聚丙烯基弹性体(PP-Es) 作为一种优异的弹性体材料，与广泛使用的聚乙烯基弹性体(PE-Es) 相比，在力学强度、熔点以及与聚丙烯的相容性等方面具有突出优势，但其高效、低成本合成仍面临挑战。天津大学材料科学与工程学院潘莉教授团队在《Macromolecules》上发表最新研究，独辟蹊径地采用一类被忽视的中等立体与区域选择性双（酚-醚）铪催化剂(O₄-CAT)，成功实现了高性能PP-Es的高效、节约型合成。研究发现，适度的立构与区域缺陷可在显著降低α-烯烃用量的前提下，有效调控聚合物的结晶行为，从而制备出兼具高熔点、高强度与优异弹性的PP-Es，其综合性能超越商用PE-Es。更为重要的是，系统研究揭示了PP-Es在两大关键应用中的卓越性能：一方面，可高效增韧脆性等规聚丙烯(iPP)，在大幅提升断裂伸长率的同时，优异地保持其强度与透明度；另一方面，作为增容剂，能显著改善高密度聚乙烯(HDPE) 与iPP不相容共混物的界面与力学性能，并首次明晰了增容剂类型、共混物相组成与最终性能提升之间的构效关系，为聚烯烃的高值化回收与改性提供了坚实的理论与数据支撑（图1）。

图1 中等选择性催化剂设计高性能PP基弹性体及其在增韧与增容中的应用

  聚烯烃弹性体是现代工业不可或缺的关键材料，广泛应用于汽车、新能源与高端包装等领域。目前商业化程度最高的PE-Es虽已广泛应用，但其较低的熔点、力学强度不足以及与聚丙烯相容性差等问题，展现出了一定的性能与使用局限性。相比之下，通过丙烯与α-烯烃共聚得到的PP-Es，既能保留PP骨架的高强度与高耐热性，又可引入可控的橡胶弹性，展现出互补且广阔的应用前景。

  然而，现有研究多集中于高立构选择性催化剂体系，这类催化剂虽擅长制备高熔点、高等规度的iPP，但在合成PP-Es时往往需要较高的共聚单体用量以调控结晶、赋予弹性，导致原材料成本上升。天津大学潘莉教授团队突破传统“高选择性即优”的思维定式，提出采用中等立体选择性与区域选择性催化剂来设计合成PP-Es的新思路。该催化剂选择的巧妙之处在于，其固有的立构/区域“适度缺陷”特性，使其在聚合过程中能以更经济的方式调控链结构，从而在较低共聚单体消耗下，即可有效调控产物结晶度，直接获得链柔性优异的高性能弹性体。

  团队通过系统对比O₄-CAT与经典高立构选择性茂金属催化剂 (rac-Me₂Si(2-Me-4-Ph-Ind)₂ZrCl₂) 在丙烯与不同链长α-烯烃 (C₆、C₈、C₁₂、C₁₈) 共聚合中的表现，充分验证了新策略的优越性 (图2)。结果表明，O₄-CAT在保持高活性的同时，所得PP-Es具有更高的分子量与更优异的力学性能，且在更少的单体用量下便能实现相似的结晶度，凸显了中等选择性催化剂在降低原料消耗、实现资源高效利用以及高性能PP-Es的合成方面的独特优势，并在一定程度上拓宽了用于PE-Es合成的、可供选择的催化剂范围。

图2 PP-Es的合成路线及催化剂的立体/区域选择性表征（基于PP的¹³C NMR分析）

  本研究的另一大亮点在于系统评估了PP-Es与商业化PE-Es在iPP增韧与HDPE/iPP共混物增容这两大关键场景中的效能。作为iPP的增韧剂，添加20 wt%的PP-Es (PC₈体系) 可使脆性iPP的断裂伸长率大幅提升，同时其模量、强度均得到良好保持，透明性显著提升，综合性能全面超越商业PE-Es（图3）。分析揭示了其背后的原因：PP-Es得益于与iPP基体的结构相似性，能够均匀分散并形成牢固界面；而PE-Es则因相容性差，出现明显相分离与界面脱粘（图3c），这是导致其增韧改性时拉伸性能改善不佳，强度与透明度下降的根本原因。

图3 增韧iPP的系列表征：(a) 应力-应变曲线; (b) 视觉透明性对比（薄膜置于剪纸前2 cm处）; (c) 冷冻脆断面SEM图像 (×500)

  在更具挑战性的HDPE/iPP混合塑料回收领域，寻找高效且经济的增容剂是实现其升级回收的关键。相较于合成复杂的嵌段或接枝共聚物，无规共聚的PP-Es在成本与工业可行性上优势明显。进一步通过对比PP-Es与商业化PE-Es在不同比例HDPE/iPP不相容共混物的增容行为，阐明了无规共聚物弹性体增容的比例依赖性和性能提升的结构依赖性（图4）。

图4 增容不同比例HDPE/iPP共混物的力学性能：(a–c) 应力-应变曲线; (d–f) 关键力学性能雷达图（拉伸和冲击性能）

  在iPP为主体相或平衡相的共混物 (HDPE/iPP = 30/70, 50/50) 中，添加PP-Es (PC₈体系) 可显著降低分散相尺寸、模糊相界面，并将共混物的断裂伸长率提升数十倍的同时，出色的维持共混物的整体强度。相比之下，PE-Es在全比例范围内，提升冲击强度方面表现更优，但对拉伸性能的改善有限，虽然在以HDPE为主体相的共混物 (HDPE/iPP = 70/30) 中对断裂伸长率的提升效果优于PP-Es，但往往伴随强度的大幅损失。

  这些发现强调了HDPE/iPP共混物的有效增容需要增容剂的链结构与共混物的相组成相匹配。此外，冲击强度和拉伸韧性的提高遵循不同的机理和材料要求。这种理解为高性能聚烯烃共混物的进一步研究和工业实施提供了关键的理论支持。

  潘莉教授团队此项工作，不仅通过催化剂设计的创新，实现了PP-Es的高效合成，更通过系统性的应用研究，深刻阐明了该类材料在聚烯烃增韧与混合塑料回收领域的独特优势与作用规律。研究将材料设计与国家可持续发展的重大需求紧密对接，为解决聚烯烃高效合成、高性能化及HDPE/iPP混合废塑料的循环利用难题提供了创新性的材料解决方案与扎实的科学依据，对推动聚烯烃产业的高质量、绿色升级具有重要价值。

  该工作以 “Designing Resource-Efficient Polypropylene-Based Elastomers via Moderately Selective Catalyst for Toughening and Compatibility” 为题发表在《Macromolecules》上。文章的第一作者是天津大学材料学院博士生蔡浩，潘莉教授为通讯作者。研究得到了智能电网国家科技重大专项以及国家自然科学基金等项目的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c03218

  推荐阅读：团队前期已在高性能聚烯烃弹性体可控合成以及新型环烯烃共聚物等领域积累了的丰富经验及众多的研究成果（弹性体：Macromolecules 2025, 58, 15, 7895–7906；Chem. Eng. J. 2025, 520, 165651；Chem. Eng. J. 2025, 519, 165486；Chem. Eng. J. 2024, 497, 155003；Macromolecules 2024, 57, 9, 4208–4219；Macromolecules 2023, 56, 11, 4219–4230；Macromolecules 2022, 55, 12, 5038–5048。环烯烃共聚物：Chem. Eng. J. 2025, 523, 168211；Macromolecules 2025, 58, 17, 9459–9468；Chin. J. Chem. 2025, 43, 9, 983-994；Chem. Eng. J. 2024, 494, 143256；Macromolecules 2023, 56, 11, 4371–4385）。

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