聚烯烃共混物中相分离结构与聚合物晶体的纳米衍射成像解析及其性能调控研究

针对回收聚乙烯(PE)/等规聚丙烯(iPP)共混物脆性大、性能差的难题，日本研究团队采用四维扫描透射电镜纳米衍射成像技术(NDI)，以1.2 nm电子束在5 nm间隔扫描10:90比例的HDPE/iPP共混样本，首次实现相分离结构与晶体取向的纳米级精准定位，揭示了界面处HDPE与iPP晶体的相互作用机制，为聚烯烃回收材料的性能优化提供新范式。

　　

聚烯烃材料在现代社会中扮演着不可或缺的角色，其中聚乙烯(PE)和等规聚丙烯(iPP)更是占据了全球塑料产量的半壁江山。这两种材料因其优异的可塑性、机械强度和化学稳定性，被广泛应用于包装、建筑、汽车等领域。然而，随着环保意识的提升，回收PE/iPP混合物的利用成为迫切需求。遗憾的是，这些回收混合物往往表现出令人头疼的脆性问题，严重限制了它们的二次应用。问题的根源在于PE和iPP混合时会形成复杂的相分离结构，同时各自的结晶行为相互干扰，但传统电子显微镜技术难以清晰分辨这些纳米尺度的结构特征。

为了突破这一技术瓶颈，日本科学技术振兴机构(JST)和日本学术振兴会(JSPS)资助的研究团队在《Micron》发表了创新性成果。该研究采用四维扫描透射电子显微镜技术——纳米衍射成像(Nanodiffraction Imaging, NDI)，以高密度聚乙烯(HDPE)和iPP按10:90比例制备的共混物为研究对象，通过1.2 nm直径的电子束以5 nm间隔进行扫描，成功解析了材料内部的相分离结构和晶体排列。

关键技术包括：1) 纳米衍射成像(NDI)技术实现1.4 nm空间分辨率；2) 同步辐射广角X射线衍射(WAXD)和小角X射线散射(SAXS)验证晶体结构；3) 多步热处理方法(180°C熔融后，依次在140°C和100°C退火)控制相分离与结晶过程。样本由三菱化学公司提供的Hizex2200J型HDPE(熔融指数5.2 g/10 min，熔点~130°C)和MA3型iPP(熔融指数11 g/10 min，熔点~165°C)通过挤出机共混制备。

【RESULTS AND DISCUSSION】
热历史消除后的HDPE/iPP共混物在180°C熔融5分钟后形成明显的相分离结构。在140°C进行60分钟的第一阶段热处理时，iPP发生等温结晶而HDPE保持熔融状态；随后在100°C进行30分钟第二阶段热处理，HDPE围绕已形成的iPP晶体等温结晶。NDI通过分析HDPE的200衍射峰和iPP的110衍射峰，首次实现了两相在纳米尺度的精准区分。

【CONCLUSIONS】
该研究证实NDI技术能同时绘制HDPE和iPP晶体的空间分布图及分子链取向图，特别是在两相界面区域，发现HDPE晶体倾向于沿iPP晶体表面外延生长。这一发现为理解聚烯烃共混物的构效关系提供了直接实验证据，对开发高性能回收塑料具有重要指导意义。

研究团队特别指出，传统假设认为相分离结构仅由结晶温度差异导致，但NDI揭示的界面晶体取向关系表明，分子链间的相互作用同样起关键作用。这项由Tomohiro Miyata、Shusuke Kanomi和Hiroshi Jinnai合作完成的研究，不仅建立了聚烯烃共混物微观结构分析的新标准，也为材料设计提供了"结构-性能"调控的新思路。