体强度聚丙烯(HMSPP)为基体树脂进行超临界二氧化碳发泡已成为聚丙烯发泡领域的研究重点和热点。但当前我国仍没有实现工业化，所遇到的挑战是具有高泡孔成核效率的HMSPP的制备技术不成熟以及超临界二氧化碳发泡行为和机理不清楚。本课题基于我们对聚丙烯结晶成核剂、发泡成核剂以及HMSPP制备研究，首次提出发泡结晶双功能成核剂的概念。提出应用此成核剂既作为发泡成核剂提高泡孔成核效率，同时作为结晶成核剂调控HMSPP晶体的微观形态和晶型结构，两者协同调控其宏观应用性能的思想。为避免添加成核剂所进行的二次加工带来的熔体强度降低等不利影响，进一步提出基于反应挤出法制备HMSPP的过程中原位添加成核剂的思想。进而剖析成核HMSPP超临界二氧化碳发泡行为和泡孔成核生长机理。本项目的完成不仅丰富了聚丙烯发泡的理论体系，同时对于高性能HMSPP的制备以及发泡设备和工艺设计提供了理论指导。

聚丙烯（PP）泡沫具有良好的机械性能、热性能、可降解性和化学稳定性，是一种可以替代聚苯乙烯和聚乙烯等泡沫的新型环保泡沫材料。但通用PP树脂具有线性的长链大分子结构和较高的结晶倾向，导致其熔体强度低、耐熔垂性能差且没有应变硬化效应，因此在发泡过程中容易出现泡孔破裂、塌陷等问题，难以得到性能优异的PP泡沫材料，从而限制了PP在发泡领域的应用。对此，我们开发一种适于工业化生产的可发泡高熔体强度聚丙烯（HMSPP）的制备工艺。.本课题通过对聚丙烯结晶成核剂、发泡成核剂以及HMSPP的研究，提出了结晶发泡双功能成核剂，揭示了发泡成核剂既能提高泡孔效率，又能调控聚丙烯晶体微观形态和晶型结构的机理，并应用其调控聚丙烯宏观应用性能。同时，并进一步结合反应挤出法提出原位添加成核剂，剖析了成核HMSPP超临界二氧化碳发泡行为和泡孔成核生长机理。.首先利用添加接枝单体，同时掺杂硅油或山梨醇类成核剂，经反应挤出过程成功制备了发泡性能好、加工性能优异的可发泡PP树脂，该工艺简单易行，是一种极具工业化应用前景的制备工艺。并发现了二甲基硅油在苯乙烯接枝型聚丙烯（PP-St）的发泡过程中，起促进泡孔成核作用的根本原因是：引入了表面张力低的异相泡孔成核质点。.其次选用了乙烯基聚二甲基硅氧烷为第一接枝单体，苯乙烯为第二接枝单体，在引发剂过氧化苯甲酰的作用下，通过一步反应挤出法制备得到无凝胶的HMSPP。接着探索了成核剂对HMSPP力学性能、结晶性能与发泡性能的影响，提出并验证了原位添加法制备的成核剂在聚丙烯中的分散成核机理。.最后以成核剂作为泡孔成核剂，促进了气泡核的形成，改善了聚丙烯的结晶行为，提高了其力学性能，制备具有高膨胀倍率高泡孔密度的聚丙烯泡沫，并提出了成核剂在聚丙烯发泡过程中的成核阶段、泡孔生长阶段和泡孔固定三个阶段作用及其发泡成核机理。本项目的完成不仅丰富了聚丙烯发泡的理论体系，同时对于高性能 HMSPP的制备以及发泡设备和工艺设计提供了理论指导。