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将少量的二维纳米粒子(蒙脱土或者石墨烯)以纳米尺度均匀分散于聚烯烃基体中，可以大幅度提高聚烯烃树脂的机械性能、阻隔性能以及热稳定性等，尤其是石墨烯的填充赋予了聚烯烃基体导电性。采用原位插层聚合技术是实现聚烯烃与蒙脱土或石墨烯有效复合的一种方法，这种方法不但可以避免一般聚合物插层对热力学的苛刻要求，实现纳米填充，而且可以对聚烯烃基体进行分子设计，制备结构和组成可以调控的聚烯烃复合材料，以满足聚烯烃树脂在更多领域的应用。
本论文采用原位插层聚合制备了聚烯烃/石墨烯以及聚烯烃/蒙脱土复合材料，旨在获得功能化和高性能化的聚烯烃复合材料。本论文的主要研究内容如下：
1.构筑石墨烯为载体的Ziegler-Natta催化剂体系。由于石墨烯自身的惰性，很难直接负载Ziegler-Natta催化剂，因此，以石墨烯片层含有羟基、环氧以及羧基等功能基团的氧化石墨为原料来实现Ziegler-Natta催化剂的负载。采用格氏试剂(BuMgCl)将Ziegler-Natta催化剂引入到氧化石墨片层。一方面格氏试剂与氧化石墨片层上的含氧基团(如羟基、羧基以及环氧等)反应，使氧化石墨部分还原为石墨烯，导电率高达6.05×103S/m；另一方面可通过Mg-Cl键将TiCl4引入到其片层上，从而构筑石墨烯为载体的Ziegler-Natta催化剂体系，其导电率最高可达到1.22×104S/m。
2.制备功能化的聚丙烯/石墨烯复合材料。采用石墨烯为载体的Ziegler-Natta催化剂，三乙基铝(AlEt3)为助催化剂和二苯基二甲氧基硅烷(DDS)为外给电子体，制备聚丙烯/石墨烯复合材料，实现石墨烯片层在聚丙烯基体中的剥离与均匀分散。通过对聚合条件的调控制备出一系列石墨烯不同含量的聚丙烯复合材料，对其导电性、机械性能以及流变性能进行表征。发现在石墨烯含量为0.2vol.％时，复合材料的导电率出现了逾渗阈值，其导电率为2.88×10-6S/m，满足了复合材料在抗静电方面的要求。在对其流变性能进行研究时发现随着石墨烯含量的增加，聚丙烯复合材料的复数粘度、储能模量以及损耗模量等流变学参数增加。在本体聚合制备的聚丙烯/石墨烯复合材料中，当石墨烯含量仅为0.34vol.%时，复合材料熔体出现了逾渗网络，表现出类固体行为；并且聚丙烯/石墨烯复合材料的弯曲模量与弯曲强度与纯聚丙烯相比分别提高62%和48%，说明少量石墨烯的填充提高了聚丙烯复合材料的机械性能。
3.有机蒙脱土的性质、催化剂的结构以及聚合反应条件对蒙脱土为载体的烯烃聚合催化剂催化乙烯聚合行为以及蒙脱土在聚乙烯基体中的分散状态有着重要影响。与不含功能基团的有机改性剂改性的蒙脱土相比，含羟基功能基团的有机改性剂改性的蒙脱土负载的Et[Ind]2ZrCl2催化剂催化乙烯聚合具有较高的活性，并且所得复合材料中蒙脱土片层的剥离效率较高。通过优化聚合反应条件(聚合时间、温度、压力以及聚合介质等)，制备出蒙脱土片层充分剥离与均匀分散的聚乙烯/蒙脱土复合材料，尤其是聚合介质对蒙脱土的分散状态有着重要影响。研究发现，尽管甲苯溶剂较己烷有利于蒙脱土片层的剥离与分散，金属活性中心的释放以及乙烯的吸收等，但是甲苯作为聚合溶剂时得到的聚乙烯复合材料中蒙脱土剥离的效率远远低于己烷作为聚合溶剂。
4.对聚烯烃基体进行分子设计，实现聚烯烃/蒙脱土纳米复合材料的结构稳定化。由于聚烯烃与蒙脱土极性的差异，通过原位聚合制备的聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料在热力学上属于不稳定体系，熔融剪切处理会使纳米结构塌陷，因此需要对聚烯烃基体进行分子设计以提高聚烯烃与蒙脱土界面之间的相互作用，稳定复合材料的纳米结构。采用两种功能化方法将极性功能基团引入到聚乙烯分子链中：一是同步功能化法，即Et[Ind]2ZrCl2/OMMT催化剂催化乙烯与十一烯醇共聚，从而釜内聚合一步法将羟基功能基团引入到聚乙烯分子链的侧链中；二是原位功能化法，即用Et[Ind]2ZrCl2/OMMT催化剂催化乙烯与反应性单体p-MS共聚，对反应性单体进行功能化反应，将极性功能基团如MA，PMMA和羟基等引入到聚乙烯分子侧链中。研究这些含功能基团的聚乙烯/蒙脱土复合材料经过熔融剪切过程中的结构稳定性，发现羟基、MA以及PMMA等功能基团能够稳定原位聚合制备的聚乙烯/蒙脱土复合材料的纳米结构。