聚苯乙烯/聚乙烯微/纳米层状薄膜的回收利用：熔体流变性质不匹配对诱导的形态和机械性能的影响

《Polymer Engineering & Science》：Recycling of Polystyrene/Polyethylene Micro/Nanolayered Films: Effect of Melt Rheological Properties Mismatch on Induced Morphological and Mechanical Performances

多微/纳米层薄膜回收与力学性能研究，采用无 tie-layer 的强制组装共挤技术制备 PS/LDPE 和 PS/LLDPE 多层薄膜，分析不同层数、拉伸速率和回收次数对材料力学性能及形态的影响。结果表明，多层结构在回收过程中保持优异力学性能，PS/LLDPE 系统延展性显著提升，为环保包装材料提供新策略。

　　近年来，随着全球对可持续发展和环境保护的关注日益增强，塑料包装材料的回收利用成为了一个重要的研究方向。传统多层塑料薄膜由于其复杂的结构和多种组分的存在，往往难以高效回收，而其回收过程中可能会产生污染、降解等问题，从而影响材料的性能和再利用价值。因此，如何设计出一种既具备优良性能又便于回收的新型多层材料，成为科研人员关注的焦点。

本研究提出了一种基于多微/纳米层结构的环保设计理念，旨在改善多层塑料包装材料的可回收性。传统多层材料通常依赖于粘接层（tie layers）来增强各层之间的结合力，但这类粘接层往往导致材料复杂化，并且在回收过程中容易被破坏，影响最终性能。而本研究中，采用了一种称为“强制组装共挤出”（forced assembly coextrusion）的新技术，通过精确控制多层结构的厚度，制造出由聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE）组成的新型多层薄膜，其体积比为90/10，与实际包装领域中常见的PS/PE组合相一致。这一技术无需使用粘接层，简化了材料结构，降低了生产成本，同时保留了材料的优良性能。

在实验过程中，研究者首先对PS/PE多层材料进行了机械回收测试，包括粉碎和双螺杆挤出熔融混合等步骤。通过这些过程，材料的微/纳米层结构被打破，转变为一种更复杂的纤维状或层状结构，这种结构有助于提高材料的机械性能，使其在回收后仍能保持良好的刚性和延展性。研究结果表明，经过多次回收后，材料的刚度（Young's modulus）并未显著下降，反而在某些情况下有所提升，说明这种新型多层结构在回收过程中具有较好的稳定性。

进一步的研究还分析了不同层数对材料性能的影响。研究发现，随着层数的增加，材料的刚度和延展性呈现出不同的变化趋势。例如，在DDR5（抽拉比为5）条件下，256层、1024层和2048层的材料在刚度方面优于32层材料。这可能与材料的微观结构变化有关，即随着层数的增加，材料的界面面积增大，从而在熔融过程中形成了更均匀的纤维结构。此外，研究还发现，在不同抽拉比条件下，材料的延展性也有所不同，DDR5条件下材料的延展性整体优于DDR1，但随着回收次数的增加，这种差异在某些情况下会逐渐缩小。

通过扫描电子显微镜（SEM）对回收材料的微观结构进行了详细分析，结果表明，材料在回收过程中形成了不同的形态，如纤维状或层状结构，这在一定程度上改善了材料的机械性能。研究还发现，材料的延展性和断裂伸长率在不同回收次数下表现出一定的变化，这可能与材料在热机械处理过程中发生的结构变化有关。例如，LDPE（低密度聚乙烯）由于其高长链支化（LCB）含量，在热处理过程中更容易发生交联反应，从而提升其刚度。相比之下，LLDPE（线性低密度聚乙烯）由于其线性分子结构，在热处理过程中更倾向于发生链断裂，导致其刚度略有下降。

此外，研究还探讨了不同层数对材料性能的影响。在DDR5条件下，随着层数的增加，材料的刚度和延展性均有所改善。这表明，多微/纳米层结构不仅有助于提升材料的性能，还能在回收过程中保持这些性能，从而为可持续材料设计提供了新的思路。值得注意的是，虽然某些材料在多次回收后表现出性能的下降，但总体而言，其性能仍优于传统多层材料，尤其是在刚度方面。

在实际应用中，这种新型多层结构具有重要的意义。它不仅减少了材料的种类，使得回收过程更加简便，还能够通过调整层数和抽拉比来优化材料的性能。这为塑料包装行业提供了一种新的材料选择，有助于推动行业向单一材料（mono-material）方向发展，从而减少对环境的影响。同时，这种技术也能够为其他类型的多层材料提供借鉴，推动更多环保材料的研发和应用。

综上所述，本研究通过引入一种新型的多微/纳米层结构，探索了塑料包装材料在回收过程中的性能变化，并验证了其在机械性能上的稳定性。实验结果表明，这种结构在多次回收后仍能保持良好的性能，为塑料回收提供了新的可能性。未来，该技术有望在工业生产中得到应用，从而推动塑料包装行业向更加环保和可持续的方向发展。然而，目前的研究仍处于实验室阶段，要实现该技术的工业化应用，还需要进一步的探索和优化，特别是在材料的微观结构控制和回收过程的稳定性方面。