长支链聚丙烯的超临界CO2反应挤出制备及其分子结构沿程演变与控制

本项目以聚丙烯/过氧化引发剂/多功能单体为反应体系，采用反应挤出法制备长支链聚丙烯。挤出过程中，对沿螺杆轴向不同位置反应产物（包括未端制品）的分子结构和流变行为进行分析，研究反应产物的分子结构和流变行为在挤出机中的沿程演变，揭示反应产物分子结构的沿程演变机理。利用数值模拟分析各种螺杆元件的加工特点，根据模拟结果和反应挤出特点组合不同的螺杆结构用于挤出实验，研究螺杆结构和挤出工艺参数对反应产物的分子结构和流变行为及其在挤出机中沿程演变的影响及影响机理。同时，基于超临界CO2与聚合物熔体的特殊作用机理，在挤出过程中引入超临界CO2以降低反应挤出温度增强支化反应，并研究超临界CO2引入条件和挤出温度对制品的分子结构和流变行为的影响及影响机理，探讨超临界CO2在挤出过程中的作用机理。最后，综合研究结果分析反应挤出条件-制品分子结构-制品流变行为的内在联系，科学优化反应挤出条件控制制品分子结构。

普通工业生产PP均为线形PP，其分子量分布相对较窄，熔体强度较低。在PP分子链中引入长支链可以显著提高其熔体强度，从而克服PP在成型过程中出现的一系列问题。本项目以聚丙烯/过氧化引发剂/多功能单体为反应体系，采用反应挤出法制备长支链聚丙烯（LCB-PP），并在反应挤出过程中引入环境友好的超临界CO2（sc-CO2）以提高LCB-PP的支化水平及熔体强度。本项目研究了过氧化引发剂分和多功能单体的分子结构及sc-CO2含量对制备的LCB-PP的熔体流变性能和分子结构的影响及影响机理，阐明了挤出过程中sc-CO2的作用机理；研究了反应挤出参数（温度和螺杆转速）对制备的LCB-PP的熔体强度和流变行为的影响及影响机理；研究了挤出过程中沿螺杆轴向不同位置反应产物的分子结构和流变行为；最后，分析了反应挤出条件-制品分子结构-制品流变行为的内在联系。研究结果发现：1)半衰期温度较低，分解后能产生稳定自由基的过氧化物适合用于制备LCB-PP；具有短链的双官能团多功能单体适合用于反应挤出制备LCB-PP，但其沸点必须高于反应挤出温度，分子中带有活性基团影响其在PP熔体中分散；2）sc-CO2能够显著改善LCB-PP的长支链支化水平，制备的LCB-PP的弹性响应、熔体强度和应变硬化特性随sc-CO2添加量增加而增加，这主要是由于反应挤出过程sc-CO2能够起到类似塑化剂的作用，从而降低PP黏度和提高过氧化物和多功能单体在PP熔体中的分散性; 3）与PP-g-MA相比，sc-CO2更能显著改善纳米粘土的分散性及提高纳米复合材料的力学性能; 4 )挤出温度是熔体流动速率主要的影响因素，而螺杆转速的影响则相对较小; 5) 沿程变化发现，沿着螺杆方向取出反应挤出产物的熔体粘弹性及弹性响应随着挤出过程先升高后降低，在螺杆中段取出的反应挤出产物具有最高的熔体粘弹性，说明其具有最高的支化水平，这主要是挤出初期温度较低，以接枝反应为主，螺杆尾端挤出温度和熔体压力较大，以降解反应为主。本项目首次在反应挤出过程中引入Sc-CO2来提高制备的LCB-PP的熔体强度和长链支化水平，首次从分子结构角度考虑过氧化物和多功能单体对制备的LCB-PP熔体性能和支化水平的影响及影响机理；首次在反应挤出过程中研究螺杆沿程反应产物的分子结构和流变行为。因此本项目的顺利完成对制备LCB-PP及sc-CO2应用具有重要的意义。