聚对苯二甲酸乙二醇酯在聚丙烯高粘流体流动过程中微纤化研究

Blending or alloying of polymers based on the general polymeric materials as the matrix is an important and effective way to achieve high-performance, meanwhile, this method has a merit of low cost. On the basis of our previous research background, we are planning to use the "slit die melt extrusion-hot stretching-quenching" technique to fabricate the microfibril reinforced composites, where polypropylene (PP) is chosen as the matrix and poly(ethylene terephthalate) (PET) is the dispersed phase. We would like to invesitgate the microfibrillation of PET in the PP high viscous fluid during their flow, and further utilize the flow field to manipulate the morphology of PET microfibrils. Subsequently, the influence of PET microfibril on the crystallization behavior of the PP high viscous fluid is studied and the interfacial crystallization between PP matrix and PET microfibril can be understood. At last, PP/PET microfibril reinforced composites with excellent properties can be successfully fabricated. These fundamental results are favorable to widen the theory of morphology manipulation during the processing and understand the relationship of processing-structure-property, which paves the path to develop the high-performance general polymeric materials.

以通用高分子材料为主体的共混或合金化是达到其高性能化的一条重要途径，具有成本低、周期短等优点。本项目在前期研究基础上，拟采用"窄缝口模挤出-热拉伸-淬冷"工艺，制备微纤化增强通用塑料合金技术。选用聚丙烯作为基体相，研究聚对苯二甲酸乙二醇酯在聚丙烯高粘流体流动过程中的微纤化规律，从而实现流动场调控微纤的形态；随后，进一步研究流动场下微纤诱导聚丙烯基体相结晶以及微纤-聚丙烯基体界面晶体结构特性，从而指导制备性能优异的聚丙烯/苯二甲酸乙二醇酯微纤化增强塑料合金。本项目开展的基础研究有利于完善加工中形态控制理论和加深加工-结构-性能关系的理解，为进一步开发高性能的通用塑料合金提供理论基础。

通用塑料因易加工、价格低等优点，已成为用量最大、应用最广的一类塑料。然而其强度低，耐热性差等缺点极大程度限制了其在更高性能要求领域的使用。因此，对通用塑料高性能化意义重大。本项目提出“窄缝口模挤出-热拉伸-淬冷”技术，制备了微纤纳纤化通用高分子增强材料。利用加工中拉伸流动场使分散相原位成纤，且当纤维减小到微米甚至纳米尺度时，增强效果明显提高。研究发现基体相与分散相的粘度比越大，二者间的剪切作用越强，原位生成的纤维尺寸越小。揭示了流动场作用下基体相在取向纤维表现附生结晶行为机理：弱流动场下，基体相分子链快速松弛，并在取向纤维表面附生生长，生长过程中基体相片晶发生滑移与破碎，沿流动场方向重排；强流动场下，基体相分子链优先沿流动场方向排列，形成典型杂化串晶结构。力学性能测试表明附生的杂化串晶改善了两相界面粘结，显著提高共混物的强度和韧性，为实际制备高性能通用高分子材料提供了理论基础。基于上述研究工作，将所提出的技术扩展到全生物可降解聚丁二酸丁二醇酯(PBS)/聚乳酸(PLA)原位纳纤共混物的制备中，通过控制拉伸速率和拉伸比，PBS能在PLA中形成连续的、高长径比的纳米纤维。并且PLA可在PBS纳纤表面附生结晶，形成大量杂化串晶结构，同时提高共混物的强度和韧性。相比于普通共混物，PBS/PLA原位纳纤共混物的强度和韧性可分别提高30%和70%。进一步，利用“受限成片技术”使PBS纳纤受压变形为密集的、连续的纳米片。该结构在PLA基体中构筑了高强“纳米阻隔墙”，阻碍了气体分子的扩散。在保持优异力学性能的同时，显著提高气体阻隔性。如20 wt%PBS/PLA纳米片复合材料的氧气透过系数只有0.2 × 10–14 cm3 cm cm–2 s–1 Pa–1，比纯PLLA和纯PBS分别降低了86%和67%。兼具高力学强度和高气体阻隔的PBA/PLA薄膜在食品药品包装领域有潜在应用价值。