流变失配多层热塑性聚氨酯薄膜的限域效应对气体阻隔与力学性能的影响研究

本文通过高纵横比模具的层倍增共挤出技术，成功制备了具有显著粘度差异的多层热塑性聚氨酯（TPU）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）薄膜，揭示了空间限域效应对材料气体阻隔性和力学性能的协同增强机制。研究突破性地实现了粘度比达24:1、弹性比达80:1的聚合物组合（TPU A/TPU B/PETG）的稳定多层结构，并通过差示扫描量热（DSC）证实限域作用促进硬段域（HSD）重构，使氧气渗透率降低30%以上。该成果为高性能包装材料设计提供了新范式。

　　

引言

聚合物在食品、药品包装领域应用广泛，但传统高阻隔材料存在成本高、工艺复杂等问题。热塑性聚氨酯（TPU）因其独特的硬段（HS）和软段（SS）微相分离结构，兼具弹性和机械强度，但单一材料难以平衡阻隔性与柔韧性。本研究创新性地采用高纵横比（HAR）模具的层倍增共挤出技术，将流变性能差异显著的TPU（如刚性TPU A与柔性TPU B）与PETG组合，探索极端粘度比（最高24:1）下的多层薄膜性能调控机制。

实验方法

材料制备：选用Lubrizol公司提供的TPU A（Isoplast 2530A）、TPU B（Pellethane 2363-55D）、MA6及SK公司的PETG，通过九层供料块与HAR倍增器制备9-513层薄膜，层厚恒定0.76 mm。表征技术：采用旋转流变仪分析粘度比（205-216°C），扫描电镜（SEM）观察层状结构，差示扫描量热（DSC）检测热力学行为，氧渗透测试仪（ASTM D3985）评估阻隔性，Instron万能试验机进行拉伸/穿刺测试。

结果与讨论

流变与结构稳定性：尽管TPU A/TPU B的弹性比达79:1，SEM显示129层结构仍保持完整（图4），归因于HAR模具的熔体分割-堆叠优化。热力学行为：DSC揭示33层TPU B/PETG的熔融焓（ΔH）从1.4 J/g增至4.2 J/g（图5），表明限域诱导HSD尺寸细化（Tm₁从160°C降至112°C），形成更多界面氢键网络。

气体阻隔性能：33层TPU A/TPUB的氧渗透率较TPU A降低31%（0.010 vs 0.014 Barrer/mm），归因于HSD的曲折路径效应（图8）。但层数增至513层时，微裂纹导致TPU B/PETG渗透率回升28%。力学性能：129层TPU A/TPU B的模量达1055 MPa（接近TPU A的78%），穿刺强度保持稳定（图9-10），得益于HSD的应力分散作用。

结论

通过调控TPU多层薄膜的限域效应，首次实现超高粘度比体系的稳定加工，其中33层TPU A/TPU B展现出最优综合性能。该研究为开发兼具高阻隔性、机械强度与可持续性的包装材料提供了新策略，尤其在药品防渗透包装领域具有应用潜力。未来可进一步探索层间化学交联对微裂纹的抑制作用。