聚乙烯相結構與性能的關系

郭 敏，潘國元，任敏巧，張 楊，劉軼群

（中國石化 北京化工研究院， 北京 100013）

雙峰聚乙烯的低分子量部分為不含共聚單體的均聚聚乙烯，而高分子量部分為含共聚單體的共聚聚乙烯，它的雙峰分子量分布以及不同于普通聚乙烯的共聚單體分布使其具有理想的加工性能和力學性能，在薄膜、中空吹塑、高性能管材等方面獲得廣泛的應用［1-2］。聚乙烯為結晶型聚合物，在固體狀態下存在晶區和非晶區兩相。由于研究人員采用的實驗手段不同，對聚乙烯共混物的相結構，尤其是高密度聚乙烯（HDPE）和含支鏈的線型低密度聚乙烯（LLDPE）共混物在熔體狀態下是否發生相分離、固態下的相結構與熔體中的相結構是否保持一致等問題，還存在一些爭議［3-9］。聚乙烯共混物的相結構除了受熱力學因素影響外，熔融共混過程中的動力學因素也是影響相結構的重要因素。

本工作將均聚低分子量組分HDPE和共聚高分子量組分LLDPE在雙螺桿擠出機上按不同比例熔融共混，并進行了力學性能、流變和DSC測試，以表征共混物中的均聚組分與共聚組分的溶混性；研究了動力學因素對共混物相結構的影響，考察了組分黏度差異和共混設備對共混可達到的均勻程度及共混物力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

HDPE粉料：熔體流動指數（MI）（10 min）為600 g，采用BCE催化劑生產，由中國石化揚子石化公司4902T牌號的第一反應釜取出干燥得到；LLDPE粉料：MI（10 min）為0.04 g，中國石化北京化工研究院通州試驗基地Unipol中試裝置生產，密度為0.92～0.93 g/cm3。

1.2 共混加工方法

采用Thremo Fisher公司的Poly OS型哈克轉矩流變儀制備聚乙烯共混物。密煉機附件的溫度設置為200，200，200 ℃，將混合物加入密煉機，以60 r/min的轉速混合6 min，收集制備的試樣。單螺桿擠出機附件的溫度設置為230，230，230，200 ℃，以40 r/min的擠出速度擠出造粒。雙螺桿擠出機的長徑比為40∶1時，溫度設置為170，180，200，200，200，230，230，230，230，200 ℃；長徑比為25∶1時，溫度設置為180，200，230，230，230，200 ℃；以100 r/min的擠出速度擠出造粒。

1.3 流變測試方法

用平板硫化機將待測試樣壓成厚度為2 mm的片，在美國科學流變儀公司的ARES-2KFRTN1-FCO-HR型應變控制型旋轉流變儀上進行動態測試。采用直徑2.5 cm的平行板夾具，板間距設定為1 mm。測試溫度190 ℃，氮氣氣氛，應變5%，頻率范圍0.017～100 rad/s。

1.4 SEM表征方法

將制成IZOD缺口沖擊試樣的聚乙烯沖斷后，在斷面上噴金，采用美國FEI公司XL-30型掃描電子顯微鏡觀察試樣的形貌。對于需要進行刻蝕的聚乙烯混合物試樣，采用液氮冷凍切片（壓片制品），得到平整的試樣截面，將截面懸掛在105 ℃的5 mL三氯苯與5 mL乙二醇單丁醚的混合溶劑中4 h，取出干燥后對斷面噴金，用于SEM表征。

1.5 DSC表征方法

采用Perkin Elmer公司Diamond型示差掃描量熱儀進行DSC表征。以10 ℃/min的速率將試樣升溫至200 ℃，然后以10 ℃/min的速率降溫至40 ℃，再以10 ℃/min的速率將試樣升溫至200 ℃，記錄試樣的結晶曲線和熔融曲線。

1.6 力學性能測試方法

1.6.1 拉伸性能

按照標準GB/T 1040.2—2006［10］，采用壓塑沖裁5A型試樣，在德國茲韋克公司的Zwick Roell Z005型拉伸試驗機上進行拉伸性能測試。選擇起始位置的夾具間距為50 mm，標準位移階段標距20 mm，實驗速度20 mm/min。

1.6.2 抗沖擊性能

按照標準GB/T 1843—2008［11］，采用壓塑機加工制樣，在德國茲韋克公司的Zwick Roell HIT50J型擺錘沖擊試驗機上測試常溫（20 ℃）和低溫（-20℃或-40 ℃）的懸臂梁缺口抗沖擊性能。

2 結果與討論

2.1 共混組分含量及加工方法對力學性能的影響

分別采用單螺桿、雙螺桿擠出機作為共混設備，制備了一系列不同HDPE/LLDPE比例的熔融共混試樣，采用流變測試、DSC和力學拉伸測試等方法對各種熔融共混物中的相分離情況進行了研究。

圖1為通過流變測試得到的采用各種共混方法制備的共混物的零切黏度與組成的變化趨勢，零切黏度由Cross模型回歸得到。從圖1可看出，各種共混方法制備的HDPE/LLDPE雙峰聚乙烯的零切黏度與組成均不符合對數加和原理，即說明各種共混方法得到的共混物在熔體狀態下均存在液液相分離情況。

由熔融共混加工的常識可知，單螺桿擠出機的混合效果比雙螺桿擠出機差，但是流變測試結果顯示出各種共混方法均難以得到均相的共混物。對各種共混方法得到的共混物的力學拉伸性能進行了比較。采用單螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的拉伸性能見圖2。由圖2可見，斷裂強度在低分子量組分HDPE含量為60%（w）時發生突變。圖2的實驗結果表明，在單螺桿加工條件下，可能出現了相分離結構。

在采用雙螺桿擠出機將高分子量組分與低分子量組分熔融共混制備雙峰HDPE的過程中，當高分子量組分含量不超過50%（w）時，均沒有出現拉伸硬化現象，且雙峰HDPE的結晶度和拉伸模量隨兩組分組成的改變呈單調變化，但斷裂強度卻存在不規則的變化；當高分子量組分為次要組分時，共混物的斷裂強度明顯低于任何一個純組分［12-16］。

圖1 零切黏度隨HDPE/LLDPE共混物中HDPE含量變化的趨勢Fig.1 The changing trend of η0 with HDPE content in HDPE/LLDPE blends.a Single-screw extruder；b Twin-screw extruder L/D=25∶1；c Twin-screw extruder L/D=40∶1 HDPE：high density polyethylene；LLDPE：linear low-density polyethylene；η0：zero shear viscosity；L/D：length-diameter ratio.

圖2 采用單螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of HDPE/LLDPE blends prepared by single-screw extruder.

采用混合效果更好的長徑比為25∶1的雙螺桿擠出機作為共混設備，得到的共混物的拉伸性能如圖3所示。由圖3可見，當HDPE含量為60%（w）時，仍然存在拉伸硬化現象，直到HDPE含量增至70%（w）時，拉伸硬化現象才消失。這說明占次要組分的高分子量LLDPE組分在經過雙螺桿擠出機共混后比單螺桿擠出機分散得更均勻，使得高分子量組分能夠有效地承載體系受到的拉伸應力，所以才會使共混物在HDPE含量為60%（w）時仍然存在拉伸硬化現象。

當雙螺桿擠出機的螺桿長徑比為40∶1時，所制備的HDPE/LLDPE共混物的拉伸性能見圖4。由圖4可見，共混物的拉伸性能并沒有比采用長徑比為25∶1的雙螺桿擠出機更好，反而與單螺桿擠出機的加工效果類似。這可能是因為共混物在雙螺桿中的停留時間延長，分子鏈結構可能發生了變化［17］。

除拉伸性能外，對共混物的抗沖擊性能也進行了測試，結果見圖5。由圖5可見，不同加工方法得到的試樣的抗沖擊性能均隨HDPE組分的增加而單調下降，并沒有出現類似于拉伸性能在低分子量組分為主要組分時出現的突變現象。

圖4 采用長徑比為40∶1的雙螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of HDPE/LLDPE blends prepared by twin-screw extruder with L/D of 40∶1.

對采用長徑比為40∶1的雙螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物進行了DSC測試，以通過結晶峰的形狀對其相結構進行分析，結果如圖6所示。由圖6可見，圖中兩個純組分的結晶峰溫度相差約5 ℃，但共混物均只有一個結晶峰。由于對聚乙烯共混物的液液相分離研究尚存在一定的爭議，因此不同表征方法得到的不同狀態下（熔體狀態或結晶狀態）的有關相結構的結論還有值得探討的地方。

圖5 采用不同加工方法得到的共混物的懸臂梁缺口沖擊強度Fig.5 Notched izod impact strength of blends prepared by different processing methods.a Twin-screw extruder L/D=40∶1；b Single-screw extruder；c Twin-screw extruder L/D=25∶1

圖6 采用長徑比為40∶1的雙螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的DSC降溫結晶曲線Fig.6 DSC cooling crystallization curves of HDPE/LLDPE blends prepared by twin-screw extruder with L/D of 40∶1.

2.2 共混組分含量及加工方法對相結構的影響

若要更深入地了解共混物試樣中是否存在相分離的情況，可通過觀察斷面的形貌獲得最為直觀的證據。采用單螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的斷面SEM照片見圖7。從圖7可看出，當低分子量的HDPE組分含量超過50%（w）后，在共混物的斷面上可以明顯地觀察到橢圓形的分散相，尺寸分布很寬，最大約能達到幾百微米。這說明單螺桿共混加工后，高分子量LLDPE組分與低分子量HDPE組分由于分子量差異所導致的熔體黏度上的差異有兩個數量級（見圖1），通過剪切較弱的單螺桿加工設備進行的熔體共混難以達到均相結構。

圖7 采用單螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的斷面SEM照片Fig.7 SEM images of HDPE/LLDPE blends prepared by single-screw extruder.w(HDPE)/%：a 40；b 50；c 60

采用長徑比為25∶1的雙螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的斷面SEM照片見圖8。由圖8可見，雖然采用了混合效果更好的共混設備，但是仍然可以在低分子量HDPE組分含量超過50%（w）后觀察到明顯的分散相結構。

聚烯烴相互間的相容性不僅依賴于組分的分子量及其分布，還依賴于分子鏈的化學結構，如支鏈的含量、長度和位置。目前公認的是，共聚單體含量差別大于8%（x）時，聚乙烯體系發生相分離［8，18-21］。根據本體系中兩種聚乙烯的熔點和共聚單體含量，推測共聚單體含量差別遠遠小于8%（x），因此共混體系應該是熱力學相容體系，然而，由于這兩種組分的黏度差別較大，從動力學上的混溶不充分進行考慮，發現體系存在兩相結構，相疇尺度較大且不規則，最大尺寸約幾百個微米，為宏觀相分離，并且通過升溫或延長時間也很難能達到均相。由于這兩種組分的黏度差別較大，當高分子量組分含量小于50%（w）時，高黏度的高分子量組分以高黏彈粒子的形式懸浮于低黏度的HDPE中，發生“軟包硬”現象，此時低黏度的連續相難以有效傳遞流場作用促使高黏度的LLDPE實現良好的變形分散，分散效果差，出現了相分離。因此綜合有關相結構的測試結果，可以認為通過擠出熔融共混的方法制備的雙峰聚乙烯在低分子量組分含量達到或超過50%（w）時，共混物中均會出現相分離的現象。

圖8 采用長徑比為25∶1的雙螺桿擠出機制備的HDPE/LLDPE共混物的斷面SEM照片Fig.8 SEM images of HDPE/LLDPE blends prepared by twin-screw extruder with L/D of 25∶1.w(HDPE)/%：a 40；b 50；c 60；d 70

3 結論

1）采用雙螺桿擠出機制備的共混物的斷裂強度存在不規則的變化，當高分子量組分為次要組分時，共混物的斷裂強度明顯低于任何一個純組分。不同加工方法得到的試樣的抗沖擊性能均隨HDPE組分含量的增加而單調下降。

2）當高分子量組分LLDPE在共混物中的含量小于50%（w）時，共混試樣中會觀察到橢圓狀的分散相，從而直觀地看到共混物中存在較大尺度的相分離結構。

3）兩種組分黏度差異大造成的相分離對HDPE/LLDPE共混物的力學性能有一定的影響。