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  聚丙烯基彈性體(PP-Es) 作為一種優異的彈性體材料，與廣泛使用的聚乙烯基彈性體(PE-Es) 相比，在力學強度、熔點以及與聚丙烯的相容性等方面具有突出優勢，但其高效、低成本合成仍面臨挑戰。天津大學材料科學與工程學院潘莉教授團隊在《Macromolecules》上發表最新研究，獨辟蹊徑地采用一類被忽視的中等立體與區域選擇性雙（酚-醚）鉿催化劑(O₄-CAT)，成功實現了高性能PP-Es的高效、節約型合成。研究發現，適度的立構與區域缺陷可在顯著降低α-烯烴用量的前提下，有效調控聚合物的結晶行為，從而制備出兼具高熔點、高強度與優異彈性的PP-Es，其綜合性能超越商用PE-Es。更為重要的是，系統研究揭示了PP-Es在兩大關鍵應用中的卓越性能：一方面，可高效增韌脆性等規聚丙烯(iPP)，在大幅提升斷裂伸長率的同時，優異地保持其強度與透明度；另一方面，作為增容劑，能顯著改善高密度聚乙烯(HDPE) 與iPP不相容共混物的界面與力學性能，并首次明晰了增容劑類型、共混物相組成與最終性能提升之間的構效關系，為聚烯烴的高值化回收與改性提供了堅實的理論與數據支撐（圖1）。

圖1 中等選擇性催化劑設計高性能PP基彈性體及其在增韌與增容中的應用

  聚烯烴彈性體是現代工業不可或缺的關鍵材料，廣泛應用于汽車、新能源與高端包裝等領域。目前商業化程度最高的PE-Es雖已廣泛應用，但其較低的熔點、力學強度不足以及與聚丙烯相容性差等問題，展現出了一定的性能與使用局限性。相比之下，通過丙烯與α-烯烴共聚得到的PP-Es，既能保留PP骨架的高強度與高耐熱性，又可引入可控的橡膠彈性，展現出互補且廣闊的應用前景。

  然而，現有研究多集中于高立構選擇性催化劑體系，這類催化劑雖擅長制備高熔點、高等規度的iPP，但在合成PP-Es時往往需要較高的共聚單體用量以調控結晶、賦予彈性，導致原材料成本上升。天津大學潘莉教授團隊突破傳統“高選擇性即優”的思維定式，提出采用中等立體選擇性與區域選擇性催化劑來設計合成PP-Es的新思路。該催化劑選擇的巧妙之處在于，其固有的立構/區域“適度缺陷”特性，使其在聚合過程中能以更經濟的方式調控鏈結構，從而在較低共聚單體消耗下，即可有效調控產物結晶度，直接獲得鏈柔性優異的高性能彈性體。

  團隊通過系統對比O₄-CAT與經典高立構選擇性茂金屬催化劑 (rac-Me₂Si(2-Me-4-Ph-Ind)₂ZrCl₂) 在丙烯與不同鏈長α-烯烴 (C₆、C₈、C₁₂、C₁₈) 共聚合中的表現，充分驗證了新策略的優越性 (圖2)。結果表明，O₄-CAT在保持高活性的同時，所得PP-Es具有更高的分子量與更優異的力學性能，且在更少的單體用量下便能實現相似的結晶度，凸顯了中等選擇性催化劑在降低原料消耗、實現資源高效利用以及高性能PP-Es的合成方面的獨特優勢，并在一定程度上拓寬了用于PE-Es合成的、可供選擇的催化劑范圍。

圖2 PP-Es的合成路線及催化劑的立體/區域選擇性表征（基于PP的¹³C NMR分析）

  本研究的另一大亮點在于系統評估了PP-Es與商業化PE-Es在iPP增韌與HDPE/iPP共混物增容這兩大關鍵場景中的效能。作為iPP的增韌劑，添加20 wt%的PP-Es (PC₈體系) 可使脆性iPP的斷裂伸長率大幅提升，同時其模量、強度均得到良好保持，透明性顯著提升，綜合性能全面超越商業PE-Es（圖3）。分析揭示了其背后的原因：PP-Es得益于與iPP基體的結構相似性，能夠均勻分散并形成牢固界面；而PE-Es則因相容性差，出現明顯相分離與界面脫粘（圖3c），這是導致其增韌改性時拉伸性能改善不佳，強度與透明度下降的根本原因。

圖3 增韌iPP的系列表征：(a) 應力-應變曲線; (b) 視覺透明性對比（薄膜置于剪紙前2 cm處）; (c) 冷凍脆斷面SEM圖像 (×500)

  在更具挑戰性的HDPE/iPP混合塑料回收領域，尋找高效且經濟的增容劑是實現其升級回收的關鍵。相較于合成復雜的嵌段或接枝共聚物，無規共聚的PP-Es在成本與工業可行性上優勢明顯。進一步通過對比PP-Es與商業化PE-Es在不同比例HDPE/iPP不相容共混物的增容行為，闡明了無規共聚物彈性體增容的比例依賴性和性能提升的結構依賴性（圖4）。

圖4 增容不同比例HDPE/iPP共混物的力學性能：(a–c) 應力-應變曲線; (d–f) 關鍵力學性能雷達圖（拉伸和沖擊性能）

  在iPP為主體相或平衡相的共混物 (HDPE/iPP = 30/70, 50/50) 中，添加PP-Es (PC₈體系) 可顯著降低分散相尺寸、模糊相界面，并將共混物的斷裂伸長率提升數十倍的同時，出色的維持共混物的整體強度。相比之下，PE-Es在全比例范圍內，提升沖擊強度方面表現更優，但對拉伸性能的改善有限，雖然在以HDPE為主體相的共混物 (HDPE/iPP = 70/30) 中對斷裂伸長率的提升效果優于PP-Es，但往往伴隨強度的大幅損失。

  這些發現強調了HDPE/iPP共混物的有效增容需要增容劑的鏈結構與共混物的相組成相匹配。此外，沖擊強度和拉伸韌性的提高遵循不同的機理和材料要求。這種理解為高性能聚烯烴共混物的進一步研究和工業實施提供了關鍵的理論支持。

  潘莉教授團隊此項工作，不僅通過催化劑設計的創新，實現了PP-Es的高效合成，更通過系統性的應用研究，深刻闡明了該類材料在聚烯烴增韌與混合塑料回收領域的獨特優勢與作用規律。研究將材料設計與國家可持續發展的重大需求緊密對接，為解決聚烯烴高效合成、高性能化及HDPE/iPP混合廢塑料的循環利用難題提供了創新性的材料解決方案與扎實的科學依據，對推動聚烯烴產業的高質量、綠色升級具有重要價值。

  該工作以 “Designing Resource-Efficient Polypropylene-Based Elastomers via Moderately Selective Catalyst for Toughening and Compatibility” 為題發表在《Macromolecules》上。文章的第一作者是天津大學材料學院博士生蔡浩，潘莉教授為通訊作者。研究得到了智能電網國家科技重大專項以及國家自然科學基金等項目的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c03218

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  下載：論文原文。