炭黑界面层微观结构控制及其对聚乙烯增强增韧的作用机理研究

无机纳米粒子增强增韧聚烯烃方法在工业上广泛应用，但是缺乏系统理论支撑，本课题提出了该方法的理论假设，并设计实例进行验证，将促进聚烯烃复合材料的结构与性能关系共性理论的发展，并为深入开发高性能聚烯烃提供理论依据。理论假设：1)炭黑与基体间界面层由分子链活性较高的松散层和分子链活性较低的紧密层组成，其厚度可以调节；2)界面层内松散层网络对微空洞和银纹的形成、扩展及钝化起主要作用；紧密层的塑性形变对冲击能量耗散也起到作用。拟制研究路径：借助热机械作用，在非溶液体系中降解基体聚乙烯接枝到炭黑表面，制备在聚乙烯基体内高度分散的接枝炭黑；并通过控制接枝率，调节炭黑与基体间的松散层与紧密层的厚度；结合应力能函数，采用有限元方法计算界面层内应力分布，并计算松散层与紧密层吸收的应变自由能；从而定量分析松散层与紧密层各自以及组合状态下对应力分散及能量耗散的贡献度。为聚烯烃增强增韧理论建立一个定量的系统解释。

聚烯烃是目前应用范围最广、产量最大的一类高分子材料，我国聚烯烃每年有二千多万吨市场需求，直接产品产值数千亿元和间接产品产值数万亿元，其中一半依赖进口。我国每年进口聚烯烃产品需花费数百亿美元，其中主要为高性能聚烯烃专用料， 如目前我国承压煤气管和水管市场急需（需求量超过100万吨以上）的高等级PE100级聚乙烯管材料及用于改善其抗紫外性的添加剂――聚乙烯炭黑母粒产品仍完全依赖进口，即使在通用聚烯烃产品领域我国也面临来自中东超低成本产品的严峻挑战，为了打破国外在高性能聚烯烃领域的技术垄断和封锁，开发“高性能聚烯烃技术”是我国聚烯烃工业发展的必然出路。通过与有机或无机粒子复合来增强和增韧是实现聚烯烃高性能化的有效手段之一，在工业上广泛应用，但缺乏系统理论支撑。因此，本课题提出该方法的理论假设，并设计实例进行验证，将促进聚烯烃复合材料的结构与性能关系共性理论的发展，并为深入开发高性能聚烯烃提供理论依据。.本项目通过热机械降解基体聚乙烯分子链改变炭黑表面活性，从而控制松散层和紧密层的厚度，同时，开发了聚合物结晶行为的分子动力学研究方法，借助实验研究和分子动力学模拟结合的方法来研究基体聚乙烯及界面层聚乙烯的结晶行为、界面相容性，及其对钝化银纹及应力分散所起的重要作用。本课题将炭黑的分散、多功能集成化与相界面的设计结合在一起考虑，成功开发了优于目前国际国内市场的PE100管材专用工业炭黑母粒的接枝炭黑母粒（最大粒径小于100 nm），从而有效地提高聚乙烯（如PE100级管材）的综合性能，尤其是超声波辅助双螺杆挤出设备制备的炭黑母粒工艺简单，重复性非常好，目前正在中试阶段，有望替代目前市场上的PE100管材用工业级炭黑母粒。这也是本课题的独到之处，本课题是一个具有一定的科学价值和应用前景的原创性课题。本项目在此研究成果的基础上，共计在国内外学术期刊上发表学术论文6篇，国内外会议论文5篇，申请中国发明专利4项，同时正在培养博士研究生1名，硕士研究生6名，并注重培育与国内外同行的合作交流，举办1次国内学术会议，4人次参加2次国际学术会议，获得中央高校基本科研业务探索项目1项，及3项企业项目资助。