【Materials Studio应用实例】增容剂对聚合物共混物(PP/LDPE)相互作用的理论和实验研究:热、形态和DFT见解

摘 要

在这项研究中，作者研究了(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)SEBS5%wt和(马来酸酐接枝SEBS)SEBS-g-ma5%wt作为聚丙烯(PP)/低密度聚乙烯(LDPE)共混增容剂的影响。压缩成型是在Brabender内部混合器中混合熔体以形成混合物后使用的。利用扫描电镜(SEM)、热重分析(TGA)、x射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征了共混物的结构、表面行为和形貌。FTIR分析显示，PP、LDPE及其共混物在1650cm1处有一个弱而宽的吸收峰，这表明共混物存在羰基，因此共混物被氧化。添加SEBS(苯乙烯乙烯/丁烯苯乙烯)和SEBS-g-ma(接枝马来酸酐的SEBS)后，羰基的吸收降低，因此1650cm1处的峰变小。SEM分析表明，SEBS和SEBS-g-ma改善了混合物的形貌和界面附着力。这些结果表明，增容剂的使用可以改善PP/LDPE共混物在各种应用中的性能。利用分子模型分析了增容剂对PP-LDPE共混物性能的影响。分子动力学模拟表明，SEBS的加入显著提高了3PP/3PE和3PP-3PE-1sebs-g-ma体系的结合相互作用能，分别从440 kcal/mol增加到880kcal/mol。密度泛函理论计算进一步证实了SEBS-g-MA对共混物的增容作用。特别是，量子分子描述符和态密度表明SEBS-g-MA作为中间体参与促进PP和LDPE的相容性。总的来说，作者的研究结果表明SEBS-g-MA是一种潜在的PP-LDPE相容剂。

引 言

多年来，聚合物已被广泛应用于工业应用，因为它们显示了广泛的特性和相对简单的生产[1,2]。通过混合两种或两种以上类型的聚合物，可以进一步改善和/或调整其性能。

聚合物系统理论和模拟的最新发展使得在分子和长波长尺度上对广泛的聚合物系统进行精确建模成为可能。特别是，各种计算技术已被证明是一种强大的工具，可以获得原子和分子尺度的结构特性(图1)，这补充了实验数据。

计算细节

分子动力学模拟是了解SEBS和SEBS-g-mah相容剂如何与LDPE/PP共混物相互作用的有用工具。它被用来评估它们对相容性的影响。在本工作中，构建了具有50个重复单元的PP和LDPE氧化链(PP和LDPE氧化链分别称为PPO和PEO)。氧化模型是在FTIR结果的基础上建立的，以近似共混物的实际行为，并研究氧化对共混物相容性的影响。所有MD模拟都是使用Accelrys Inc.的Materials Studio程序进行的。

结果与讨论

用傅里叶红外光谱(FTIR)研究了添加和不添加SEBS(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)和SEBS-g-ma(马来酸酐接枝SEBS)增容剂的PP/LDPE共混体系中的官能团。图2显示了通过红外光谱在所研究的共混物中发现的主要化学键。

图3根据TGA曲线描绘了不含SEBS和SEBS-g-ma的PP、LDPE和PP/LDPE共混物的独特降解趋势。与图a和图b相比，图3C在20PP/80LDPE组合中为作者提供了最大的结果。与混合料相比，SBES的吸收率略低。

图4显示了LDPE、PP及其混合物的x射线衍射图，其强度为2θ，在2θ范围从10到40。PP有5个衍射挑角，对应于PP典型的α-型，2θ光栅对应的晶格分别为14.35(110)、17.12(040)、18.85(130)、21.45(111)和22.15(041)[30]。LDPE的特征峰分别为21.7(110)和23.9(200)[27]。PP/LDPE共混物(M3,M4,M5)中的大多数峰与PP具有相同的晶格。随着SEBS和SEBS-g-MA的整合，在图4a中可以看到14.35(110)峰的强度略有上升。由于SEBS和SEBS-g-ma的比例降低，集成对LDPE/PP二元共混物的晶体结构影响不大。

在不添加增容剂的PP和LDPE共混物的SEM图像中，PP和LDPE组分表现出粗略的形态和相分离。

添加SEBS后，PP和LDPE相的界面附着力可能会更好(图6)，共混物的组成部分可能会分散得更均匀。

当SEBSFigg-MA作为相容剂加入时，可以进一步增强共混物的形状和界面附着力(图7)。

通过MD模拟对结合能进行了探索。图8显示了平衡和密度稳定后得到的各种结构。

图9显示了PPO-SEBS、PPO-SEBS、PPO-SEBS-g-ma、PPO-SEBS-g-ma和PPO-PEO共混物的DFT全局反应性。PP链中CH3基团的-c-原子是PPO-PEO HOMO的位置，而PP链中CH2基团的-h原子是LUMO的位置(见图9)。

为了确定增容剂对共混物性能的影响，对添加和不添加SEBS-g-MA的PP-PE和PPO-PEO共混物进行了态密度(DOS)计算。图10显示了PP-PE和PPO-PEO配合物的结果。

总 结

采用多种分析技术考察了增容剂SEBS(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)和SEBS-g-ma(马来酸酐接枝SEBS)对PP/LDPE共混物的增容效果。SEM研究表明，增容剂SEBS和SEBS-g-ma增强了PP/LDPE共混物的形貌和界面附着力。通过FTIR测试验证了增容剂对PP/LDPE共混物的增容效果。SEBS和SEBS-g-ma的加入降低了羰基的吸收。这使山峰的高度降低了1650厘米。总的来说，结合使用FTIR、TGA、XRD和SEM方法，可以全面了解共混物的化学、热学和形态特性，并有助于开发具有特定应用特性的创新聚合物材料。研究了PP、LDPE和SEBS-g-MA之间的分子相互作用。DFT分析认为增容剂是PP和LDPE的电子给体，SEBS-g-MA的加入增加了PP和LDPE的相互作用能。这一结论与MDS结果一致。