聚烯烃官能化及其反应共混的Monte Carlo

针对马来酸酐(MAH)接枝聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)、不相容共混物的反应增容、聚丙烯共混物在剪切流动过程中形态结构演化等聚烯烃反应加工中典型的化学和物理问题开展了计算机模拟和实验研究。 首先，我们建立和完成了适用于Monte Carlo计算机模拟的MAH接枝PP和PE的反应动力学模型及模拟程序的编写与运行。对于MAH接枝PP，模拟结果表明接枝产物所占比例与MAH初始浓度有关。当MAH浓度较低时(小于2.5 wt%)，MAH主要接枝在由β裂解所产生PP链末端上；而在MAH浓度较大时(大于2.5 wt%)，大部分MAH接枝在PP链上的三级碳上。这一结论很好地解决了多年来存在的关于MAH接枝PP位置的争议。为了进一步验证模拟结果，在实验上我们制备了不同MAH(13C标记)初始浓度下接枝PP的系列样品。核磁共振(NMR)研究结果表明MAH的初始浓度明显影响不同接枝产物所占比例，具体表现为MAH接枝到PP三级碳的MAH的NMR共振峰（δ= 32.0 ppm）随MAH的初始浓度的增加而明显增强，而接枝到由β裂解所产生PP链末端的MAH的NMR共振峰（δ=30.3 ppm）随MAH的初始浓度的增加而明显减弱。这与模拟结果一致。对于MAH接枝线性PE，模拟结果表明MAH接在PE主链上形成枝状结构所占比例随MAH初始浓度的增加而增加，而接在两PE主链中间形成桥状结构所占比例随MAH初始浓度的增加而下降。当MAH浓度非常低的时候，两种结构所占比例相当接近。这一结果改变了人们对这一问题的传统认识，即在任何条件下桥状结构所占比例都远远低于枝状结构。以上结果为MAH接枝聚乙烯、聚丙烯分子结构的调控提供了科学依据。 其次，我们开展了伴有化学反应的不相容共混聚合物的增容，即反应增容的Monte Carlo模拟研究。模拟结果表明官能化聚合物A的加入有效改善了聚合物A与极性聚合物B的相容性。当聚合物A为分散相时，A-B和A-B-A嵌段共聚物的增容效果比B-A-B嵌段共聚物好。我们发现原位生成的A-B、A-B-A和B-A-B三种嵌段共聚物在共混体系中微观结构各不相同。所生成的A-B两嵌段共聚物分布在A/B两相界面上，其A、B嵌段分别嵌入A、B相区里；所生成的A-B-A三嵌段共聚物则通过“桥状结构”连接两个被分散的A相区；所生成的B-A-B三嵌段共聚物则以“折叠结构”存在于A/B两相界面。此外，我们还研究了接枝共聚物在A/B/接枝共聚物三元共混体系中的增容效果及其微观结构。模拟结果表明，接枝共聚物的结构和支链长度对其在共混物中的微观结构和分散相粒径影响很大。当添加A-g-B接枝共聚物作为增容剂时，如果其支链较短，部分接枝共聚物将会在连续相中形成胶束；当其支链较长时，它们会通过“桥状结构”连接分散相形成网络结构。当选择B-g-A接枝共聚物作为增容剂，如果其支链长度较短，部分共聚物会在分散相里形成胶束；如果其支链较长，大部分共聚物将存在于A/B两相界面上连接A、B两相。 最后，我们在线跟踪研究了聚丙烯共混物在剪切流动过程中形态结构演化过程，观察到了剪切流动下尼龙6(PA6)液滴在PP连续相中的破裂过程。结果表明PA6液滴同时存在fracture 和tip streaming 两种破裂模式。在该共混体中添加少量的SEBS或SEBS-g-MAH，发现在适当的剪切条件下PA6液滴可通过SEBS粘结形成非常有序的规则结构，即平行排列的线条结构。有趣的是这种平行排列的线条结构垂直于剪切流动方向。进一步研究结果表明该结构是一亚稳态，其最终要聚集成球状结构。有意义的是该亚稳态结构可以保持数十分钟以上，这使得人们有足够的时间降温将该结构“冻结”住。这一结果为通用高分子共混物有序结构的外场调控提供了成功范例。