基于聚乙烯力學性能優化的改性方法淺析

劉 笑，吳陽江，吳冬燕，張正中，劉 昊

（蘇州工業職業技術學院 江蘇 蘇州 215104）

1 引言

聚合物嚴格意義上包含低聚物和高聚物，高分子與聚合物的概念大部分相交疊。一般而言，聚合物代表的是高聚物，因此聚合物在絕大多數情況下和高分子是同義詞。高分子材料有天然和非天然之分，天然高分子有較長使用歷史，但非天然高分子的出現距今不到兩百年，經過一百多年，特別是近五六十年的高速發展，高分子材料作為材料的一種，已遍布人類生產生活等經濟活動的方方面面，成為與無機非金屬材料、金屬材料并列的重要材料。

從特性視角來看，高分子材料可以分為塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑以及復合材料六種。高分子材料一般具有電絕緣性、低熱傳導性以及一定程度的彈性與拉伸性能。此外，根據需要，可以對高分子材料進行改性或設計合成，形成某些功能性高分子，具有諸如一定的剛性、電激活性、耐火性、類生物酶等其他特性。

聚乙烯(PE)是一種常見的工業聚合物，絕緣性、延展性相對較好，但應用時在力學性能方面卻存在一些不足，需要對其進行改性后才能使用，近年來，針對聚乙烯力學性能優化的改性方法如下。

2 聚乙烯改性方法概述

PE是一種熱塑性材料，其工業化生產始于上世紀三十年代，兼具價格低廉，加工方便的優點，需求量較大。PE從密度上劃分，可以分為高密度、中密度和低密度三種。高密度PE通過低壓方式制造，表面硬度較高，環境耐受力較強，廣泛應用于各類管材、片材的生產中。中密度PE的性能介于高密度和低密度PE之間，在薄膜及容器中經常被使用。低密度PE，材質較軟，透明性較好，主要用來制造塑料袋及保溫膜等。其中，線性低密度PE透明度略差，但具有良好的低溫韌性和較高的模量，有一定的抗沖擊性能。

當PE本身所具有的屬性不滿足應用環境的要求是，常采用改性的方法對其某項性能進行針對性的調整。從改性的途徑來看，可將改性方法分為化學類方法和物理類方法，方法介紹和該方面的相關研究進展如下。

2.1 化學類改性方法

PE的化學類改性伴隨著PE應用領域的持續進展，一直活躍在研究和工業生產中，其改性途徑主要包括支化法和交聯法等方法。

對PE進行支化改性，主要是對其分子鏈進行其他官能團或鏈的接枝，從而實現浸潤性、彈性及粘結性等性能的調控。Bubeck在其文章中指出，長的支鏈通過茂金屬接入線性高分子鏈中，能有效提升其剪切稀釋特性，并對熔融體的彈性有較大加強[1]。付朝霞等研究者把馬來酸酐接枝PE用于Al(OH)3和PE的體系中，有效改善了粘結性，提升了體系的力學性能，并使混合溶體的流動性得到改善[2]。

化學反應交聯和輻照交聯是交聯改性的兩種基本方式，對PE而言，輻照方式簡單易行，但輻照對材料縱向厚度有要求，且要考慮PE鏈在輻照中的斷裂情形；化學反應方式限制較略少，效率較高，但需要引入新的化學物質。Kang等研究者使用二叔丁基過氧化物作為交聯劑，系統研究了高密度PE在交聯劑作用下的交聯情況，指出溫度控制在該化學交聯方式中相比剪切速率有著更大的影響[3]。Berger等研究者利用電子束輻照的方式，實現了PE的交聯，所獲得的交聯材料對小分子碳氫化合物滲透的阻擋性能比未輻照的PE有大幅增強[4]。

2.2 物理類改性方法

共混法和填充法是PE常用的物理類改性方法，搜索文獻可以發現，許多課題組在這兩種方法上有非常多的嘗試。

共混改性是在將兩種不同的高分子按一定的比例，充分混合后形成新的共混物來實現某些性能優化的方法，該方法成本低廉，性能調控范圍較寬，工藝流程相對簡單。李健等人通過熔融共混的方法，選用一種乙烯-丁烯的共聚物對PE材料進行改性，并對其結晶性能、流變行為和力學性能進行了研究，結果發現新的共混物熔融溫度提升，黏度大幅下降，力學性能仍能得到保持，并具有更好的流動性和加工性能[5]。Swan等研究者針對兩種重均分子量不同的高密度PE共混體系，其密度低于原始兩種混合前的材料，研究兩者組分對材料膨脹系數的影響，分析得出其中重均分子量較高的含量約為40%時，材料的膨脹系數達到最高[6]。

填充改性通常是針對熱塑性高分子材料，通過在其中加入無機顆粒來構建復合體系，使材料的某些性能得到優化。PE作為電纜包層常用的一種材料，在實際應用中，為了提升其安全性，一般會在其中添加阻燃劑。在阻燃效果方面，含鹵族元素的阻燃劑表現出優異的性能，但存在污染環境危害健康的風險，限制了其進一步的應用。許多無機顆粒可以作為環境友好型的阻燃劑，即使在燃燒中也不會產生危害環境的毒性物質。劉巖等研究者通過雙螺桿擠出的方法，制備二氧化鈦和低密度PE的共混復合材料，對其力學性能、熱性能和微觀結構進行研究，實驗數據顯示，復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率有了提高，并且發現熱穩定性得到了增強，在一定填充范圍內二氧化鈦未發生明顯的團聚現象[7]。劉鈺馨等研究者向低密度線性PE材料添加納米碳酸鈣粉末，研究了形成復合體系中PE的結晶行為，數據結果顯示納米碳酸鈣能夠使其中的有機組分晶體生長更完善，有利于降低低密度PE晶體被外界應力的破壞程度[8]。

3 聚乙烯改性方法展望

材料應用性能的優化與其微觀結構的調控密不可分，作為結晶的聚合物材料，PE的力學性能與其結晶過程中晶區與非晶區的狀態有直接關系。空間受限法是影響聚合物結晶生長過程的重要技術手段，由于其具有較強的可操作性以及成本相對低廉等優點，被部分聚合物材料公司所使用。在聚合物材料生產中添加金屬粉末可影響其內部凝聚態結構，進而顯著改變材料的力學性能。在PE中填充金屬粉末，能夠通過聚合物內的異質結構顯著影響PE的晶體生長，并借助填充濃度和顆粒大小的調節對晶體生長過程與體系結構進行有效控制。PE材料在其晶體受控生長和微觀結構的關系方面已有一些研究者的結果，但如何通過填充工藝設計與填充材料性狀選擇去提升力學強度，在未來還非常需要系統的研究。