层倍增元件调控消费后回收聚烯烃挤出稳定性与力学性能的机理研究及形态优化

这篇研究通过层倍增元件(LME)技术显著提升了含消费后回收聚丙烯(rPP)多层薄膜的力学性能。研究发现LME使横向(TD)断裂伸长率提升1280%，并通过扫描电镜(SEM)揭示了PE/PP交替带状纤维结构的自组织行为。温度升高和添加原生PP(vPP)分别使TD延展性提升341%和2373%，而PE污染导致纵向(MD)延展性下降2449%。研究创新性地证明LME通过PE*LME交互作用(+3101%)可部分抵消PE的负面影响，为回收聚烯烃的工业应用提供了形态调控新策略。

　　

材料与方法创新

研究采用工业级消费后回收聚丙烯(rPP1/rPP2)与原生PP(vPP)通过三层共挤系统制备薄膜，创新性引入层倍增元件(LME)将层数增至9层。实验设计采用单因素法(OFAT)，系统考察LME、模具温度(210-250°C)、螺杆转速(20-60rpm)和回收料配比等变量。特别关注rPP2中高达45%的聚乙烯(PE)污染物对性能的影响，通过差示扫描量热(DSC)和傅里叶红外(FTIR)定量PE含量。

力学性能突破

多元回归分析45组数据发现：LME使TD断裂伸长率产生1280%的惊人提升，相当于原始值的13倍。高温处理(250°C)使TD延展性增加341%，而vPP添加带来2373%的增幅。有趣的是，PE污染呈现"双刃剑"效应——虽使MD延展性骤降2449%，却在TD产生2721%的正向作用。关键发现是LME通过+3101%的PE*LME交互效应，有效缓解PE的负面影响。

微观机制解密

SEM揭示PE/PP形成周期性交替的带状纤维结构，这种自组织现象源于挤出过程中的流动诱导取向。在rPP2含量高的区域，可见明显的微纤结构沿MD方向排列，其形成机理被解释为：PP在较高温度先结晶，受熔融PE约束；PE随后在PP晶区间隙结晶。九层结构使微纤连续性降低，归因于vPP表层的物理约束作用和LME导致的层细化效应。

失效模式解析

断裂面分析显示两种典型形貌：脆性断裂表现为清晰的分层结构，对应回归分析中rPP2导致的TD强度下降；韧性断裂则呈现纤维纠缠形态，与LME提升的580%能量吸收能力相符。值得注意的是，同批次样品既出现脆性又出现韧性断裂，表明局部微观结构差异对性能有关键影响。

工业应用价值

在线成像系统证实LME处理使薄膜厚度波动降低62%，表面穿孔缺陷完全消除。对于含15%PE的回收料，LME技术使TD穿刺强度提升3倍，这对食品真空包装等需要抗撕裂性能的应用极具价值。研究建议通过优化LME层数(建议3:1配置)和控制PE含量(<15%)，可在不显著增加成本前提下实现回收料的高值化利用。

环境效益评估

相比传统回收料加工，LME技术使rPP2的利用率从行业平均13%提升至45%。每吨采用该技术的薄膜可减少2.3吨CO₂当量排放，同时维持与原生料相当的力学性能。这种"性能导向型回收"策略为聚烯烃循环经济提供了新范式。