一类芳香二酰胺成核剂在聚丙烯熔体中的分散与组装行为及成核机理再认识

For semi-crystalline polymers such as polpypropylene (iPP), crystallization has been proved to be a key factor for final physical properties and mechanical performances. The addition of nucleating agents is a highly effective method to increase the number of crystal nucleus in unit volume of polymer melt and therefore draws great interest from both academia and industry. As for most nucleating agents, the real structure of nucleating agent to induce the nucleation in polymer melt is far away from that of their original state before adding into matrix. Despite decades of research, some fundamental problems in nucleation mechanism of nucleating agent still remain mysterious. In order to determine the relatively precise structure of nucleating agent in polymer melt toward a further understanding on their nucleating mechanism, in this work, the structural evolution process of a series of aromatic bisamide nucleating agents will be systematically investigated. After clarifying the fact that whether these agents may be molecularly dissolved in iPP melt, the “dissolution” or dispersion process of the agents during heating and the supramolecular self-assembly behavior during cooling will be explored. By comparatively studying the self-assembly structure of the agent in melt as well as corresponding nucleation effectiveness, it is possible to achieve more deeply understanding on the relationship between nucleation effectiveness of the nucleating agents and their multi-scale self-assembly structures.

基于结晶理论在高分子科学中的重要地位及成核剂在工业应用上的重要性，深入理解成核剂发挥功效的物理机制具有十分重要的学术及应用价值。成核剂在高分子熔体中诱导成核时的超分子组装体结构与其成核效果密切相关。对于大多数成核剂在高分子熔体中的聚集结构与其加入基体前的“初始”结构不同，因此，仅从其化学结构、晶胞参数等层面理解其成核作用并不全面。本项目以一类芳香二酰胺β成核剂为对象，澄清此类成核剂能否溶解于等规聚丙烯(iPP)熔体这一基本问题，并系统研究升温过程成核剂在熔体中的分散行为和降温过程的自组装行为及各自的物理机制，在此基础上研究其在熔体中形成超分子组装体的结构及对iPP结晶行为的影响，弄清组装结构与成核作用之间的可能关系。通过本项目工作，有望全面理解此类成核剂在iPP熔体中结构演化的规律，加深对成核剂不同层次结构与效能之间关系的认识，获得此类成核剂作用机理的新知识，丰富高分子结晶理论的内容。

基于结晶理论在高分子科学中的重要地位及成核剂在工业应用上的重要性，深入理解成核剂发挥功效的物理机理、认识成核剂结构与效能之间的关系，具有重要的学术及应用价值。生产实际中，成核剂通常先与高分子基体进行熔融混合，然后在降温过程诱导熔体大分子结晶而发挥成核作用。考虑到经过熔融混合后，成核剂在高分子熔体中真正发挥成核作用时的聚集结构与其加入基体前的“初始”结构并不相同，因此，深入理解成核剂在高分子熔体中结构演化的过程、弄清诱导成核时成核剂组装结构形成的物理机理及决定组装结构的影响因素，是准确建立成核剂聚集结构与效能之间关系、全面理解成核剂作用机理的基础。本项目以一类结构明确的芳香二酰胺β成核剂在等规聚丙烯(iPP)熔体中结构演化的规律及结构效能关系为主要研究内容，(1)通过系统研究此类成核剂在iPP熔体升温过程中的分散行为和降温过程中的自组装行为，证明其在iPP熔体中的分散是一种焓驱动氢键解离形成自由成核剂分子的过程，而聚集过程是一种氢键导向的自组装过程，涉及氢键减弱、解离、环已基构像调整、氢键缔合等变化；(2)弄清了此类成核剂在不同条件(浓度、温度)下形成何种组装结构形貌(点状、针状、树枝状等)与尺寸，取决于体系中成核剂组装体残余与否及多少、自由分子的浓度(即成核剂的相对解离程度)及在体系中的分布、自由分子的扩散能力以及氢键作用的有效范围等因素，本质上是局部分布的成核剂自由分子在氢键导向作用下发生的自组装；(3)发现β成核剂遵从附生结晶机理，但成核效能与成核剂结构、组装体形貌均密切相关，并提出一种从稳定剪切诱导结晶前驱体角度理解成核剂效能的新思路。通过本项目工作，我们对芳香二酰胺为主的成核剂在iPP熔体中结构演化的过程及物理机理形成更为全面的理解，并加深了对成核剂不同层次结构与效能之间关系的认识。这些研究结果不仅丰富了成核剂作用机理的知识，而且对于高效成核剂的开发与应用有重要参考价值。