LLDPE/LDPE共混物的結(jié)構(gòu)與性能

李 瑞（中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶化工研究中心，黑龍江省大慶市 163714）

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LLDPE/LDPE共混物的結(jié)構(gòu)與性能

李 瑞
（中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶化工研究中心，黑龍江省大慶市 163714）

摘 要：以線型低密度聚乙烯（LLDPE）與低密度聚乙烯（LDPE）為原料，按m（LLDPE）∶m（LDPE）=75∶25共混，經(jīng)擠出機(jī)熔融吹膜制備了LLDPE/LDPE薄膜。采用差示掃描量熱儀、凝膠滲透色譜儀、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、霧度儀和旋轉(zhuǎn)流變儀等研究了LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE共混物的結(jié)晶行為、流變行為、熱性能以及所制薄膜的力學(xué)性能、光學(xué)性能等，并簡(jiǎn)要分析了其各項(xiàng)性能得到改善的原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：LLDPE/LDPE薄膜具有較好的綜合力學(xué)性能、光學(xué)性能、加工性能。

關(guān)鍵詞：線型低密度聚乙烯 低密度聚乙烯 共混物 力學(xué)性能 加工性能

線型低密度聚乙烯（LLDPE）是乙烯與1-丁烯或1-己烯等共聚單體共聚合的產(chǎn)物，主鏈上無(wú)規(guī)插入共聚單體使聚合物含有相當(dāng)數(shù)量的支鏈，長(zhǎng)度不同的支鏈直接影響聚合物的力學(xué)性能和加工性能。LLDPE分子鏈呈線型且具有一定數(shù)量的短支鏈，其各項(xiàng)力學(xué)性能（如彎曲性能、拉伸性能、抗沖擊性能等）與低密度聚乙烯（LDPE）相比有較大的提高，但LLDPE透明性略差，加工性能不如LDPE。LDPE具有較寬的相對(duì)分子質(zhì)量分布、較長(zhǎng)及較短的支鏈，結(jié)晶度較低，剪切變稀行為敏感，且在吹塑過(guò)程可產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象使膜泡穩(wěn)定、厚度均勻，因此具有較好的加工性及透明性。采用將LLDPE與LDPE按比例混合的方法，將兩組分所具有的優(yōu)良性質(zhì)賦予共混物，以提高其加工性和透明性［1］。研究表明，當(dāng)LLDPE與LDPE按75∶25質(zhì)量比共混，LLDPE/LDPE共混物性能達(dá)到最佳［2］。本文研究了具有最佳LLDPE與LDPE配比的共混物的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布、結(jié)晶性能、加工性能，所制薄膜的力學(xué)性能以及光學(xué)性能。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

LDPE，18D；LLDPE，DFDA7047：均為中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司生產(chǎn)。

1.2儀器與設(shè)備

GPC150CV型凝膠滲透色譜儀，美國(guó)沃特斯公司生產(chǎn)；5965-Z型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，英國(guó)Instron公司生產(chǎn)；DHR-2型旋轉(zhuǎn)流變儀，美國(guó)TA儀器公司生產(chǎn)；Cat.NO.472型霧度儀，德國(guó)BYK公司生產(chǎn)；SJ-45*25-FM600型立式吹膜機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械廠生產(chǎn)；SLF-35B型雙螺桿擠出機(jī)，成都塑料研究所生產(chǎn)；DSC-Pyris Diamond型差示掃描量熱儀，美國(guó)PE公司生產(chǎn)。

1.3試樣制備

將LLDPE，LDPE 按75∶25的質(zhì)量比混合，采用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，擠出機(jī)的9段溫度設(shè)定分別為150，160，165，170，175，175，175，175，170℃。LLDPE，LDPE及LLDPE/LDPE共混物在立式吹膜機(jī)中熔融吹制成膜，吹膜機(jī)的6段溫度設(shè)定分別為160，165，170，175，175，170 ℃。

1.4測(cè)試與表征

相對(duì)分子質(zhì)量及其分布采用GPC150CV型凝膠滲透色譜儀測(cè)量，3根PLgel 10 μm MIXED-B色譜柱，以1，2，4-三氯代苯為流動(dòng)相，測(cè)量溫度為150 ℃，流速為1.0 mL/min，試樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。

差示掃描量熱法（DSC）分析：氮?dú)獗Ｗo(hù)下，流量50 mL/min，將試樣從50 ℃快速加熱到200 ℃，并在200 ℃保溫5 min，以消除熱歷史，然后以10 ℃/min降溫至50 ℃，恒溫5 min，以10 ℃/min升溫至180 ℃，記錄其降溫和二次升溫曲線。

旋轉(zhuǎn)流變測(cè)試：將旋轉(zhuǎn)流變儀升溫至200 ℃，放上厚度為1 mm，直徑為2 cm的試樣，角頻率為0.05～100.00 rad/s，測(cè)試剪切速率、剪切黏度及剪切應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

連續(xù)自成核退火分級(jí)（SSA）：氮?dú)獗Ｗo(hù)下，流量50 mL/min，將試樣以50 ℃/min從50 ℃快速升溫到165 ℃，并在165 ℃條件下保溫5 min，以消除熱歷史，然后以25 ℃/min降溫至0 ℃，恒溫5 min，重復(fù)上述操作，溫度設(shè)定依次為125，120，115，110，105，100，95，90，85，80 ℃，以10 ℃/min升溫至160 ℃，記錄二次升溫曲線。

薄膜拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測(cè)試；薄膜直角撕裂強(qiáng)度按QB/T 1130—1991測(cè)試；結(jié)晶度（Xc）及熔點(diǎn)（tm）按ISO 11357：2008測(cè)試；相對(duì)分子質(zhì)量及其分布按ASTM D 6474—2006測(cè)試；霧度按GB/T 2410—2008測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1相對(duì)分子質(zhì)量及其分布

對(duì)應(yīng)于完全均一或單分散的聚合物，通常相對(duì)分子質(zhì)量分布（Mw/Mn，Mw為重均分子量，Mn為數(shù)均分子量）及Z均分子量（Mz）/Mw約等于1。一般情況，Mz/Mw高表示高相對(duì)分子質(zhì)量部分含量多，而Mw/Mn高表示有低相對(duì)分子質(zhì)量物質(zhì)拖尾。Mw受聚合物中高相對(duì)分子質(zhì)量部分影響較大，Mn受低相對(duì)分子質(zhì)量部分影響較大，Mz主要受聚合物分子鏈中最長(zhǎng)鏈數(shù)目的影響［3］。

從表1可以看出：LLDPE/LDPE共混物的Mw比傳統(tǒng)LDPE，LLDPE都小，高、低相對(duì)分子質(zhì)量部分含量和Mw/Mn處于LDPE，LLDPE之間。LDPE具有較寬的Mw/Mn，其低相對(duì)分子質(zhì)量部分可以降低熔體的表觀黏度，起到內(nèi)增塑作用，提高剪切變稀敏感性，使產(chǎn)品加工性能得到改善。LDPE的Mz最大，說(shuō)明其長(zhǎng)支鏈數(shù)目最多，也可以提高產(chǎn)品的加工性能。LLDPE的Mw/Mn窄，所以有更小的剪切變稀敏感性，在剪切過(guò)程中保持了更大的黏度，因而，比具有相同熔體流動(dòng)速率的LDPE難加工。因此，加入一定比例易加工的LDPE后，LLDPE/LDPE共混物加工性能較LLDPE有較大改善。

表1　LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE共混物的凝膠滲透色譜測(cè)試Tab.1 GPC test of LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE blend

2.2熱性能

聚合物的熔融行為主要受其結(jié)晶形態(tài)的影響，而結(jié)晶形態(tài)受聚合物支化度的影響［4］。在LLDPE中，無(wú)支鏈的線型鏈段長(zhǎng)度的分布很寬，可以形成大而穩(wěn)定且接近完整的層晶，因此LLDPE的tm（121.82 ℃）比LDPE的（108.43 ℃）高。這可能是由于催化劑不同活性位的共聚合能力和共聚合效率不同所致。而LDPE的短支鏈?zhǔn)且蚍肿渔渻?nèi)鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)-自由基的返嚙作用引起分子重排而產(chǎn)生的，每個(gè)增長(zhǎng)鏈具有同等發(fā)生支化的概率。另外，LDPE的Mw/Mn比LLDPE寬很多，高相對(duì)分子質(zhì)量及低相對(duì)分子質(zhì)量部分都對(duì)鏈的摺疊結(jié)晶不利，也可能是LDPE的tm比LLDPE低的一個(gè)原因。與LLDPE一樣，LDPE的短支鏈沿一個(gè)分子鏈的分布是無(wú)規(guī)的，但分子鏈間產(chǎn)生支鏈的概率要?jiǎng)蚍Q得多，即大多數(shù)鏈具有平均的支鏈數(shù)，影響聚乙烯摺疊結(jié)晶效果更顯著。從表2可以看出：LLDPE/ LDPE共混物的Xc、結(jié)晶溫度（tc）和熔融焓（?Hm）等均介于LDPE和LLDPE之間。這是由于LDPE分子鏈長(zhǎng)短不一，結(jié)構(gòu)不規(guī)整阻礙了LLDPE的規(guī)整堆砌，使最終形成的晶體結(jié)構(gòu)不完善所致。

表2　LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE共混物的DSC數(shù)據(jù)Tab.2 DSC test of LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE blend

2.3熱分級(jí)

SSA是根據(jù)聚合物熔融再結(jié)晶過(guò)程中不同鏈結(jié)構(gòu)單元形成相對(duì)應(yīng)厚度的穩(wěn)定片晶，而不同厚度片晶的tm不同間接表征分子鏈結(jié)構(gòu)的一種方法。從圖1可以看出：3個(gè)試樣熱分級(jí)后的曲線均含有多重熔融峰，是由于不同鏈結(jié)構(gòu)單元在結(jié)晶過(guò)程中形成不同厚度片晶所致。LLDPE分級(jí)后在熔融峰峰溫為126.0 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)級(jí)分含量最高，為L(zhǎng)LDPE中支鏈含量少、亞甲基序列較長(zhǎng)的分子；而在熔融峰峰溫為84.3 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)級(jí)分含量最低，為L(zhǎng)LDPE中支鏈含量多、亞甲基序列較短的分子。LDPE在熔融峰峰溫為110.6 ℃時(shí)，級(jí)分含量最高；而在熔融峰峰溫為85.2 ℃時(shí)，級(jí)分含量最低。LLDPE/LDPE共混物與LLDPE均含有類似的多重熔融峰，說(shuō)明二者片晶厚度尺寸分布相同，只是相對(duì)厚的片晶含量較LLDPE少，該測(cè)試結(jié)果與DSC測(cè)試結(jié)果相同。

圖1　LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE共混物的SSA曲線Fig.1 SSA curves of LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE blend

2.4薄膜性能測(cè)試

2.4.1力學(xué)性能

從表3可以看出：LLDPE/LDPE薄膜力學(xué)性能介于LLDPE薄膜與LDPE薄膜之間，是因?yàn)長(zhǎng)DPE本身的拉伸性能差，并且LDPE的加入使共混物Xc較LLDPE的低所致。對(duì)具有相同密度和熔體流動(dòng)速率的LLDPE和LDPE，LLDPE鏈比LDPE鏈長(zhǎng)得多，因而具有較長(zhǎng)、較多系帶，可以把晶體鏈接在一起，必須將其解體才能使樹(shù)脂或制品破壞，所以LLDPE具有優(yōu)異的力學(xué)性能［5］；而LDPE由于系帶分子很少，每個(gè)分子只能參與局部晶區(qū)，LDPE的拉伸強(qiáng)度、屈服應(yīng)力及斷裂標(biāo)稱應(yīng)變均低于LLDPE。LDPE薄膜的直角撕裂強(qiáng)度較大，是因?yàn)長(zhǎng)DPE的長(zhǎng)支鏈在大分子間形成物理纏結(jié)點(diǎn)從而使LDPE分子間作用力增強(qiáng)。因此，加入適當(dāng)比例LDPE后，LLDPE/LDPE薄膜仍能維持較好的綜合力學(xué)性能，性能介于LLDPE和LDPE之間。

表3　LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE薄膜的性能Tab.3 Properties of LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE blend film

2.4.2光學(xué)性能

LDPE薄膜霧度最低，透明性好，而LLDPE薄膜透明性最差，LLDPE/LDPE薄膜透明性介于二者之間（見(jiàn)表3）。這是由于LLDPE的高相對(duì)分子質(zhì)量部分含有的支鏈較少，成核速率比支鏈較多的低相對(duì)分子質(zhì)量部分快，最終產(chǎn)品的Xc高并且容易產(chǎn)生較寬的片晶尺寸分布，從而影響薄膜透明度。而LDPE含有較多的長(zhǎng)支鏈和短支鏈，支鏈破壞了分子的對(duì)稱性和規(guī)整性，降低了其結(jié)晶能力使LDPE具有更低的Xc。當(dāng)光透過(guò)LDPE薄膜時(shí)，較低的Xc極大減小了光線在晶體界面產(chǎn)生的散射、折射的概率，使LDPE薄膜具有較小的濁度、較優(yōu)良的光學(xué)性能，透明性好。薄膜的光學(xué)性能主要由兩方面決定，一方面是本征性能（即長(zhǎng)短支鏈）對(duì)結(jié)晶的影響，另一方面是加工過(guò)程中的影響。在加工條件不變的情況下，Mw/Mn對(duì)光學(xué)性能有一定的影響，Mw/Mn寬，表明分子中可能存在一定量低相對(duì)分子質(zhì)量物質(zhì)，它在高剪切力下更容易流動(dòng)，成型加工時(shí)可降低擠出機(jī)模頭壓力，使薄膜表面更光滑，缺陷少，減少了光的散射、折射，使透明性提高。

2.5加工性能

聚合物的加工性能主要由加工過(guò)程中的熔體黏度決定，同樣加工條件下，熔體黏度越低，加工阻力越小，加工性能越好。從圖2可以看出：當(dāng)加入一定比例的LDPE時(shí)，LLDPE/LDPE共混物的熔體黏度隨著角頻率的增大而減小，仍屬于剪切變稀的假塑性流體。這是因?yàn)殡S著角頻率增加，大分子鏈更容易改變構(gòu)象，從而通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)破壞了原有分子鏈間的纏結(jié)，降低了流動(dòng)阻力，使熔體黏度下降，從而提高加工性能。從圖2還可以看出：在一定的角頻率范圍內(nèi)，當(dāng)角頻率恒定時(shí)，LLDPE的熔體黏度最大，LLDPE/LDPE共混物的熔體黏度低于LLDPE；隨著角頻率增加，LLDPE/LDPE共混物黏度下降幅度較LLDPE大，說(shuō)明LDPE的加入可改善LLDPE熔體的流變性能。這是因?yàn)榧尤胍欢ū壤齃DPE后，LDPE的長(zhǎng)支鏈?zhǔn)狗肿娱g的纏結(jié)點(diǎn)增多，對(duì)剪切作用敏感性增強(qiáng)。因此，使共混物的熔體黏度降低，改善了加工性能［6］。然而在高角頻率區(qū)，LLDPE/LDPE共混物的熔體黏度降低的幅度變小，甚至黏度與LLDPE比較接近。這是因?yàn)樵诟呓穷l率下，所有大分子鏈間的纏結(jié)幾乎完全被破壞，而新的纏結(jié)來(lái)不及形成（即解纏速率遠(yuǎn)大于纏結(jié)速率）。另外，加入的LDPE具有較長(zhǎng)支鏈，在吹塑過(guò)程可產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象使膜泡穩(wěn)定、厚度均勻，一定程度上改善了共混物加工性能。

圖2　LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE共混物的角頻率與黏度關(guān)系Fig.2 Relationship between angular frequency and melt viscosity of LLDPE，LDPE，LLDPE/LDPE blend

3　結(jié)論

a）LLDPE中加入適當(dāng)比例LDPE，LLDPE/LDPE共混物的tm和tc略有下降，Xc降低，光學(xué)性能提高。

b）LLDPE中加入適量比例LDPE，LLDPE/ LDPE薄膜仍能維持較好的綜合力學(xué)性能。

c）LLDPE中加入適量比例LDPE，LLDPE/ LDPE共混物的熔體黏度降低，可改善LLDPE的熔體流變性能，提高其加工性能。

4　參考文獻(xiàn)

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Structure and properties of linear low density polyethylene/ low density polyethylene blend

Li Rui
（Daqing Petrochemical Research Center，CNPC，Daqing 163714，China）

Abstract：Low density polyethylene（LDPE）and linear low density polyethylene（LLDPE）are blended with the mass ratio of 25∶75 to prepare LLDPE/LDPE blend film through melt blowing by extruder. The crystallization，rheological and thermal behaviors of LLDPE，LDPE AND LLDPE/LDPE are observed by differential scanning calorimetry，electric universal testing machine，gel permeation chromatography，haze meter and rotary rheometer as well as the mechanical and optical properties of the film. This paper describes the reasons of improvement for these performances as well. The results show that the blend film has good performance in mechanical，optical properties and processing.

Keywords：linear low density polyethylene； low density polyethylene； blend； mechanical property；processing performance

作者簡(jiǎn)介：李瑞，男，1984年生，碩士研究生，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)，現(xiàn)從事聚烯烴新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。聯(lián)系電話：15845818272；E-mail：lirui459@petrochina.com.cn。

收稿日期：2015-11-28；修回日期： 2016-02-26。

中圖分類號(hào)：TQ 325.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1002-1396（2016）03-0052-04