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本文合成一系列双环[2.2.1]庚烯-2,3-二羧酸金属盐(降冰片烯二羧酸盐),在研究其成核性能的过程中发现锂、钠、钾、镁、钙、铝盐都为α晶型成核剂,而降冰片烯二羧酸镉能够诱导聚丙烯产生β晶型,在此基础上又合成了十种羧酸镉盐,对其在等规均聚聚丙烯(iPP)中的β晶成核性能进行了考察。结果发现降冰片烯二酸镉(PA-04)和邻苯二甲酸镉(PA-05)的β晶成核效果最好。分别应用热重分析(TG)、元素分析(EA)、傅立叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和粒度分析仪对成核剂PA-04和PA-05的分子式、配位结构、热稳定性、颗粒形状以及粒径分布进行了表征。结果表明:PA-04存在桥式和螯合两种配位结构,而PA-05的配位结构无法由红外光谱确定,PA-04和PA-05分解温度(分解1％)都超过330℃,颗粒形状均为片状,体积平均粒径(Dv)分别为11.0和9.6μm。
其次,分别考察了不同添加浓度的PA-04和PA-05对等规均聚丙烯和嵌段共聚聚丙烯(PPB)的β晶含量、力学性能、结晶行为、熔融行为和微观形态的影响。发现成核聚丙烯的性能受成核剂添加浓度影响很大,这可能归因于成核剂的团聚和双成核功能。在所考察的浓度范围内,PA-04和PA-05能够诱导iPP和PPB生成高含量的β晶型,在iPP中的β晶含量(k值)分别高达90.2％和88.2％,在PPB中k值分别高达79.1％和97.2％；能够大幅提高iPP的常温抗冲击强度和PPB的低温抗冲击强度,iPP常温抗冲击强度的提高可达4.3和3.2倍,PPB的低温(-15℃)抗冲击强度提高可达1.7和3.8倍；能够大幅提高聚丙烯的结晶峰值温度并且显著降低球晶的尺寸。
通过差示扫描量热(DSC)分析方法研究了成核iPP和PPB的非等温结晶行为,并利用Mo法和Caze方法对其非等温结晶动力学进行了描述。同时应用Kissger方程计算了不同成核体系的结晶活化能。研究结果表明：冷却速率对PA-04和PA-05的成核性能有显著影响。在2.5-80℃/min的范围内,随着冷却速率的提高,成核聚丙烯的β晶含量逐渐提高,但α和β晶型的结构稳定性降低。成核聚丙烯的结晶行为受到PA-04和PA-05异相成核效应和对结晶过程中聚丙烯分子链运动的阻碍效应的共同影响,而两种成核剂对这两方面的影响作用不同,结果导致PA-04成核聚丙烯的结晶活化能降低而PA-05成核聚丙烯的结晶活化能升高。本文又研究了β晶成核剂(PA-04和PA-05)分别与三种α晶成核剂2,2-亚甲基双(4,6-二叔丁基苯基)磷酸钠盐(NA40)、降冰片烯二羧酸镁盐(BCHE12)和(3,4-二甲基二苄叉)山梨醇(S25)以质量比1:1复合后在聚丙烯结晶过程中的成核机制以及对聚丙烯力学性能和结晶性能的影响。结果表明：β/α复合成核剂在聚丙烯结晶过程中存在竞争成核作用,同时冷却速率对β/α复合成核剂中两种成核剂的竞争成核作用影响很大。这种竞争成核作用对聚丙烯力学性能的影响表现为相近的α和β成核剂复合能够起到协同作用,能够使iPP的刚性和韧性都得到改善。
最后,本文应用偏光显微镜(POM)、FTIR、SEM、广角X射线衍射(WXRD)和DSC对PA-04和PA-05的成核机理进行了探讨。结果表明:PA-04和PA-05与聚丙烯β晶型存在晶胞匹配,支持了附生结晶的晶胞匹配机理。邻苯二甲酸镉和水杨酸镉能够诱导聚丙烯产生β晶型,而其同分异构体对苯二甲酸镉和对羟基苯甲酸镉却不能诱导聚丙烯产生β晶型,实验事实说明II B羧酸盐的分子结构以及配体结构可能影响β晶成核剂的成核性能。