含低维碳纳米粒子-聚丙烯分子刷的高熔体强度聚丙烯研究

作为使用广泛的五大通用塑料之一，聚丙烯（iPP）由于熔体强度低限制了其在发泡、吹膜、热成型等领域的使用。本项目通过功能化的低维碳纳米粒子（碳纳米管和石墨烯）与GMA接枝的iPP之间的化学桥接，制备以碳纳米管和石墨烯为骨架的iPP分子刷。分子刷中碳纳米管和石墨烯作为缠结中心与分子刷中的iPP分子链是不可解缠的，而iPP支链与基体又完全相容，从而可限制熔体中线性分子之间的相对滑移，故可制备出高熔体强度PP（HMSPP）材料。借助碳纳米管和石墨烯优异的力学，电学及热学性能，可进一步获得HMSPP的抗静电等功能性。重点研究碳纳米管和石墨烯的可控功能化、碳纳米管/iPP和石墨烯/iPP分子刷的结构调控。第一项由处理剂的类型、浓度、处理时间、温度等控制官能基团的种类和数量；第二项由GMA在iPP上的接枝率和iPP分子链长度决定。最后还将考察HMSPP的流变性能和发泡特性与分子刷的结构和填充量之间的关系

作为一种使用广泛的通用塑料，聚丙烯（PP）具有优良的综合性能。但是，PP如果用于发泡和吹膜成型，必须对其改性，以提高其熔体强度。本项目拟利用碳纳米管（CNTs）改善PP的熔体强度，故首先研究了碳纳米粒子对聚合物结晶动力学影响。结果显示CNTs和石墨烯（GNSs）都可作为高效的异相成核剂促进等规聚丙烯（iPP）结晶，而CNTs的成核能力更强。同时，由于CNT网络结构在iPP基体中更加紧密，对iPP有更加显著的限制效应，因此超过饱和浓度后，CNT/iPP复合材料的结晶速率下降更明显。通过将PP分子链接枝CNTs，制备了CNT-g-PP 分子刷。利用此分子刷提高了PP的熔体强度，改善了PP的发泡性能。熔体的流变性能显示CNT-g-PP的加入使PP熔体的储能模量得到了明显提高，说明熔体中的CNTs与基体分子链之间存在良好的相互作用，CNTs的存在很好地限制了PP分子链的滑移。在CNTs含量为2wt%的体系中，在低频区出现了明显的类固体平台，表明熔体中的CNTs已经构建起了完善的网络结构。熔体模量的提高有利于在发泡过程中稳定泡孔，崩塌较少，使最终制品的泡孔形态更好，泡孔尺寸分布也更均匀，达到了预期目的。CNT-g-PP分子刷的加入还明显改善了最终复合泡沫材料的储能模量和提高其热稳定性。导热性能表明含有CNT-g-PP分子刷的复合泡沫材料的导热系数低于纯PP泡沫材料，这使此复合泡沫材料在绝热材料领域表现出来广阔的应用前景。另外，此项目还对以下三个方面开展了延展研究：通过原位聚合方法在可膨胀石墨（EG）表面包覆一层活性聚合物-三聚氰胺甲醛树脂，在提高EG 膨胀倍率的同时改善EG与硬质聚氨酯（RPU）基体材料的相容性，从而同时改善硬质聚氨酯泡沫（RPUF）的阻燃性能与力学性能；利用双逾渗隔离结构制备了具有超低逾渗值的炭黑填充导电聚合物和石墨烯填充的导电聚合物；通过合理设计模具和设置工艺条件，利用无规聚丙烯成功增强增韧了等规聚丙烯，同时也高效利用了被视为工业废料的无规聚丙烯，保护了环境，节约了资源。