王 寧，牛 慧，秦亞偉，董金勇

（中國科學(xué)院 化學(xué)研究所 工程塑料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

多壁碳納米管增強(qiáng)的新型抗沖共聚聚丙烯樹脂

王 寧，牛 慧，秦亞偉，董金勇

（中國科學(xué)院 化學(xué)研究所 工程塑料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

采用具有可控顆粒形態(tài)的多壁碳納米管（MWCNT）負(fù)載Ziegler-Natta催化劑，進(jìn)行連續(xù)的丙烯聚合和乙烯-丙烯共聚合，以聚合反應(yīng)參數(shù)調(diào)控樹脂組成，制備了以聚丙烯（PP）抗沖共聚物為基體的MWCNT增強(qiáng)的三元抗沖共聚聚丙烯釜內(nèi)合金新型樹脂（EPR&MWCNT@PP），考察了EPR&MWCNT@PP樹脂的顆粒形態(tài)、乙丙無規(guī)共聚物（EPR）和MWCNT的分散狀態(tài)、樹脂的熔融與結(jié)晶行為和力學(xué)性能等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EPR&MWCNT@PP 樹脂具有良好的顆粒形態(tài)，粒子間無粘連且表面光滑；MWCNT均勻分散于PP基體中，EPR微區(qū)尺寸在500 nm以下；EPR&MWCNT@PP樹脂具有較高的熔融溫度（160 ℃以上），且具有較高的斷裂伸長率（達(dá)800%以上）和缺口沖擊強(qiáng)度（常溫下達(dá)35.0 kJ/m2以上）。

抗沖共聚聚丙烯；多壁碳納米管；納米負(fù)載Ziegler-Natta催化劑

在聚烯烴中引入納米粒子（如蒙脫土、碳納米管和氧化石墨烯）已成為聚烯烴改性和高性能化的重要途徑［1-6］。以納米尺度分散于聚烯烴基體中的無機(jī)剛性粒子在填充量很少（通常小于5%（w））的情況下就可顯著改善或提高聚烯烴的力學(xué)性能、熱性能及阻隔性能，而具有極強(qiáng)導(dǎo)電導(dǎo)熱等功能性的納米粒子（如還原氧化石墨烯等）還可賦予聚烯烴一定的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。因此，聚烯烴納米復(fù)合材料的研究方興未艾。在聚烯烴的各種品種中，聚丙烯（PP）具有較高的力學(xué)性能和耐熱性，是通用工程塑料的良好基礎(chǔ)樹脂，通過適當(dāng)?shù)母男裕湫阅芸蛇M(jìn)一步得到提升，應(yīng)用領(lǐng)域可大幅擴(kuò)展。納米復(fù)合被認(rèn)為是PP高性能化的最有效途徑之一［7］。最近本課題組［8-9］報(bào)道了一種直接通過聚合而制備納米復(fù)合PP樹脂的方法，通過將蒙脫土和多壁碳納米管（MWCNT）等納米粒子成型并負(fù)載TiCl4，制備了納米負(fù)載Ziegler-Natta催化劑［10］，該催化劑不但能高效催化丙烯聚合，而且能在聚合過程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)納米粒子的有效分散和聚合物顆粒形態(tài)的有效控制，從而成為具有良好工業(yè)化前景的PP納米復(fù)合材料的制備方法。

除了均聚物和含少量乙烯或1-丁烯單元的無規(guī)共聚物外，PP的一個(gè)重要品種是抗沖共聚物，即利用多相共聚反應(yīng)，在PP生成后進(jìn)一步原位進(jìn)行乙烯-丙烯共聚，從而在PP基體中引入橡膠態(tài)的乙丙無規(guī)共聚物（EPR），形成EPR@PP形式的多相共聚樹脂。這類樹脂具有較高的沖擊韌性，同時(shí)保持PP良好的強(qiáng)度和剛性，是汽車塑料的首選材料［11］。前期研究結(jié)果［8］表明，MWCNT負(fù)載的Ziegler-Natta催化劑具有較大的比表面積、一定的孔隙率及較高的顆粒強(qiáng)度，可用于丙烯多相共聚反應(yīng)。

本工作采用具有可控顆粒形態(tài)的MWCNT負(fù)載Ziegler-Natta催化劑（N-Cat），制備了以PP抗沖共聚物為基體的MWCNT增強(qiáng)的三元抗沖共聚聚丙烯釜內(nèi)合金新型樹脂（EPR&MWCNT@PP），并對(duì)其形態(tài)和性能進(jìn)行了研究，以探究MWCNT對(duì)PP抗沖共聚物的作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和催化劑

乙烯、丙烯：聚合級(jí)，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 公司，配制成濃度為0.088 mol/L的正庚烷溶液。

N-Cat催化劑：參考專利方法［12］制備，其中，MWCNT載體的含量為75%（w），Ti含量為3.3%（w），以1，3-芴二醚為內(nèi)給電子體。

1.2 聚合反應(yīng)

丙烯多相共聚反應(yīng)分兩段進(jìn)行：第一段為液相丙烯均聚反應(yīng)，第二段為乙烯-丙烯氣相共聚反應(yīng)。在常溫、常壓下，向充滿丙烯氣體的2 L高壓反應(yīng)釜中通入一定量H2，然后依次加入150 g液態(tài)丙烯、助催化劑TEA的正庚烷溶液、外給電子體DDS的正庚烷溶液和N-Cat催化劑，再從催化劑加料處加入150 g液態(tài)丙烯，確保催化劑完全加入到反應(yīng)釜中。加料完成后，升溫至反應(yīng)溫度，進(jìn)行第一段的液相丙烯均聚反應(yīng)。反應(yīng)一段時(shí)間后，將反應(yīng)釜溫度降至室溫，放空丙烯，然后向反應(yīng)釜中通入乙烯和丙烯的混合氣體，進(jìn)行第二段的乙烯-丙烯氣相共聚反應(yīng)。反應(yīng)一段時(shí)間后，停止通氣，放空氣體，聚合反應(yīng)終止，得到產(chǎn)物EPR&MWCNT@PP樹脂，在60 ℃下真空干燥。

1.3 聚合物的測(cè)試與表征

采用Perkin-Elmer公司DSC-7A型示差掃描量熱儀對(duì)試樣進(jìn)行DSC測(cè)試。取2～5 mg試樣，在N2保護(hù)下，以40 ℃/min的速率從50 ℃升至200 ℃，恒溫5 min后以10 ℃/min的速率降至50 ℃，恒溫5 min后再以10 ℃/min的速率升至200 ℃。

采用沸騰正己烷抽提法測(cè)定試樣中EPR的含量。取一定量試樣（質(zhì)量為m1）置于索氏抽提器中，N2保護(hù)下在沸騰的正己烷中抽提12 h，抽提完成后，在50 ℃下真空干燥24 h，稱重（質(zhì)量為m2）。試樣中EPR含量（wE）根據(jù)公式wE=（m1-m2）/m1×100%計(jì)算得到。

采用日本電子株式會(huì)社JEOL JEM-2200FS型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行TEM表征，試樣經(jīng)環(huán)氧包埋劑包埋后，切成超薄片。

采用日本電子株式會(huì)社JEOL JSM-4800F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的形貌，加速電壓5 kV，測(cè)試前對(duì)試樣進(jìn)行噴鉑金處理。

采用INSTRON公司3365型萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的力學(xué)性能；采用承德實(shí)驗(yàn)機(jī)廠UJ-4型懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗沖性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙烯多相共聚反應(yīng)

該款新型催化劑的首次工業(yè)應(yīng)用誕生于一家亞洲石化生產(chǎn)商的臺(tái)灣苯乙烯生產(chǎn)工廠。生產(chǎn)方是一家年產(chǎn)能24萬t的完全集成化苯乙烯單體生產(chǎn)公司。2016年5月安裝新型催化劑后，工廠迅速達(dá)到了滿負(fù)荷生產(chǎn)，并以比以往作業(yè)更低的溫度很快達(dá)到了苯乙烯單體的設(shè)計(jì)生產(chǎn)速率。此外，與之前使用的催化劑性能相比，新型催化劑選擇性提升0.4%，且比業(yè)內(nèi)對(duì)標(biāo)的催化劑展現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。

N-Cat催化劑催化的丙烯多相共聚反應(yīng)如圖1所示。

圖1 N-Cat催化劑催化的丙烯多相共聚反應(yīng)制備EPR&MWCNT@PP樹脂F(xiàn)ig.1 Heterophase copolymerization of propylene to impact PP copolymer(EPR&MWCNT@PP) resin with

聚合反應(yīng)以TEA為助催化劑，DDS為外給電子體。表1列出了不同條件下的聚合反應(yīng)結(jié)果以及所制備的EPR&MWCNT@PP樹脂的組成。由表1可看出，通過控制聚合反應(yīng)條件，可有效控制樹脂中的MWCNT含量基本恒定在0.5%（w）左右，EPR中乙烯與丙烯的摩爾比基本恒定在1左右，而EPR含量（w）可在10%～20%內(nèi)調(diào)節(jié)。

2.2 樹脂顆粒形態(tài)及其組分分散狀態(tài)

根據(jù)Ziegler-Natta催化劑催化的丙烯聚合反應(yīng)中聚合物粒子生長機(jī)理，聚合物粒子復(fù)制催化劑粒子的形貌，催化劑初級(jí)粒子在聚合過程中破碎并高度均勻地分散于所生成的PP基體中。N-Cat催化劑和典型的EPR&MWCNT@PP樹脂的SEM圖像見圖2。

表1 不同條件下的聚合反應(yīng)結(jié)果以及所制備的EPR&MWCNT@PP樹脂的組成Table 1 Heterophase copolymerization of propylene under different conditions and the composition of the EPR&MWCNT@PP resinsa）

圖2 N-Cat催化劑（a）和典型的EPR&MWCNT@PP樹脂（b）的SEM圖像Fig.2 SEM images of N-Cat(a) and typical EPR&MWCNT@PP resin(b).

由圖2可看出，EPR&MWCNT@PP樹脂很好地復(fù)制了N-Cat催化劑的顆粒形態(tài)，粒子間無粘連，且聚合物粒子表面非常光滑，表明有EPR存在。

利用TEM技術(shù)觀察了EPR&MWCNT@PP樹脂中MWCNT和EPR的分散狀態(tài)。典型的EPR&MWCNT@PP樹脂及其熔融退火后試樣的TEM圖像見圖3。由圖3可看出，MWCNT均勻分散于PP基體中，經(jīng)熔融退火后，形成的EPR微區(qū)尺寸最大不超過500 nm，遠(yuǎn)小于普通的EPR@PP抗沖共聚樹脂（一般大于2 μm），且MWCNT大部分被EPR微區(qū)掩蓋?？紤]到多相共聚反應(yīng)過程，EPR系直接從MWCNT表面生成，因此MWCNT的存在將制約EPR分子鏈的運(yùn)動(dòng)，從而抑制了EPR的過度聚集。

2.3 樹脂的熔融和結(jié)晶行為

圖3 典型的EPR&MWCNT@PP樹脂（a）及其熔融退火后試樣（b）的TEM圖像Fig.3 TEM images of typical EPR&MWCNT@PP resin(a) and its melt-annealed sample(b).

表2 EPR&MWCNT@PP樹脂與MWCNT@PP和EPR@PP樹脂的DSC測(cè)試結(jié)果Table 2 DSC results of the EPR&MWCNT@PP，MWCNT@PP and EPR@PP resin samples

2.4 樹脂的力學(xué)性能

EPR&MWCNT@PP和MWCNT@PP樹脂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可見，MWCNT@PP樹脂的拉伸強(qiáng)度為41.3 MPa左右，而EPR的引入并未明顯降低樹脂的拉伸強(qiáng)度（仍達(dá)35.0 MPa以上）；同時(shí)，EPR&MWCNT@PP樹脂具有非常高的斷裂伸長率，達(dá)800%以上。另外，EPR&MWCNT@PP樹脂具有非常高的缺口沖擊強(qiáng)度，當(dāng)EPR含量達(dá)到15%（w）以上時(shí)，EPR&MWCNT@PP樹脂在常溫時(shí)已不能沖斷，而低溫時(shí)也具有一定的沖擊韌性。

圖4 EPR&MWCNT@PP和MWCNT@PP樹脂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of the EPR&MWCNT@PP and MWCNT@PP resins.

表3 EPR&MWCNT@PP和MWCNT@PP樹脂的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the EPR&MWCNT@PP and MWCNT@PP resins

3 結(jié)論

1）采用N-Cat催化劑進(jìn)行連續(xù)的丙烯聚合和乙烯-丙烯共聚合，以聚合反應(yīng)參數(shù)調(diào)控樹脂組成，制備了新型EPR&MWCNT@PP樹脂。

2）新型EPR&MWCNT@PP 樹脂復(fù)制了N-Cat催化劑的顆粒形態(tài)，粒子間無粘連且表面光滑。

3）MWCNT均勻分散于PP基體中，制約了EPR分子鏈的運(yùn)動(dòng)，抑制了其過度聚集，EPR微區(qū)尺寸在500 nm以下；且由于MWCNT起到異相成核作用，促進(jìn)了PP的結(jié)晶，EPR&MWCNT@PP樹脂的熔融溫度達(dá)160 ℃以上。

4）EPR&MWCNT@PP樹脂具有較好的力學(xué)性能，斷裂伸長率達(dá)800%以上，常溫下缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)35.0 kJ/m2以上。

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（編輯 安 靜）

專題報(bào)道：中國科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董金勇課題組采用多壁碳納米管（MWCNT）負(fù)載的Ziegler-Natta催化劑進(jìn)行丙烯聚合和乙烯-丙烯共聚合，制備了MWCNT增強(qiáng)的三元抗沖共聚聚丙烯（PP）樹脂（EPR&MWCNT@PP），并考察了樹脂的顆粒形態(tài)、乙丙無規(guī)共聚物(EPR)與MWCNT的分散形態(tài)及其穩(wěn)定性以及樹脂的熔融與結(jié)晶行為和力學(xué)性能等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型EPR&MWCNT@PP 樹脂具有良好的顆粒形態(tài)，粒子間無粘連；MWCNT在PP基體中呈單分散狀態(tài)，且由于MWCNT的存在使EPR相區(qū)尺寸在500 nm以下；PP基體保持高熔點(diǎn)（160 ℃以上）和高結(jié)晶度；樹脂呈現(xiàn)出可調(diào)變的剛性（彎曲模量）和韌性（缺口沖擊強(qiáng)度）。見本期995-999頁。

董金勇課題組簡(jiǎn)介：中國科學(xué)院化學(xué)研究所工程塑料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董金勇課題組長期致力于烯烴聚合的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)聚烯烴（聚丙烯、聚乙烯等）材料的高性能化和功能化為導(dǎo)向，在聚烯烴催化劑、烯烴聚合反應(yīng)設(shè)計(jì)以及聚烯烴的原位合金化和納米復(fù)合化等領(lǐng)域開展了創(chuàng)新的科研工作：提出并成功實(shí)踐了將茂金屬等單活性中心金屬有機(jī)催化劑與高效Ziegler-Natta催化劑結(jié)合而制備功能性催化劑的策略；發(fā)展了多種特異性烯烴聚合反應(yīng)，極大地拓展了聚烯烴的結(jié)構(gòu)和組成范圍；不斷優(yōu)化聚合方法，推進(jìn)新結(jié)構(gòu)、新組成的高性能/功能化聚烯烴的技術(shù)實(shí)用化；提出同步交聯(lián)策略，實(shí)現(xiàn)聚丙烯催化合金分散相形態(tài)和尺度的有效控制，促進(jìn)了聚烯烴原位合金化技術(shù)進(jìn)步；提出納米負(fù)載/摻雜催化劑策略，開辟了聚烯烴高性能化和功能化研究的納米化學(xué)新領(lǐng)域。近十年來，在多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家“863”項(xiàng)目和中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目的支持下，該課題組在學(xué)術(shù)研究和技術(shù)開發(fā)兩個(gè)方面都取得了一定的成績，在國內(nèi)外刊物上發(fā)表了百余篇科研論文，申請(qǐng)了數(shù)十項(xiàng)技術(shù)發(fā)明專利，建設(shè)了專門用于高性能/功能化聚烯烴聚合的功能性催化劑工業(yè)制備示范裝置，與聚烯烴催化劑和聚合工業(yè)界密切聯(lián)系，不斷推進(jìn)聚烯烴科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。

Multiwalled Carbon Nanotube-Reinforced Impact Polypropylene Copolymer Resins

Wang Ning，Niu Hui，Qin Yawei，Dong Jinyong
（CAS Key Laboratory of Engineering Plastics，Institute of Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

Multiwalled carbon nanotube(MWCNT)-reinforced impact polypropylene(PP) copolymer resins(EPR&MWCNT@PP) with rubbery poly(ethylene-co-propylene)(EPR) were prepared by successive propylene homopolymerization and then ethylene/propylene copolymerization with the novel MWCNT-supported Ziegler-Natta catalyst with controllable particle morphology. The particle morphology of the copolymers，the dispersion of EPR and MWCNT in the copolymers，the melting and crystallization behaviors of the resins and their mechanical properties were studied. It was found that，the prepared resin particles had good morphology without inner-sticking，MWCNT were homogeneously dispersed in the resins. The coagulated EPR domains are less than 500 nm in size. EPR&MWCNT@PP has high melting point(higher than 160 ℃) and crystallinity. The elongation at break and Izod impact strength of the resins reached more than 800% and more than 35.0 kJ/m2at normal temperature，respectively.

impact polypropylene copolymer；multiwalled carbon nanotube；nano-supported Ziegler-Natta catalyst

1000 - 8144（2014）09 - 0995 - 05

TQ 325.1

A

2014 - 07 - 22；［修改稿日期］ 2014 - 07 - 24。

王寧（1984—），男，山東省煙臺(tái)市人，博士后，電話 010 - 62564826，電郵 wangning0118@iccas.ac.cn。聯(lián)系人：董金勇，電話 010 - 82611905，電郵 jydong@iccas.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51103163）。

研究與開發(fā)