聚乙烯-乙烯醇多层薄膜在平流层气球中的应用

来自 实验室仪器网

科学家近期研究探索了一种由聚乙烯(PE)和乙烯-乙烯醇(EVOH)制成的多层薄膜。该结构将PE置于外层，将EVOH置于内层。研究发表在《聚合物科学杂志》。

该薄膜设计用于加压平流层气球，重点在于提高氦气渗透性。该研究还探究了每种材料对多层系统分子迁移率的影响。线性低密度聚乙烯(LLDPE)常用于零压气球的气囊。它重量轻、成本低、透明且机械性能良好。然而，其氦气阻隔性能较差。

EVOH的气体阻隔性优于PE，包括更低的氦气和氧气渗透性。因此，EVOH常用于包装。然而，由于EVOH含有极性醇基，因此易吸湿，这会削弱其机械性能。

为了平衡这些特性，通常使用PE/EVOH/PE结构的多层薄膜。PE可以保护EVOH免受水分侵害，而EVOH则可以降低气体渗透性。本研究探讨了这种结构如何影响LLDPE/EVOH/LLDPE多层薄膜的氦气渗透性。

本研究采用了市售LLDPE薄膜和两层LLDPE/EVOH/LLDPE多层薄膜。两层多层薄膜的EVOH层厚度相同，但LLDPE外层厚度不同。LLDPE层较厚的薄膜标记为PE/EVOH/PE-A，而LLDPE层较薄的薄膜标记为PE/EVOH/PE-B。

EVOH薄膜也通过熔融聚乙烯醇-乙烯共聚物粒料合成。此外，聚乙烯醇（PVA）薄膜也由水分散体制备。

LLDPE和市售多层膜具有相同的制造商、热机械历史和化学成分（EVOH除外），因此适合直接比较。为了更好地理解多层膜的性能，本文对合成的PVA和EVOH薄膜进行了研究。

测量了所有薄膜的氦气渗透性。差示扫描量热法(DSC)在25至250°C范围内进行。对不同薄膜在−140至80°C（PE/EVOH/PE和LLDPE）、−140至100°C（EVOH）和−140至110°C（PVA）温度范围内进行动态力学分析(DMA)。此外，还在类似的温度范围内进行了动态介电谱(DDS)分析。

LLDPE的氦气渗透性高于聚酯基多层薄膜(PBMF)。添加EVOH制成多层膜后，渗透性降低了四倍。PE/EVOH/PE薄膜的氦气渗透性约为PBMF薄膜的1.5倍，但仍显著低于纯LLDPE薄膜。尽管PE/EVOH/PE-B薄膜更薄，但渗透性略低于PE/EVOH/PE-A薄膜。

与纯LLDPE相比，多层薄膜在所有温度范围内均具有更好的拉伸性能。这种改进归因于EVOH的加入。然而，PE/EVOH/PE-A和PE/EVOH/PE-B的储能模量相似，这可能是由于多层膜中EVOH的比例较小。

EVOH本身的储能模量远高于LLDPE。这是由于其PVA链段中存在强烈的分子内和分子间相互作用。PVA薄膜的储能模量甚至高于EVOH。

DMA和DDS揭示了薄膜内部分子的流动性。在−120°C左右观察到γ弛豫模式，这与LLDPE层中的曲轴运动有关。此外，还观察到了双β弛豫分量。一部分是由于EVOH中醇和PVA链段的运动引起的。另一部分反映了LLDPE层中结晶层间非晶区的流动性。

在较高温度下，薄膜表现出αc弛豫模式，与LLDPE晶体附近的无定形区域相关。还检测到了与EVOH（α弛豫）相关的粘弹性转变。结果表明，分子迁移率随刺激类型（热、机械或介电）而变化。

本研究评估了PE/EVOH/PE多层薄膜的气体阻隔性和机械性能。通过一系列表征方法，研究了各层和聚合物在分子迁移中的作用。

与纯PE相比，EVOH的加入提高了多层膜的机械性能。EVOH还显著降低了氦气渗透性，且不影响结晶度。这些结果表明，PE/EVOH/PE多层膜可能适用于长时加压平流层气球的囊体。

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