同步辐射X射线技术原位研究PBAT生物降解地膜吹膜加工过程中的结构演化机理

One of the most effective way to solve the white pollution problem caused by the usage of traditional polyethylene mulch is to widely promote biodegradable mulch film. However, the widespread application of biodegradable mulch film is limited by not only the raw material costs but also the processing behavior and mechanical performances. Blowing film is a successive process involving a variety of processing steps and machining parameters, during which stretching induced nonlinear rheology, crystallization and deformation/phase transition of crystallites occurs. The rapid evolution of multi-scale structures and the coupling of various machining parameters make it challengeable to experimentally study the fundamental non-equilibrium scientific questions. In view of the complexity of the film blowing, this project is intended to take full advantages of the time-resolved/full-scale detected synchrotron radiation X-ray methods, with the combination of extension rheometer as well as the film blowing setup, in-situ tracking the full-scale structural evolution kinetics of Poly (butyleneadipate-co-terephthalate) (PBAT) during film blowing. Based on the relationship between the molecule parameter- process parameters- multi-scale structures- usability constructed in the project, it is expected to provide optimization program of the processing parameters for the produce of high-performance biodegradable mulch film.

传统聚乙烯地膜使用带来的环境污染问题日益严重，推广生物降解地膜是解决该问题最根本、有效的途径之一。 除成本外，加工和使用性能欠佳是阻碍生物降解地膜大规模推广的重要原因。地膜吹膜加工是多步骤与多加工参数作用下的多尺度结构快速演化过程，涉及拉伸诱导的非线性流变、结晶以及晶体形变相变等非平衡科学问题，各参数相互耦合为吹膜加工物理的研究带来很大挑战。本项目拟充分发挥同步辐射X射线散射高时间分辨、全结构尺度检测的特点，发展研制与实验站联用的拉伸流变、吹膜装置和方法，原位在线研究PBAT吹膜加工过程中多尺度结构演化机理。通过开展拉伸流变、结晶研究，建立原料分子参数、加工外场与熔体流变及结晶性能的关系，为优化原料分子与加工工艺参数匹配提供理论指导路线。通过吹膜加工过程结构演化的研究，建立分子参数-加工工艺-多尺度结构-使用性能的科学模型，为高性能生物降解地膜的加工提供指导方案。

加工和使用性能欠佳是阻碍生物降解地膜大范围推广的的首要问题。在原有聚乙烯吹膜原位在线结构检测装置的基础上，我们成功研制了能够用于聚酯类材料研究的与同步辐射X 射线散射联用的拉伸流变装置和吹膜装置，成功得到了该类材料吹膜加工过程中力学信号和结构信号的跟踪采集。系统开展了PBAT拉伸流变与结晶的原位在线研究以及不同加工条件下PBAT吹膜加工过程中多尺度结构演化规律研究，获得了PBAT吹膜加工全过程的结构信息。结果显示，初期可形变晶体网络的形成主要受分子链参数控制，而晶体骨架的形成则由分子链及加工参数共同决定，晶体骨架决定了膜泡稳定性及薄膜最终性能。研究结果证实聚酯类材料吹膜稳定性差的主要原因是其结晶速度慢，链缠结网络与晶体物理网络未有效“接力”导致。聚酯类材料结晶速度缓慢，链缠结网络与晶体物理网络未有效“接力”是导致其吹膜时出现不稳定主要原因。通过对各参数分离剖析并且与聚乙烯材料对比，初步建立了原料分子参数、加工外场与熔体流变及结晶性能的关系，为优化原料分子与加工工艺参数匹配提供理论指导路线，为高性能生物降解地膜的加工提供指导方案。在本项目的支持下，在本项目的支持下，在Macromolecules、Polymer、Softmatter、Composite Science and Technology 等期刊发表论文11篇。