聚乙烯/石蜡油二元及三元共混体系微观形貌与流变性能的研究

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利用热致相分离法(TIPS)制备聚合物微孔膜过程中,原料参数及外部流场的变化直接影响最终制品的孔结构和性能。聚乙烯(PE)/石蜡油是一种典型以TIPS法制备微孔膜的共混体系,但单一种类PE对结构和性能的限制程度较大,通过向该体系中引入第三组分,可以有效改善其加工流变性能,并调控微观形貌。使用小幅振荡剪切(SAOS)可以对共混体系的线性剪切流变行为进行表征,但SAOS只能提供线性粘弹性,对加工流场的变化敏感性不足。大幅振荡测试(LAOS)对非线性粘弹性进行评估更符合实际加工情况,对结构更敏感。目前国内外针对热致相分离PE微孔膜的研究工作主要围绕材料、稀释剂、成型工艺条件对热致相分离后成孔的调控开展工作,对于聚乙烯/石蜡油二元以及三元共混体系流变加工性能的关注较少。本文依托TIPS原理,制备了以聚乙烯(PE)为主体材料、石蜡油(LP)为稀释剂、PE2或乙烯-辛烯共聚物(POE)为第三组分的多种共混体系,使用SAOS研究共混体系的线性粘弹性能,利用LAOS诱导体系形成更加丰富的流变行为,明确PE/LP、PE/PE2/LP、PE/POE/LP二元以及三元共混体系的流变加工性能与微观形貌,为热诱导相分离PE微孔膜结构与性能的优化调控提供指导。1、使用DSC和PLM绘制了三种不同分子量的PE(PE1、PE2、PE3)与LP构成的二元共混体系相图,流变仪测试加工性能,SEM表征微观形貌。结果显示,PE1/LP无偏晶点φPE1,PE2/LP和PE3/LP体系偏晶点分别为φPE2=40%、φPE3=46%,存在液-液相分离。PE1与LP之间相容性最好,PE2次之,PE3最差,体系相容性有较强的分子量依赖性。相分离机制差异导致PE1/LP和PE2/LP、PE3/LP的微观形貌不同。PE1/LP的晶体结构比较突出,LP加入对其孔洞数量影响不大,成孔效果较差;PE2/LP和PE3/LP体系在LP含量大于50%后,孔洞数量明显增加。PE1分子量低,加入LP之后,加工性能优异;PE3分子量最高,缠结严重,LP含量大于50%后可以有效减弱挤出过程中的压力振荡,同时Lissajous曲线扭曲程度随着LP含量的增加而降低,缠结弱化,非线性响应降低。PE2/LP体系的加工性能介于PE1/LP和PE3/LP之间,随着LP含量的增加,非线性响应不断减弱,Lissajous曲线扭曲程度低于PE3/LP,抗应变能力更强。PE1/LP体系加工性能虽好,但成孔效果较差;PE2/LP和PE3/LP体系在LP含量大于50%之后,加工流变性能得到改善,成孔效果较PE1/LP更优异。2、选择与LP相容性接近,且成孔效果好的PE2与PE3组合作为聚合物基体,固定LP含量,使用SAOS、LAOS和SEM研究PE2:PE3配比对PE2/PE3/LP三元共混体系结构和性能影响,利用Lissajous曲线、FT变换对LAOS结果进行处理。发现,PE2:PE3从1:9变化至5:5,微孔数目不断增加,PE2含量增多可以减弱体系链缠结,使得LVE扩宽,松弛时间缩短,加工性能得到改善,大应变条件下的反应变得不敏感,Lissajous曲线逐渐趋于正弦,相对谐波强度In/1不断减小,非线性响应减弱。而PE2:PE3为6:4和7:3时,由于共混效果差,微孔塌陷,PE晶体聚集态突出,缠结程度增加,Lissajous曲线扭曲,In/1增大,抗大幅应变的能力减弱。在不同应变剪切场的作用下,PE2/PE3/LP体系的缠结密度发生变化,致使结晶速率受到影响,随着应变的增加而减小,同时合适的剪切场强度可以获取更加平滑的表面,孔洞尺寸得到细化,但大而快速的剪切场会对共混体系最终的形态造成不可逆的损伤。3、选择POE弹性体作为第三组分加入PE3/LP体系中,变换POE:PE3配比从1:9~5:5,使用SAOS、LAOS、SEM探究PE3/POE/LP三元共混体系的振荡剪切流变行为以及微观形貌。发现,POE/PE3配比为1:9时,对PE3/LP体系的成孔促进效果最好,粘度低,LVE为46.7%,加工性能优异。缠结网络简单,λ为0.1 s,在长时间的振荡场中,G’下降程度低,缠结网络较稳定。Lissajous曲线面积小,I3/1最小,为0.04,抵抗变形的能力高。固定POE:PE3配比为1:9,发现随着LP含量增加,成孔效果增加,共混体系的流动性增强,非线性响应不断减弱。此外,应变剪切场作用越强,PE3/POE/LP体系缠结越容易被打开,非等温结晶速率随之提升,孔洞形态也会在大应变条件下发生变化,孔径粗化现象明显。
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