基于分子动力学模拟的聚丙烯成核剂成核效率演绎及其高效开发研究

Adding nucleating agent is the most effective method to enhance the crystallization Polypropylene, which plays an important role in manufacturing high-performance Polypropylene. There are some weak points in either producing or application of nucleating agent. Thus, it is necessary to develop new types of nucleating agent. However, the study of nucleation mechanism at this stage is limited to the complexity of the crystallization process and the study scale (time and space) that cannot directly observe the microscopic process, resulting unable to establish the appropriate research method to describe the process. So it remains impossible to effectively guide the development of nucleating agents. In this project, we propose to use the computer molecular dynamics to simulate the crystallization process of the polymer under the presence of the nucleating agent, which can let us observe the movement law of the molecules in some time and space scale that cannot be directly detected by the experiment. After deducing the result of simulation, the efficiency of nucleating agent can be obtained. Then once the effectiveness was verified, we can apply this method to predict the nucleation efficiency of different compounds. Through study of this project, it is possible to establish a method to determine the nucleation performance of nucleating agents by simulation and realize the efficient development of nucleating agents, which can avoid large-scale screening that wasting manpower and material resources. It also can lay the foundation for promoting the performance of Polypropylene.

添加成核剂是调控聚丙烯结晶过程最有效的方法，在聚丙烯高性能化研究中具有重要地位。目前使用的成核剂在工业生产和应用过程中都存在问题，有必要开发新型的成核剂。然而，现阶段的成核机理研究限于结晶过程的复杂性及研究尺度（时间、空间）上的局限性，并不能直接观察到这一微观过程，进而也无法建立合适的研究方法对过程进行描述，使研究大都无法有效指导成核剂的开发。本项目针对这一问题，提出采用计算机分子动力学模拟外源物成核剂作用下聚合物结晶过程，借此观察分子在实验无法直接检测的一些时间和空间尺度中的运动规律，将模拟结果经过演绎与宏观成核效率关联，验证其有效性后，推广应用预测不同化合物间的成核效率，实现高效筛选。预期通过本项目的研究，能够建立一套通过模拟计算判断成核剂成核性能的方法，实现成核剂的高效开发。可避免大规模筛选中浪费的大量的人力和物力，同时也为促进聚丙烯高性能化奠定基础。

基于磷酸酯钠盐成核剂分散性提升有利于其在聚丙烯结晶过程中成核性能发挥的特点。在计算模拟的基础上，构筑三种高分散磷酸盐类成核剂，用于聚丙烯的刚性改善。.首先，以磷酸酯钠盐为对研究对象，通过分子筛载体的选择，来构筑基于磷酸酯钠盐的自分散成核体系，并进行其在聚丙烯当中成核性能以及分散成核机理的研究，发现磷酸酯钠盐和分子筛载体的之间的分子间氢键是协同体系具有优良成核性能的关键。.其次，基于原位成核可以有效提升成核体系在聚合物基体当中分散性的特点。在磷酸酯钠盐成核剂前驱体磷酸酯MBP与硬脂酸钠反应可能性计算的基础上，以此二元体系为研究对象，通过其在聚丙烯熔融加工过程中的原位反应构筑自分散磷酸酯钠盐成核剂，改善成核剂的分散性，提高其在聚丙烯当中的成核作用。并在此基础上，以天然强碱弱酸钠盐为研究对象，通过其与MBP在聚丙烯熔融加工过程中反应形成磷酸酯钠盐成核剂来构筑自分散磷酸酯钠盐成核剂，为此类成核剂的设计和制备开拓新的思路。.最后，采用分子动力学模拟对磷酸酯钠盐前驱体磷酸酯MBP与载体之间的相互作用进行计算，发现MBP与载体更容易结合，而有可能抑制MBP由于彼此之间的团聚所导致的成核性能的丧失。基于此，进行自助装成核体系的构筑及其成核性能的表征，发现，MBP与载体之间的相互作用的确有效抑制了磷酸酯MBP的团聚，促使其在载体上进行有效的分散，进而形成与聚丙烯晶格具有良好匹配关系的成核体系，有效提升了其在聚丙烯当中的成核作用。.此三种不同成核体系的成核性能和作用机理的研究为高熔点成核体系的设计和性能提升开拓了新的思路。