相容化再生聚乙烯混合物的微观结构-性能关系：基于磁振成像（PiFM）和拉曼光谱的见解

《Journal of Applied Polymer Science》：Microstructure–Properties Relationships in Compatibilized Recycled Polyethylene Blends: Insights From PiFM and Raman Spectroscopy

研究探讨了兼容剂对回收LDPE-LLDPE-PA6-EVOH混合物机械性能和微观结构的影响。通过SEM、DSC、拉曼光谱和PiFM分析，发现LLDPE替代部分LDPE可显著提高断裂延伸率（最高达348%），而PE-AA与1,4-PBO组合通过优化滴点分布（数量增加至195个/视野）和界面结合，使应变提升50%。DSC显示兼容剂略微改善相容性，但拉曼和PiFM光谱证实1,4-PBO与PE-AA发生化学相互作用，形成新键（如C=O振动峰）。研究表明滴点数量与力学性能正相关，而尺寸分布影响较小。

　　在现代材料科学领域，聚合物共混物因其能够通过组合不同种类的聚合物，赋予材料更广泛的性能特性而受到广泛关注。这种材料设计方法不仅提升了材料的使用效率，还为资源回收与再利用提供了新的可能性。尤其是在食品包装领域，通过将聚乙烯（PE）、聚酰胺6（PA6）和乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）结合使用，可以实现良好的氧气屏障性能、水屏障性能以及机械强度。然而，这些多层薄膜在机械回收过程中面临挑战，由于其层状结构的破坏，回收后的材料通常呈现出分散相在基体中的形态，这种形态在很大程度上影响了其最终的性能表现。

本研究聚焦于回收聚合物共混物的微观结构与性能之间的关系，特别是通过添加相容剂来改善其机械性能。研究对象包括低密度聚乙烯（LDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）、聚酰胺6（PA6）和乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）的混合物，同时探讨了三种相容剂——丙烯酸接枝的高密度聚乙烯（PE-AA）、基于1,3-苯基双（2-氧唑啉）（1,3-PBO）和1,4-苯基双（2-氧唑啉）（1,4-PBO）——对共混物性能的影响。这些相容剂的作用机制涉及降低界面张力、细化分散相以及增强相间粘附性，从而改善共混物的机械性能。然而，相容剂的使用通常伴随着性能上的权衡，例如在提高断裂伸长率的同时可能会影响杨氏模量和拉伸强度，因此需要根据具体的应用需求选择合适的相容剂。

研究采用了多种分析方法，包括拉伸测试、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热法（DSC）、拉曼光谱和红外光诱导力显微镜（PiFM）。这些方法的结合为深入理解相容剂对共混物微观结构和性能的影响提供了全面的视角。拉伸测试结果显示，含有PE-AA和1,4-PBO的共混物显著提升了断裂伸长率，表明相容剂改善了相间粘附性。此外，部分用LLDPE替代LDPE的共混物表现出最高的断裂伸长率，同时具有最窄的液滴尺寸分布，这可能与LLDPE与分散相之间较低的界面张力有关。

SEM图像进一步确认了共混物的液滴-基体结构，并揭示了不同相容剂对液滴形态的影响。例如，含有1,4-PBO的共混物显示出更短的纤维和更紧密的液滴与基体之间的结合，这表明相容剂在改善界面相容性方面发挥了重要作用。而液滴数量与机械性能之间的强相关性表明，提高液滴数量可能是增强共混物延展性的重要途径。通过分析液滴数量和尺寸分布，研究发现液滴数量与断裂伸长率之间存在显著的正相关，这可能是因为更多的液滴可以分散应力，从而延缓材料在拉伸过程中的断裂。

DSC分析揭示了相容剂对熔融行为的细微影响。尽管没有发现相容剂对相容性有明显促进作用，但熔融峰的位置变化暗示了材料中可能存在的微小相间相互作用。而拉曼光谱和PiFM则检测到了某些共混物中出现的新峰，这可能与相容剂与共混体系中的官能团之间的化学反应有关。特别是在含有1,4-PBO的共混物中，检测到了一个可能与新形成的酸酐有关的峰，这表明在特定条件下，相容剂可能参与了化学反应，从而进一步优化了材料的性能。

研究还发现，虽然相容剂能够改善某些性能，但其效果在不同共混体系中表现不一。例如，含有PE-AA和1,4-PBO的共混物虽然在断裂伸长率方面表现优异，但与基于马来酸酐的相容剂相比，其提升幅度有限。此外，某些相容剂的加入反而导致了断裂伸长率的下降，这可能与界面张力的增加有关。因此，选择合适的相容剂和优化其添加比例对于实现理想的性能至关重要。

总的来说，本研究强调了LLDPE在共混物设计中的重要性，特别是在提高延展性和细化液滴结构方面。通过调整基体和分散相的比例，以及合理使用相容剂，可以有效改善回收共混物的机械性能。同时，研究还指出，液滴数量在机械性能评估中具有更大的影响力，而非液滴尺寸本身。这为未来在回收材料设计中提供了新的思路，即通过优化液滴数量和分布来提升材料的综合性能。此外，研究中使用的PiFM技术为分析聚合物界面的化学变化提供了新的工具，尤其适用于低浓度相容剂的检测，为深入理解相容剂的作用机制奠定了基础。