聚丙烯/極性聚合物納米合金的可控構造方法

董金勇，劉 源，王 寧

（中國科學院 化學研究所 工程塑料重點實驗室，北京 100190）

合金化是聚丙烯（PP）改性的重要途徑。工業(yè)上非常重要的抗沖共聚聚丙烯（hiPP）即為典型的合金化PP樹脂，它通過在等規(guī)PP基體內(nèi)引入乙丙無規(guī)共聚物（EPR）組分，有效改善了普通PP的抗沖擊性 能［1-5］。本課題組最近在hiPP 的可控聚合方面開展了一些創(chuàng)新的研究，包括：將茂金屬催化劑組分引入高效MgCl2/TiCl4催化體系，從而使hiPP中的EPR組分的結構實現(xiàn)可控［6］；制備納米粒子（硅酸鹽片層和碳納米管等）負載的高效MgCl2/TiCl4催化體系，從而將納米粒子引入hiPP樹脂中，使EPR分散相的相區(qū)融合得到控制［7-8］；通過同步于聚合反應的EPR交聯(lián)，使EPR的生長實現(xiàn)可控，為制備高EPR含量的hiPP樹脂提供了參考［9］。

目前，極性聚合物與PP的合金化在技術上仍存在較大的挑戰(zhàn)，主要因為極性聚合物與PP熱力學不相容，導致極性聚合物在PP基體中難以有效分散，即使添加馬來酸酐等改性劑，效果也非常有限。

本工作利用多壁碳納米管（MWCNTs）負載Ziegler-Natta催化劑，通過丙烯在MWCNTs表面的原位聚合獲得PP/MWCNTs納米復合材料，然后再利用MWCNTs表面的羥基引發(fā)ε-己內(nèi)酯（ε-CL）開環(huán)聚合，得到PP/聚（ε-CL）（PCL）合金。利用SEM， TEM， FTIR，GPC等方法對PP/NWCNTs納米復合材料和PCL進行了表征，研究了PP/PCL合金中PCL相的形貌及穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

丙烯：聚合級，北京燕山石化公司；三乙基鋁（TEA）：Albermarle公司，配制成濃度為1.8 mol/L的正庚烷溶液；二苯基二甲氧基硅烷（DDS）：Tokyo Kasei Kogyo Co.，配制成濃度為0.088 mol/L的正庚烷溶液；SnOct2：分析純，阿拉丁試劑公司；ε-CL：分析純，Alfa Aesar公司，氫化鈣干燥處理。n-BuMgCl，自制；給電子體化合物9，9-雙（甲氧基甲基）芴（BMMF）：純度97%，遼寧營口向陽化工廠。

1.2 催化劑的制備

按文獻［10-11］報道的方法用MWCNTs負載Ziegler-Natta催化劑：表面含羥基（3.06%（w））的MWCNTs連續(xù)與格利雅試劑n-BuMgCl，BMMF，TiCl4反應，得到Ti含量為3.3%（w）的催化劑，反應原理見式（1）。

1.3 PP/MWCNTs納米復合材料的制備

利用丙烯原位聚合制備PP/MWCNTs納米復合材料，丙烯原位聚合在450 mL不銹鋼高壓反應釜中進行，反應釜首先經(jīng)抽真空、充氮氣反復處理多次，然后充入丙烯。聚合在庚烷中完成，常壓下利用注射器在反應釜中注入98 mL正庚烷、約100 mg催化劑、1 mL TEA溶液和1 mL DDS溶液，在70 ℃和丙烯單體壓力0.3 MPa下聚合2 h后，聚合物用酸醇處理、過濾，用100 mL乙醇和水分別洗滌3次，60 ℃下真空干燥，得16.7 g聚合物。

1.4 PP/PCL合金的制備

以SnOct2為催化劑，在甲苯/二甲苯混合溶劑中，利用PP/MWCNTs納米復合材料中MWCNTs表面上的羥基引發(fā)ε-CL的開環(huán)聚合，聚合溫度130℃，聚合時間24 h，產(chǎn)物用THF充分洗滌，40 ℃下真空干燥24 h。

1.5 聚合物的測試與表征

FTIR測試采用Thermo Fisher公司Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀，衰減全反射方式測定，試驗經(jīng)熔融熱壓成薄膜，膜厚約100～500 μm，掃描范圍3 500～650 cm-1，分辨率2 cm-1，掃描次數(shù)16。GPC測試采用Waters Alliance PL-GPC 220型凝膠滲透色譜儀，四氫呋喃為溶劑，聚苯乙烯為標樣，流動速率 1 mL/min，試樣通過堿洗從合金中分離 出來。SEM表征采用JEOL公司JSM-6700型掃描電子顯微鏡，試樣用堿除去表面相區(qū)，經(jīng)噴金在顯微鏡下觀察；熔融退火過程在氮氣氣氛下，180℃熱臺上進行。TEM測試采用日本電子株式會社JEOL JEM-2200FS型場發(fā)射透射電子顯微鏡，試樣經(jīng)環(huán)氧包埋劑包埋后，切成超薄片。

2 結果與討論

2.1 PP/PCL合金的制備與表征

PP/PCL 合金的制備示意圖見圖1。從圖1可看出，首先利用表面含羥基的MWCNTs負載Ziegle r-Natta催化劑，并催化丙烯聚合，得到PP/MWCNTs納米復合材料；然后利用MWCNTs表面的羥基，在SnOct2作用下，引發(fā)ε-CL進行開環(huán)聚合，將PCL鏈接枝于分散的MWCNTs表面，得到PP/PCL合金。受MWCNTs的限制，PCL的成相只能在碳納米管上進行，因此不但PCL的相區(qū)尺寸可控制在納米范圍，且相區(qū)尺寸與大分子的鏈長呈正比關系，因此可通過控制接枝PCL的相對分子質(zhì)量控制其相區(qū)尺寸。

PP/MWCNTs納米復合物的表征結果見圖2。其中，圖2a為PP/MWCNTs納米復合物的SEM照片，PP基體的黏均相對分子質(zhì)量約為1.3×105；PP/MWCNTs納米復合物的TEM照片（見圖2b）顯示，納米復合物中的MWCNTs分散非常均勻；FTIR表征結果（見圖2c）顯示，PP/MWCNTs納米復合物中存在來源于MWCNTs表面的羥基，ε-CL的聚合即由該羥基引發(fā)。

圖1 PP/PCL合金的制備示意圖Fig.1 Process for the preparation of polypropylene(PP)/polycaprolactone(PCL) nanoalloy.

圖2 PP/MWCNTs納米復合物的表征結果Fig.2 Charact erization of PP/MWCNTs nano-composite(w(MWCNTs)=1.3%).

通過控制ε-CL聚合時的單體濃度，制備了系列PP/PCL合金。PP/PCL合金中PCL的GPC曲線見圖3。

從圖3可看出，PCL接枝的相對分子質(zhì)量分別為3 800，14 900，23 900 g/mol，而MWCNTs的含量均穩(wěn)定在1.5%（w）左右。

圖3 PP/PCL合金中PCL的GPC曲線Fig.3 GPC curves of PCL in the PP/PCL nanoalloy samples.

2.2 PP/PCL合金的相形貌與穩(wěn)定性

將具有不同接枝相對分子質(zhì)量的PP/PCL合金制成薄膜試樣，表面用堿液淋洗，去除PCL相，對處理的膜表面進行觀察，SEM照片見圖4。從圖4可看出，隨接枝PCL的相對分子質(zhì)量增大，PCL所形成的相區(qū)尺寸逐漸增大，從30 nm左右增至60 nm左右，最后增至120 nm左右。3個試樣中，PCL相均呈均勻的分散狀態(tài)。

將PP/PCL合金試樣在熔融狀態(tài)下進行退火處理（退火條件200 ℃，30 min），處理后的試樣制成薄膜，經(jīng)刻蝕表面PCL相后，再進行觀察，SEM照片見圖5。從圖5可看出，各試樣的形貌與圖4相比基本無變化，PCL相的分散尺度也均維持在退火處理前的水平，說明PP/PCL合金中PCL相的分散非常穩(wěn)定。

圖4 PP/PCL納米合金薄膜試樣表面PCL相去除后的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of the PP/PCL nanoalloy fi lm samples after the removal of the surface PCL phase.

圖5 PP/PCL合金經(jīng)退火處理后薄膜試樣表面PCL相去除后的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of the PP/PCL nanoalloy fi lm samples after annealing and removing the surface PCL phase.

3 結論

1）利用MWCNTs負載Ziegler-Natta催化劑，Ti含量3.3%（w）。采用丙烯原位聚合，以分散在PP基體中的MWCNTs作為載體，通過在其表面接枝聚合PCL，制備了系列接枝相對分子質(zhì)量不同的PP/PCL合金。

2）PP/PCL合金中，PCL在PP基體中形成了穩(wěn)定的納米尺度相區(qū)，相區(qū)大小取決于PCL的相對分子質(zhì)量，PCL的相對分子質(zhì)量越小，其相區(qū)尺度越小；反之，PCL的相對分子質(zhì)量越大，其相區(qū)尺度越大。PCL相在PP中呈均勻的分散狀態(tài)。

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