差速轧制对不相容高密度聚乙烯/聚丙烯共混物的机械增容及性能提升

《Polymer》：Mechanical Compatibilization and Property Improvements of Immiscible HDPE/PP Blends via Differential Speed Rolling

　　

聚乙烯（Polyethylene, PE）与聚丙烯（Polypropylene, PP）凭借低成本、易加工及可调力学性能，占全球聚合物总产量的50%以上，然而二者的热力学不相容性及弱界面黏附严重限制了混合聚烯烃废物的回收利用。传统增容策略依赖化学添加剂改善界面以提升PE/PP共混物力学性能，本研究提出一种无化学添加剂的加工驱动型策略，利用差速轧制（Differential Speed Rolling, DSR）——一种源自金属合金变形加工的固态加工技术，对高密度聚乙烯（High Density PE, HDPE）/PP（50:50）共混物进行机械增容。DSR在共混物板材中引入剪切梯度，促进相区聚结，形成多级纤维结构、微纳空隙及可控界面脱黏。结果显示，共混物韧性提升20倍（从0.74 MJ/m3增至16.2 MJ/m3），同时密度降低约2.4%（从0.927 g/cm3降至0.9 g/cm3）；而等速轧制（Equal Speed Rolling, ESR）仅带来小幅力学提升。该结果表明，利用受控界面失稳而非抑制相分离，可有效提升不相容共混物的力学性能，确立了DSR作为一种可规模化、无溶剂的工艺路径，用于提升不相容聚烯烃废物的附加值。

本研究发表于《Polymer》，针对全球聚烯烃产量占比超50%但回收率不足15%的行业痛点，聚焦高密度聚乙烯（HDPE）与聚丙烯（PP）因热力学不相容导致混合废塑料力学性能差、难以高值化再利用的核心问题，挑战了“必须化学增容或预先分离才能回收利用PE/PP”的传统认知，提出“机械增容”新范式，即利用加工诱导的界面结构调控，通过可控界面脱黏实现能量耗散与性能提升。研究人员将金属加工领域的差速轧制（DSR）首次引入不相容聚合物共混体系，系统揭示了剪切梯度驱动下的相形态演化规律与构效关系，证实无需化学添加剂即可使HDPE/PP（50:50）共混物韧性提升20倍，同时密度降低2.4%，为混合聚烯烃废料的绿色升级回收提供了可规模化、无溶剂的创新路径。

为开展研究，研究人员采用的关键技术方法如下：首先制备HDPE/PP（50:50）共混物样品——以DOW DMDA 8904（HDPE）与ExxonMobil 2252E4（PP）为原料，经双螺杆挤出共混后压缩模塑成型；随后分别采用差速轧制（DSR，两辊速比≠1:1，引入剪切梯度）与等速轧制（ESR，两辊速比1:1，以压缩为主）进行固态加工；通过共聚焦拉曼光谱表征相区尺寸演化，结合力学测试评估拉伸强度、断裂伸长率、韧性及密度变化，最终建立加工-结构-性能的关联机制。

研究结果部分的主要内容如下：

材料：明确实验所用HDPE牌号为DOW DMDA 8904，PP牌号为ExxonMobil 2252E4，共混比例固定为50:50；样品经160–180℃挤出造粒后，于190℃、1000 lbf条件下压缩模塑15分钟，空冷5分钟备用。

结果与讨论：共聚焦拉曼光谱显示，未处理对照组中HDPE相区平均面积为809±325 μm²；经DSR处理后的D-90-4样品（速比4）慢辊侧HDPE相区面积增至1798±982 μm²，快辊侧为1345±761 μm²，证实剪切梯度诱导了相区聚结；进一步分析表明，相区演化伴随多级纤维形成、微纳空隙产生及界面脱黏，这种结构使应力传递效率提升并诱发应变硬化，最终实现韧性大幅提升与密度降低，而ESR因缺乏足够剪切梯度仅产生微弱性能改善。

结论：研究证实，源自金属变形加工的差速轧制（DSR）可有效应用于不相容HDPE/PP共混物，通过“机械增容”机制——即利用弱界面失稳促进纤维化和可控脱黏，在不添加化学相容剂的前提下显著提升共混物韧性并降低密度，突破了传统增容依赖化学改性的局限。该工艺符合绿色加工原则（可规模化、无溶剂、低热输入、低废料），为混合聚烯烃废料的闭环回收提供了新策略。

作者贡献声明：Daniel Strauss、Kennedy L. Brehm负责形式分析与数据整理；Jagannathan Sankar、John Lewandowski、Christopher Hale、Zhigang Xu承担项目监督、资源统筹与方法设计；Brandi L. Martz与Gary E. Wnek为研究概念提出者及专利发明人。

利益冲突声明：Brandi Martz与Gary Wnek已通过凯斯西储大学提交相关临时专利申请；Brandi Martz获美国国家科学基金会研究生研究奖学金支持，Hector Gomez Jimenez获美国GEM联盟资助，John Lewandowski与Jagannathan Sankar参与NSF工程研究中心HAMMER项目（资助号EEC-2133630）。

致谢：研究由NSF工程研究中心HAMMER（混合自主制造进化革命中心）及美国国家科学基金会研究生研究奖学金（Grant No.2437833）资助。