迈向生产超强韧PET：生物LDPE与LDPE-g-MA在反应加工中的协同作用

《Journal of Applied Polymer Science》：Toward Producing Supertough PET: Synergistic Action of Bio-LDPE and LDPE-g-MA in Reactive Processing

本研究开发了PET/Bio-LDPE/LDPE-g-MA共混材料，通过双螺杆挤出和注塑成型制备，添加LDPE-g-MA作为相容剂，优化了PET与生物基低密度聚乙烯的相容性。实验表明，50/50/10配比的共混材料冲击强度较未 compatibilized系统提升1970%，微观结构显示均匀分散和增强界面结合，DSC分析证实结晶度降低，HDT保持稳定。该材料在包装等领域具有工业应用潜力。

　　本研究聚焦于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）与生物基低密度聚乙烯（Bio-LDPE）共混物的开发，并通过使用马来酸酐接枝低密度聚乙烯（LDPE-g-MA）作为相容剂，以改善材料的性能。PET与Bio-LDPE在70/30和50/50质量比例下进行了共混，同时分别采用5、7.5和10份每百份树脂（phr）的LDPE-g-MA作为相容剂。所有材料通过双螺杆挤出机进行加工，随后使用注塑机制备试样，以便进行一系列性能测试，包括流变学、化学、机械、热机械和热性能分析，以及形态学评估。

PET作为一种广泛应用的工程塑料，以其热稳定性、机械强度和阻隔性能而著称。然而，PET在加工过程中面临一定的挑战，如其吸湿性可能导致水解和热氧化等降解机制，从而影响其内在粘度和机械性能，尤其是韧性。相比之下，Bio-LDPE是一种来源于可再生资源的绿色材料，具有与传统LDPE相似的物理化学特性，包括高柔韧性、良好的化学抗性和优异的加工性，使其成为PET的理想共混材料，以提升其韧性、化学稳定性和加工性能。

通过引入LDPE-g-MA作为相容剂，研究团队成功地改善了PET与Bio-LDPE之间的相容性。相容剂的加入不仅增强了两相之间的界面粘附力，还促进了更均匀的相分散，从而提升了材料的整体性能。实验结果表明，经过相容处理的PET/Bio-LDPE/LDPE-g-MA（50/50/10）共混物在冲击测试中表现出显著的性能提升，其冲击强度比未相容的系统提高了1970%。这表明，相容剂在提升材料韧性方面起到了关键作用，同时也促进了材料在受力时的延展性。

在流变学分析方面，研究团队通过测量熔体流动指数（MFI）和扭矩流变测试，观察到了共混物的变化趋势。PET的MFI为74.6 g/10 min，而Bio-LDPE的MFI约为37 g/10 min，说明Bio-LDPE具有更高的熔体粘度。在70/30的PET/Bio-LDPE共混物中，MFI达到104.1 g/10 min，显示出良好的流动性。然而，随着LDPE-g-MA含量的增加，MFI持续下降，表明熔体粘度增加，流动阻力提高。这可能是由于相容剂促进了分子间的相互作用，从而增强了材料的熔体稳定性。对于50/50的PET/Bio-LDPE共混物，其MFI进一步降低至30 g/10 min，而加入LDPE-g-MA后，MFI的下降更加显著，尤其是当相容剂含量为7.5和10 phr时，MFI值分别降至约4.9 g/10 min，显示出更高的粘度和更好的相容性。

在扭矩流变测试中，未添加相容剂的PET表现出最低的扭矩值，为3 N·m，而加入LDPE-g-MA的共混物则显示出更高的扭矩值，表明相容剂促进了两相之间的相互作用。对于70/30的共混物，当LDPE-g-MA含量为10 phr时，扭矩值达到6.1 N·m，显示出更强的界面相互作用。对于50/50的共混物，其扭矩值随着相容剂含量的增加而显著上升，特别是在10 phr的情况下，扭矩值为9.68 N·m，表明相容剂对材料的加工性能有显著影响。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究团队观察到了PET和Bio-LDPE在共混物中的化学相互作用。相容剂中的马来酸酐基团可能与PET的末端羟基和羧基发生反应，从而形成新的化学键。此外，LDPE-g-MA与Bio-LDPE的结构相似性也可能促进了它们之间的相互作用。这些化学变化在FTIR光谱中以吸收峰的强度变化得到体现，同时，未观察到新的峰，表明相容剂可能通过化学反应形成了稳定的结构，从而提高了材料的性能。

扫描电子显微镜（SEM）分析进一步揭示了共混物的微观结构变化。未相容的PET/Bio-LDPE共混物显示出明显的相分离和弱界面粘附，导致断裂面呈现不均匀的特征，包括较大的颗粒和空隙。然而，加入LDPE-g-MA后，共混物的形态显著改善，颗粒尺寸减小，界面粘附增强，断裂面更加均匀，显示出更好的相容性。特别是对于50/50/10的共混物，其形态呈现出网络状结构，表明Bio-LDPE与PET之间形成了稳定的连接，这种结构有助于提高材料的韧性。

在机械性能测试中，PET表现出极低的韧性，其冲击强度无法被测定。而加入Bio-LDPE后，共混物的冲击强度有所提升，但未相容的系统仍表现出较低的冲击强度。相容剂的加入显著提高了冲击强度，其中50/50/10的共混物显示出最佳的性能，其冲击强度比未相容的系统提高了1970%。这一结果表明，相容剂在提升材料韧性方面具有重要作用。此外，共混物的拉伸强度和断裂伸长率也有所改善，尽管弹性模量和硬度有所下降，但断裂伸长率的增加表明材料的延展性和韧性得到了显著提升。

热变形温度（HDT）测试显示，PET的HDT为65.9°C，而Bio-LDPE的HDT为42.1°C，说明Bio-LDPE的热稳定性较低。在PET/Bio-LDPE共混物中，HDT有所下降，这与Bio-LDPE的柔性有关。然而，加入相容剂后，HDT的变化不显著，说明相容剂对材料的热稳定性有积极作用。对于70/30的共混物，其HDT比50/50的共混物更高，表明相容剂对不同比例的共混物影响不同。

差示扫描量热法（DSC）分析显示，相容剂的加入影响了PET的结晶行为。PET的结晶温度（Tc）随着相容剂含量的增加而降低，表明相容剂减缓了PET的结晶过程。这可能是由于相容剂与PET分子之间的相互作用，阻碍了分子的有序排列。此外，共混物的结晶度（Xc）也有所下降，尤其是50/50/10的共混物，其结晶度仅为12.2%，而未相容的系统结晶度为27.1%。这表明相容剂的加入显著抑制了PET的结晶能力，从而降低了其硬度和刚性，同时提升了其韧性。

综上所述，本研究通过引入LDPE-g-MA作为相容剂，成功改善了PET与Bio-LDPE之间的相容性，从而提升了共混物的机械性能、流变性能和热机械稳定性。特别是在50/50/10的共混物中，相容剂的加入显著增强了材料的韧性，使其表现出超韧性特性。这些结果表明，PET/Bio-LDPE共混物具有广泛的应用前景，特别是在包装和材料科学领域。未来的研究可以进一步探讨这些共混物在不同温度条件下的性能变化，以优化其在实际应用中的表现。