玻璃微球填充微层薄膜的层倍增共挤出：形态调控与工艺稳定性研究

这篇研究通过层倍增共挤出技术(LMCE)探索了高填充体系(玻璃微球/聚烯烃)的加工窗口，揭示了粘度匹配对微层结构稳定性的关键作用。当层厚度接近填料特征尺寸(7-11μm)时，粘度失配会导致界面不稳定现象，表现为"之字形"和"波浪形"缺陷。扫描电镜证实，通过优化工艺参数可实现层厚低至2.5μm的稳定结构，为功能性复合材料设计提供了新思路。

　　

材料与方法

采用低密度聚乙烯(LDPE 5004I)作为基体，A型玻璃微球(5000A，中值粒径2.7μm)作为模型填料。通过双螺杆挤出机制备10-40 vol%的母料，采用配备熔体齿轮泵的共挤出系统，在230°C下通过AB层配置的进料块和层倍增模具(LMEs)制备8-64层薄膜。通过扫描电镜(SEM)和流变测试表征微观结构和流变性能。

流变学特性

动态剪切测试显示，填充体系的相对粘度(η_r)随填料含量增加呈非线性上升：10 vol%时符合Einstein-Batchelor预测，20 vol%接近渗流阈值，40 vol%显著超出渗流阈值。熔体流动指数(MFI)测试表明，40 vol%填充体系的相对体积流量(Q_r)与反层树脂LDPE 611A最匹配。

工艺稳定性

研究发现三个关键现象：

1）当层厚度接近特征粒径(D_p)时，粘度失配体系出现界面不稳定性，表现为周期性"之字形"（初期）和混沌"波浪形"（严重期）表面特征；

2）拉伸减薄可有效降低层厚（最小150μm）而不诱发不稳定性；

3）SEM证实40 vol%体系在32层时出现边界层混合，而20 vol%体系即使层厚降至2.5μm仍保持结构完整。

微观结构特征

电镜分析揭示：

1）稳定体系：10 vol%样品界面清晰，20 vol%形成粒子链结构；

2）过渡体系：40 vol%样品出现粒子诱导的层变形，但相分离仍存在；

3）失稳体系：64层样品中心区域形成非连续相分离结构。

比较研究

对比实验显示：

1）EVOH/40 vol%体系（η_r=1.9）保持稳定；

2）LDPE 5004i/40 vol%体系（η_r=5.3）发生粘性包覆；

3）未填充体系在相同η_r下更稳定，表明填料加剧界面不稳定性。

讨论与展望

估算临界界面剪切应力(τ_int)为0.15-0.3 MPa，与文献报道一致。建议采用高长径比LMEs模具降低剪切应力。未来工作将探索：1）不等体积流量比的影响；2）双填充层体系；3）更高填充量（>40 vol%）的加工策略。

这项研究为设计具有定制微结构的复合材料提供了重要指导，特别是在辐射屏蔽、介电材料和功能膜等领域具有应用潜力。通过精确控制填料分布和界面特性，可实现对材料电学、热学和力学性能的定向调控。