聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）以其优异的物理性能和高成本效益，占全球塑料产量的约一半以上，且消费量逐年增长。PP刚性更强（抗弯曲性好），而PE柔韧性更优，PE与PP复合材料可结合两者的特点。但是，由于两种树脂分子链结构与晶体结构的差异，PE与PP分子链之间作用力弱，两者并不完全相容，强的界面张力导致相分离使PE与PP直接复合的材料力学性能大幅下降。同时由于PE与PP每年产生数百万吨聚烯烃废旧塑料混合物。因此，聚烯烃的混合物回收与高性能循环利用至关重要。

  相关研究成果以“Compatibilization of Polyethylene and Polypropylene via Dynamic Cross-Linking”为题发表在国际学术期刊《Macromolecules》上。论文第一作者为湖北工业大学硕士研究生邹申言，通讯作者为李学锋教授，第一单位为湖北工业大学。

图1. a) dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D₅-co-S₂)的硼酸酯键动态交联合成反应机理。b) PE、PP、PE₆₀/PP₄₀、(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D₅-co-S₂)和dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D₅-co-S₂)的FTIR光谱。 c1，c2)分别在25°C和120°C温度下，dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D₅-co-S₂)在二甲苯溶剂中的光学照片。c3)在120°C温度下的dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D₅-co-S₂)在二甲苯和1,2-丙二醇的混合溶剂中光学照片。d) dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D₅-co-S₂)的解交联反应反应机理。

  以PE和PP的共混物PE₆₀/PP₄₀为基础，利用硼酸酯官能化甲基丙烯酸甲酯（DBMA）为功能单体，苯乙烯（St）为共聚单体，以过氧化二异丙苯（DCP）为引发剂，接枝到PE₆₀/PP₄₀共混物中的主链上。然后与动态交联剂1,4-对苯二硼酸酯（BA），通过复分解反应构建了PE和PP聚合物的动态共价网络，从而制备动态交联PE和PP的高性能复合树脂dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D_x-co-S_y)，这里的D和S分别表示DBMA和St。该复合树脂在25℃和120℃下在二甲苯溶剂中仅发生溶胀，表明动态交联网络在此条件下仍保持交联状态。dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D_x-co-S_y)在120℃的二甲苯与1,2-丙二醇混合溶剂中可溶解，说明硼酸酯键的动态打开可以引发复合树脂发生解交联。

  通过优化接枝单体DBMA和动态交联剂的含量，在DBMA、St和BA的添加量分别为5wt%、2wt%和0.5wt%时，dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D_x-co-S_y)的抗拉强度大幅提高了102.57% (从19.03 MPa提高到38.55 MPa)，断裂伸长率提高了1422.22% (从63%提高到896%)，杨氏模量略有下降5.95% (从328.42 MPa到308.87 MPa)。与PE₆₀/PP₄₀相比，实现了强韧的高力学性能。采用商业聚烯烃弹性体POE树脂在不同用量下改性PE₆₀/PP₄₀共混物的力学性能，即使是最佳优化产物PE₆₀/PP₄₀/POE₁₅也远低于可逆的硼酸酯键动态交联结构的dc-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D_x-co-S_y)。

  PE₆₀/PP₄₀的SEM图像（图2f）显示PP在整个PE基质中不均匀地分散――这是不相容混合物的典型特征，容易导致性能大幅下降。相比之下，可逆的硼酸酯动态交联键的引入减小了PP结构域的尺寸，提高了两种分子链分散均匀性，增强了界面附着力，从而促进了PE与PP界面相容性。

图 2. a)不同接枝单体DBMA含量的dc_0.5-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D_x-co-S₂)的应力-应变曲线。b)不同动态交联剂含量的dc_x-(PE₆₀/PP₄₀)-g-(D₅-co-S₂)的应力-应变曲线。c) PE、PP、PE₆₀/PP₄₀、PE₆₀/PP₄₀/POE₁₅和dc-PE₆₀/PP₄₀-g-(D₅-co-S₂)的应力-应变曲线。d) PE、PP、PE₆₀/PP₄₀和dc-PE₆₀/PP₄₀-g-(D₅-co-S₂)的DSC曲线指示结晶温度。e) PE、PP、PE₆₀/PP₄₀和dc-PE₆₀/PP₄₀-g-(D₅-co-S₂)的差热DSC曲线熔点。f) PE₆₀/PP₄₀ (第一行)和dc-PE₆₀/PP₄₀-g-(D₅-co-S₂) (第二行)的SEM图像。

  热塑性聚合物的机械力学性能通常会随着再加工周期的增加而下降，这主要是由于高温与高剪切应力下重复加工引起的树脂热机械降解。而dc-PE₆₀/PP₄₀-g-(D₅-co-S₂)通过硼氧键交换诱导的分子链重排，即动态硼酸酯键实现可逆酯交换反应，硼酸酯动态交联树脂表现出优异的循环加工的高力学性能。经过三个再加工循环后，通用的PE₆₀/PP₄₀和PE₆₀/PP₄₀/POE₁₅的力学性能均明显下降。在多次循环加工过程中，dc-PE₆₀/PP₄₀-g-(D₅-co-S₂)的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率等力学性能始终超过通用的PE₆₀/PP₄₀和PE₆₀/PP₄₀/POE₁₅。

图3. a)热机械循环处理工艺。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)循环加工后的应力-应变曲线。

  可逆的硼酸酯动态交联键的引入使dc-PE₆₀/PP₄₀-g-(D₅-co-S₂)展现出卓越的机械力学性能。这一策略提供了高效且可规模化推广的聚烯烃共混物相容化解决方案。这项研究工作的共同作者还包括美国马萨诸塞大学达特茅斯分校的李大鹏研究员，以及湖北工业大学材料与化学工程学院的龙世军副教授和黄以万教授。该研究工作得到国家自然科学基金项目（52073083）和湖北隆中实验室自主创新项目（2022ZZ-16）的资助。

  原文链接：Compatibilization of Polyethylene and Polypropylene via Dynamic Cross-Linking

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c02898