聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）以其優異的物理性能和高成本效益，占全球塑料產量的約一半以上，且消費量逐年增長。PP剛性更強（抗彎曲性好），而PE柔韌性更優，PE與PP復合材料可結合兩者的特點。但是，由于兩種樹脂分子鏈結構與晶體結構的差異，PE與PP分子鏈之間作用力弱，兩者并不完全相容，強的界面張力導致相分離使PE與PP直接復合的材料力學性能大幅下降。同時由于PE與PP每年產生數百萬噸聚烯烴廢舊塑料混合物。因此，聚烯烴的混合物回收與高性能循環利用至關重要。
針對上述問題，湖北工業大學材料化學與工程學院、綠色輕工材料湖北省重點實驗室的李學鋒教授團隊報道了一種可逆的硼酸酯鍵將PE和PP的共混物轉化為動態交聯聚合物網絡。通過PE和PP分子鏈間強的相互作用控制實現復合樹脂高的界面強度與相容性，將原本低性能的PE和PP共混物轉化為強韌的PE/PP高性能復合樹脂。
相關研究成果以“Compatibilization of Polyethylene and Polypropylene via Dynamic Cross-Linking”為題發表在國際學術期刊《Macromolecules》上。論文第一作者為湖北工業大學碩士研究生鄒申言，通訊作者為李學鋒教授，第一單位為湖北工業大學。
圖1. a) dc-(PE60/PP40)-g-(D5-co-S2)的硼酸酯鍵動態交聯合成反應機理。b) PE、PP、PE60/PP40、(PE60/PP40)-g-(D5-co-S2)和dc-(PE60/PP40)-g-(D5-co-S2)的FTIR光譜。 c1，c2)分別在25°C和120°C溫度下，dc-(PE60/PP40)-g-(D5-co-S2)在二甲苯溶劑中的光學照片。c3)在120°C溫度下的dc-(PE60/PP40)-g-(D5-co-S2)在二甲苯和1,2-丙二醇的混合溶劑中光學照片。d) dc-(PE60/PP40)-g-(D5-co-S2)的解交聯反應反應機理。
以PE和PP的共混物PE60/PP40為基礎，利用硼酸酯官能化甲基丙烯酸甲酯（DBMA）為功能單體，苯乙烯（St）為共聚單體，以過氧化二異丙苯（DCP）為引發劑，接枝到PE60/PP40共混物中的主鏈上。然后與動態交聯劑1,4-對苯二硼酸酯（BA），通過復分解反應構建了PE和PP聚合物的動態共價網絡，從而制備動態交聯PE和PP的高性能復合樹脂dc-(PE60/PP40)-g-(Dx-co-Sy)，這里的D和S分別表示DBMA和St。該復合樹脂在25℃和120℃下在二甲苯溶劑中僅發生溶脹，表明動態交聯網絡在此條件下仍保持交聯狀態。dc-(PE60/PP40)-g-(Dx-co-Sy)在120℃的二甲苯與1,2-丙二醇混合溶劑中可溶解，說明硼酸酯鍵的動態打開可以引發復合樹脂發生解交聯。
通過優化接枝單體DBMA和動態交聯劑的含量，在DBMA、St和BA的添加量分別為5wt%、2wt%和0.5wt%時，dc-(PE60/PP40)-g-(Dx-co-Sy)的抗拉強度大幅提高了102.57% (從19.03 MPa提高到38.55 MPa)，斷裂伸長率提高了1422.22% (從63%提高到896%)，楊氏模量略有下降5.95% (從328.42 MPa到308.87 MPa)。與PE60/PP40相比，實現了強韌的高力學性能。采用商業聚烯烴彈性體POE樹脂在不同用量下改性PE60/PP40共混物的力學性能，即使是最佳優化產物PE60/PP40/POE15也遠低于可逆的硼酸酯鍵動態交聯結構的dc-(PE60/PP40)-g-(Dx-co-Sy)。
PE60/PP40的SEM圖像（圖2f）顯示PP在整個PE基質中不均勻地分散――這是不相容混合物的典型特征，容易導致性能大幅下降。相比之下，可逆的硼酸酯動態交聯鍵的引入減小了PP結構域的尺寸，提高了兩種分子鏈分散均勻性，增強了界面附著力，從而促進了PE與PP界面相容性。
圖 2. a)不同接枝單體DBMA含量的dc0.5-(PE60/PP40)-g-(Dx-co-S2)的應力-應變曲線。b)不同動態交聯劑含量的dcx-(PE60/PP40)-g-(D5-co-S2)的應力-應變曲線。c) PE、PP、PE60/PP40、PE60/PP40/POE15和dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2)的應力-應變曲線。d) PE、PP、PE60/PP40和dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2)的DSC曲線指示結晶溫度。e) PE、PP、PE60/PP40和dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2)的差熱DSC曲線熔點。f) PE60/PP40 (第一行)和dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2) (第二行)的SEM圖像。
熱塑性聚合物的機械力學性能通常會隨著再加工周期的增加而下降，這主要是由于高溫與高剪切應力下重復加工引起的樹脂熱機械降解。而dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2)通過硼氧鍵交換誘導的分子鏈重排，即動態硼酸酯鍵實現可逆酯交換反應，硼酸酯動態交聯樹脂表現出優異的循環加工的高力學性能。經過三個再加工循環后，通用的PE60/PP40和PE60/PP40/POE15的力學性能均明顯下降。在多次循環加工過程中，dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2)的楊氏模量、拉伸強度和斷裂伸長率等力學性能始終超過通用的PE60/PP40和PE60/PP40/POE15。
圖3. a)熱機械循環處理工藝。PE60/PP40、PE60/PP40/POE15和dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2)在第一次b)、第二次c)和第三次d)循環加工后的應力-應變曲線。
可逆的硼酸酯動態交聯鍵的引入使dc-PE60/PP40-g-(D5-co-S2)展現出卓越的機械力學性能。這一策略提供了高效且可規模化推廣的聚烯烴共混物相容化解決方案。這項研究工作的共同作者還包括美國馬薩諸塞大學達特茅斯分校的李大鵬研究員，以及湖北工業大學材料與化學工程學院的龍世軍副教授和黃以萬教授。該研究工作得到國家自然科學基金項目（52073083）和湖北隆中實驗室自主創新項目（2022ZZ-16）的資助。
原文鏈接：Compatibilization of Polyethylene and Polypropylene via Dynamic Cross-Linking
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c02898
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