［摘要］采用5種國內(nèi)外高密度聚乙烯（HDPE）樹脂在相同的吹膜條件下制備了具有不同挺度的吹膜制品，利用DSC，WAXD，SAXS等方法研究了吹膜試樣的微觀結(jié)構(gòu)與挺度之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，樹脂的密度或彎曲模量不能完全決定薄膜制品的挺度性能。HDPE吹膜中的大部分晶體排列均沿薄膜縱向方向，少量晶體沿著其他方向無規(guī)排列。薄膜的取向度增加，平均楊氏模量越大，挺度越好。薄膜的結(jié)晶度越大，平均楊氏模量越大，薄膜的挺度越好。薄膜制品的結(jié)晶度和取向度共同決定了制品的挺度性能。
高挺度高密度聚乙烯（HDPE）薄膜可以用于制作購物袋、復(fù)合包裝膜、襯墊、農(nóng)膜、食品袋、箱子內(nèi)襯等。在包裝應(yīng)用上，若挺度不夠，即薄膜太軟，不利于印刷和制品形狀的保持。國內(nèi)對高挺度聚乙烯膜料的市場需求較大，并且呈現(xiàn)上升趨勢，但目前該樹脂材料仍大部分依賴于進(jìn)口。近幾年，中國石化茂名分公司已經(jīng)成功開發(fā)出高挺度HDPE薄膜專用料［1］。
國內(nèi)外對薄膜的力學(xué)性能已有廣泛的研究，例如撕裂強(qiáng)度、抗穿刺性、拉伸強(qiáng)度等［2-4］，但對薄膜挺度并沒有給出明確概念。目前關(guān)于材料挺度測試的國家標(biāo)準(zhǔn)有兩類：1）針對紙和紙板，執(zhí)行GB/T22364—2008［5］，測試方法有靜態(tài)彎曲法和共振法；2）針對紡織品，執(zhí)行GB/T18318.1—2009［6］，將紡織品織物裁切成標(biāo)準(zhǔn)試樣，放在一個平臺上面，以固定速度推試樣，直到試樣自然下垂呈41.5°，伸出平臺的長度可換算成紡織品織物的抗彎剛度或叫挺度。相對紙板，聚烯烴薄膜太軟，不適合用靜態(tài)彎曲法和共振法；若用紡織品的彎曲法測試，由于聚烯烴薄膜的靜電作用太強(qiáng)，與平臺會有相互作用，無法得到有效的實驗結(jié)果。因此，目前尚無測試聚烯烴薄膜挺度的國家標(biāo)準(zhǔn)。
有文獻(xiàn)指出樹脂的密度和加工條件會影響吹膜的挺度性能［7］，但對微觀結(jié)構(gòu)與挺度的關(guān)系并沒有深入研究。生產(chǎn)樹脂的廠家通常基于HDPE樹脂的密度來判斷用該樹脂加工所得薄膜的挺度，樹脂密度越大則生產(chǎn)的薄膜挺度越大。但也有情況與此經(jīng)驗規(guī)律相悖，即密度大的樹脂制備的薄膜挺度比密度小的樹脂制備的薄膜挺度低。
本工作采用5種國內(nèi)外HDPE樹脂在相同的吹膜條件下制備了具有不同挺度的吹膜制品，利用DSC，WAXD，SAXS等方法分析了吹膜試樣的微觀結(jié)構(gòu)與挺度之間的關(guān)系。
1實驗部分
1.1原料
五種HDPE的編號及基本參數(shù)見表1，制備的吹膜分別記為F1#，F(xiàn)2#，F(xiàn)3#，F(xiàn)4#，F(xiàn)5#。根據(jù)薄膜用戶包裝使用情況反映的薄膜挺度優(yōu)異程度順序為：F2#>F1#>F3#>F4#>F5#。
表1五種HDPE的編號及性能
1.2吹膜條件
采用德國Collin公司E45P型吹膜機(jī)進(jìn)行吹膜，加工溫度為195℃，螺桿轉(zhuǎn)速30r/min，牽伸速率4.7m/min，模口直徑80mm，幅寬為15～16cm，薄膜厚度約為25μm。
1.3物理機(jī)械性能測試
彎曲模量按GB/T9341—2008［8］規(guī)定的方法測試；楊氏模量按GB/T1040.3—2006［9］規(guī)定的方法測試，拉伸速率50mm/min，分別測試了薄膜縱向（MD，順著機(jī)器輸出方向）和橫向（TD，垂直機(jī)器輸出方向）的楊氏模量。
1.4表征方法
采用Perkin-Elmer公司Diamond DSC型示差掃描量熱儀研究HDPE試樣的結(jié)晶行為和熔融行為：在氮氣氛圍中，首先將試樣以10℃/min的速率升至160℃并保持5min以消除熱歷史，然后以10℃/min的速率降至0℃，再以10℃/min的速率升至160℃。本工作中樹脂的熱性能是依據(jù)后兩遍循環(huán)過程所得數(shù)據(jù)曲線，薄膜的熱性能是依據(jù)第一遍升溫所得曲線數(shù)據(jù)。
WAXD采用Bruker公司D8Discover型二維Ｘ射線衍射儀測試：管電壓45kV，管電流900μA，CuKa射線（波長0.154nm），光束直徑0.5mm，二維面探測器的分辨率是2048×2048，像素尺寸68μm×68μm，試樣至探測器距離為62.8mm。由于膜較薄，為了有較好的散射信號，將薄膜折疊至厚度約100μm之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試樣曝光時間為600s。
SAXS采用Bruker公司Nanostar型小角X射線散射儀測試：X光波長為0.154nm，二維探測器分辨率為1024×1024，像素尺寸100μm，試樣到探測器的距離為1052mm，散射矢量范圍是0.07～2nm-1，SAXS的數(shù)據(jù)為扣除背景后的數(shù)據(jù)。由于膜較薄，為了有較好的散射信號，將薄膜折疊至厚度約500μm之后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試樣曝光時間為1800s。
2結(jié)果與討論
2.1樹脂的熱性能及彎曲模量
HDPE樹脂粒料的熱性能和彎曲模量見表2。結(jié)晶度根據(jù)測得試樣的熔融熱焓與聚乙烯100%結(jié)晶的理論熔融熱焓（293J/g）的比值計算［10］。從表2可看出，5種HDPE樹脂的結(jié)晶度、密度及彎曲模量的變化趨勢一致，即結(jié)晶度越大，密度越大，則彎曲模量越大。故通常認(rèn)為高結(jié)晶度（高密度）樹脂具有高彎曲模量，因此制備的吹膜的挺度性能就越佳。一般情況確實也與此經(jīng)驗規(guī)律吻合。R2#的結(jié)晶度最高，R5#的結(jié)晶度最低，薄膜用戶也反映R2#樹脂制備的薄膜挺度最高，R5#樹脂制備的薄膜挺度最低。但R3#和R4#卻不符合樹脂密度高則吹膜挺度高的規(guī)律。R3#的熔點、結(jié)晶溫度、結(jié)晶度及彎曲模量均比R4#低。但在相同工藝下，R3#制備的吹膜的挺度優(yōu)于R4#制備的吹膜。這說明不能僅從樹脂密度或彎曲模量判斷薄膜制品的挺度性能，注塑樣條的彎曲模量并不能代表薄膜制品的挺度性能。
表2HDPE樹脂的熱性能及彎曲模量
2.2薄膜的微觀結(jié)構(gòu)
2.2.1薄膜的熱性能
HDPE吹膜第1遍升溫曲線所得熔點及結(jié)晶度見表3。從表3可看出，薄膜的結(jié)晶度順序為：F2#>F1#>F3#≈F4#>F5#。相比樹脂原料，F(xiàn)3#和F4#的熔點和結(jié)晶度差異很小，基本相近，說明加工會改變材料的熱性能，進(jìn)而改變材料的使用性能。從結(jié)晶度看F3#和F4#薄膜制品的數(shù)值相近，不能用于解釋薄膜挺度性能的差異，所以應(yīng)進(jìn)一步分析薄膜制品的微觀結(jié)構(gòu)。
表3 HDPE吹膜的熔點和結(jié)晶度
2.2.2 晶體微觀結(jié)構(gòu)
HDPE吹膜試樣的WAXD譜圖見圖1。從圖1可看出，二維WAXD上有兩個德拜環(huán)，內(nèi)環(huán)信號來自聚乙烯晶體（110）晶面衍射，外環(huán)信號來自（200）晶面衍射［11］。（110）晶面主要沿TD取向分布，（200）晶面主要沿MD取向分布。已有大量工作研究了聚乙烯晶體在外力場下形成晶體取向的微觀結(jié)構(gòu)，聚乙烯晶體在外力場下取向的微觀結(jié)構(gòu)可分為3類［12-13］：1）Keller/MachinⅠ模型（或稱為排核取向，a軸取向），二維WAXD的特征是（200）晶面沿著MD取向，（110）晶面分離軸取向，在實空間晶體的a軸和c軸繞著b軸旋轉(zhuǎn)，片晶是扭轉(zhuǎn)的；2）Keller/MachinⅡ模型（或稱為c軸取向），二維WAXD的特征是（110），（200）晶面均沿MD取向，c軸沿取向方向排列，片晶不發(fā)生扭轉(zhuǎn)；3）介于兩者之間的中間態(tài)，二維WXRD的特征是（110），（200）晶面均沿分離軸取向，有部分扭轉(zhuǎn)的片晶。Keller/MachinⅠ在弱流動場下出現(xiàn)，Keller/MachinⅡ在強(qiáng)流動場下出現(xiàn)。從圖1可看出，5組吹膜不是c軸取向的晶體，而是屬于Keller/MachinⅠ模型和中間態(tài)，說明吹膜工藝是在弱應(yīng)力場下形成的，晶體生長是扭轉(zhuǎn)模式，如圖2所示［12］。
圖1HDPE吹膜試樣的WAXD譜圖
圖2聚乙烯扭轉(zhuǎn)生長片晶的示意圖
2.2.3 長周期取向
HDPE吹膜試樣的SAXS二維圖形見圖3。從圖3可看出，5組試樣在SAXS圖案的二維平面均有散射信號，并在MD方向出現(xiàn)亮光斑。表明五組試樣的大部分晶體排列均沿MD方向，少量晶體沿著其他方向無規(guī)排列，模型見圖4（為了簡化，模型圖中沒有示意扭轉(zhuǎn)生長的片晶）。
圖3HDPE吹膜試樣的SAXS二維圖形
圖4HDPE吹膜試樣的片晶空間排列模型
圖5為晶體長周期散射強(qiáng)度隨方位角變化的分布圖。從圖5可看出，五組試樣的方位角取向強(qiáng)度及半峰寬均有差異，因此可初步判定五組試樣的取向度是不同的，即片晶在薄膜平面內(nèi)的分布有差異。
圖5吹膜試樣散射強(qiáng)度隨方位角變化的分布圖
通過曲線數(shù)據(jù)，利用式（1）進(jìn)一步計算可得到Hermanns取向度（f）［14-15］。
f=(3cos2z-1)/2 式中，
z為方位角，º；I（z）為長周期強(qiáng)度隨z的變化。
當(dāng)片晶的法線方向無規(guī)（任意）取向時，f=0；當(dāng)理想取向即片晶的法線方向與參考方向完全平行時，f=1；片晶的法線方向垂直參考方向時，f=-1/2。取向度f代表了片晶法線方向在薄膜平面內(nèi)對于參考方向MD的擇優(yōu)分布情況。
根據(jù)一維電子密度相關(guān)函數(shù)可以計算長周期和片晶厚度［16］。吹膜試樣的取向度（參考方向為MD）、長周期和片晶厚度見表2。從表2可看出，R4#和R2#的結(jié)晶溫度略高，故制備的F4#和F2#的片晶平均厚度略大；R5#的結(jié)晶溫度略低，故制備的F5#的片晶平均厚度最小。片晶厚度會直接影響屈服強(qiáng)度，隨片晶厚度增大，材料的屈服強(qiáng)度增加［17-18］。看到五種薄膜制品的取向度順序為：F2#>F1#>F3#>F4#>F5#。有文獻(xiàn)表明取向度增加會導(dǎo)致模量增加［19-20］。五組薄膜制品取向度的順序與薄膜用戶反映的薄膜挺度優(yōu)異程度順序一致。
表4HDPE吹膜試樣的取向度、長周期和片晶厚度
2.3挺度與結(jié)晶度及取向度的關(guān)系
挺度是制品在彈性形變范圍內(nèi)受力彎曲時所產(chǎn)生的單位阻力矩。有文獻(xiàn)提出紙片挺度（S）的計算公式為式（2）［21］。
S=EA/b=Ed3/12 （2）
對于矩形截面：
A=bd3/12 （3）
式中，E為楊氏模量，N/m2；A為截面慣性矩，m4；b為試樣寬度，m；d為厚度，m。
從式（2）可看出，對于矩形形狀的紙片，其挺度與模量及厚度的三次方乘積成正比。在厚度相同的情況下，挺度與楊氏模量成正比。周文志［22］在聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜挺度的研究中，用楊氏模量與雙向拉伸聚對苯二甲酸乙二醇酯膜制品的挺度相關(guān)聯(lián)。
從圖1和圖3可看出，薄膜的取向結(jié)構(gòu)導(dǎo)致MD和TD方向的模量不同。因此分別測試了MD和TD方向的楊氏模量，結(jié)果見表5。從表5可看出，薄膜的楊氏模量與用戶反映的薄膜挺度優(yōu)異程度順序一致，即F2#>F1#>F3#>F4#>F5#。另外，可以看到沿TD方向的楊氏模量比沿MD方向的高。根據(jù)圖4可知，取向片晶是互相貫穿的。當(dāng)發(fā)生小拉伸形變時，TD方向主要是取向晶體骨架貢獻(xiàn)力；MD方向由晶體骨架和非晶區(qū)網(wǎng)絡(luò)綜合貢獻(xiàn)力，非晶區(qū)的模量小于晶區(qū)模量，因此TD方向的楊氏模量大于MD方向的楊氏模量［17-18］。
對于纖維或紡織品，由于兩個方向的模量差異大，故分別用MD和TD兩個方向衡量制品的挺度。HDPE吹膜兩個方向的模量雖有差異，但差異均小于30%，且從應(yīng)用角度上看，HDPE吹膜用于包裝時，挺度某種程度是整體薄膜均衡的結(jié)果，因此可用吹膜制品MD和TD方向的平均楊氏模量，即（EMD+ETD）/2，代表制品的整體挺度性能。
表5HDPE吹膜試樣MD和TD方向的楊氏模量及薄膜的平均模量
薄膜平均楊氏模量與薄膜結(jié)晶度的關(guān)系見圖6。從圖6可看出，薄膜的結(jié)晶度越大，薄膜平均楊氏模量越大，薄膜的挺度越好。F3#與F4#的結(jié)晶度很接近，分別是61.9%和61.6%，但F3#的平均楊氏模量卻大于F4#。
圖6HDPE薄膜平均楊氏模量與薄膜結(jié)晶度的關(guān)系
圖7為薄膜平均楊氏模量與取向度的關(guān)系。從圖7可看出，薄膜的取向度越大，薄膜的平均楊氏模量越大，薄膜的挺度越好。F3#的取向度明顯大于F4#，F(xiàn)3#的平均楊氏模量也明顯大于F4#。在相同工藝下，兩組膜取向度存在差異的原因主要是因為相對分子質(zhì)量不同。從表1可看出，R3#的Mw大于R4#，因此在吹塑過程中F3#更容易發(fā)生取向。
綜上所述，薄膜制品的結(jié)晶度和取向度共同決定了制品的挺度性能。
圖7HDPE薄膜平均楊氏模量與薄膜取向度的關(guān)系
3結(jié)論
1）不能僅從樹脂密度或彎曲模量判斷薄膜制品的挺度性能，注塑樣條的彎曲模量并不能代表薄膜制品的挺度性能。
2）HDPE吹膜中聚乙烯晶體的微觀結(jié)構(gòu)屬于Keller/MachinⅠ模型和中間態(tài)，吹膜工藝是在弱應(yīng)力場下形成的，晶體生長是扭轉(zhuǎn)模式。大部分晶體排列均沿MD方向，少量晶體沿著其他方向無規(guī)排列。
3）薄膜的取向度增加，平均楊氏模量越大，挺度越好。五組薄膜制品取向度的順序與薄膜用戶反映的薄膜挺度優(yōu)異程度順序一致。
4）薄膜的結(jié)晶度越大，平均楊氏模量越大，薄膜的挺度越好。薄膜制品的結(jié)晶度和取向度共同決定了制品的挺度性能。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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