受阻胺在聚烯烃材料中的应用研究进展

2011 年6月材料开发与应用97.文章编号:1003-1545(2011 )03-009706受阻胺在聚烯烃材料中的应用研究进展吴珲,王峰(安徽省建筑工业学院材料科学与工程系,安徽合肥230022)摘要:受阻胺光稳定剂( HALS)是- -种 新型高效的光稳定剂，在聚烯烃材料中有着广泛的应用。本文阐述了HALS的稳定机理和发展趋势;并介绍了国内外受阻胺在聚烯烃材料中的应用和研究进展。在新研究手段的发展和取得的成果的基础上,展望了受阻胺在聚烯烃材料中的研究方向和应用前景。关键词:受阻胺;聚烯烃;光稳定剂;老化机理中圈分类号:TQ 325.1文献标识码:A聚烯烃材料原料丰富,价格低廉,容易加工象称为塑料的老化。从化学角度上看,塑料材料成型,综合性能优良,作为- -种新型材料已广泛无论是天然的还是合成的,都具有一定的分子结深人国民经济各部门以及人民生活各个领域,不构,其中某些部位具有一些弱键,这些弱键自然仅弥补了部分传统材料质和量方面的不足,而且地成为化学反应的突破口。塑料老化本质无非已成为某些部门技术进步不可缺少的材料。但是一种化学反应,即以弱键发生化学反应(例如烯烃材料在使用过程中常会受到光、热和氧的作氧化反应)为起点并引发一系列化学反应。 它可用,使聚烯烃材料老化,大大缩短制品的使用寿以由许多原因引起,例如热、光、机械应力、辐射、命,严重地影响了材料使用的经济性和环保性,电场等。可以单独- -种因素,也可以多种因素共限制其应用范围。同作用。其结果是高分子材料的分子结构发生受阻胺光稳定剂( HALS)是一类非常高效的改变及相对分子量下降或产生交联，从而材料性聚烯烃材料的添加剂，是各类光稳定剂中研究最能变坏,以至无法正常使用。最常见的导致老化多、发展最快的品种。20世纪70年代中期由日因素是热和紫外光，因为塑料从生产，储存、加工本三共公司研制开发,其光稳定效果是普通光稳到制品应用接触最多的环境便是热和阳光。定剂的2 ~4倍,受阻胺类光稳定剂无毒、原料易1.1聚烯烃材料热 氧老化降解机理(}]得,合成简便,与许多树脂具有良好的相当高聚物与空气接触时，会与空气中的氧进容性12]。行化学反应而被氧化。这是典型的自由基反应,-般属于自由基连锁反应。高聚物对氧化降解1聚烯烃材料的老化的敏感程度在很大程度上取决于其本身的分子结构,例如含有a-氢的聚丙烯就比聚乙烯对氧化高分子材料在其合成、储存及其加工和最终反应敏感得多。任何高聚物材料的性能都是通应用的各个阶段都可能发生变质,即材料的性能过-一定相对分子量和分子量分布来达到的,而当变坏，例如泛黄、相对分子量下降、制品表面龟高聚物受到自动氧化后其初始分子结构发生了裂、光泽丧失,更为严重的是导致冲击强度、挠曲改变,这称为“降解"。广义而言,降解包括相对强度拉伸强度和伸长率等力学性能大幅下降,分子量降低(断链)和相对分子量增加(交联)。从而影响高分子材料制品的正常使用。这种现描述自动氧化反应须考虑- -系列反应,包括产生收稿日期:2010-11-22基金项目:安徽省安徽优秀青年基金(06044097)和安徽省教育厅自然科研项目(2006KJ107B)。作者简介:昊珲(1983-),男,安徽颍上县人,安徽省建筑工业学院硕士生。王峰( 1969-) ,男,江苏扬州人,博士后，安徽省建筑工业学院副教授,硕士生导师。●98●材料开发与应用2011年6月初级自由基的链引发反应,带来氧化产物的链增灭机理至今仍不明确。长和链歧化反应以及导致整个体系中消除自由(2)分解氢过氧化物基的链终止反应。高分子材料中过氧化氢的存在与积聚是光1.2聚烯烃材料的光老化降 解机理4.,5]氧化降解的根源。因此,如能有效地减少或消除聚合物的光老化是一系列复杂反应的结果。过氧化物的存在,就能抑制高分子材料的光对大多数聚合物而言,-般认为它们是-一个由光老化。能引发的自动氧化过程,其历程如下:(1)引发反(3)捕获自由基应,(2)链增长反应,(3)终止反应在光氧化过程受阻胺分子中哌啶环上的仲胺基在热、光等中。链的断裂和交联可以同时发生,断裂使固体氧化条件下可以转化为相应的氮氧自由基,这种聚合物相对分子量降低,交联则产生脆性的网状氮氧自由基非常稳定,但是它们能够有效的捕获分子,结果使其物理力学性能劣化。同时含羰基高分子聚合物中的烷基自由基及烷氧自由基,使分解产物和形成的发色团又加深了其颜色的之失去活性,生成相应的酯及过氧化酯。这些生变化。成的酯及过氧化酯又会继续的与聚合物中的烷基自由基,烷氧自由基和过氧自由基作用,在生2受阻胺光稳定剂成相应的化合物的同时又重新生成了氮氧自由基。生成的氮氧自由基又可以重新捕获高分子HALS出现初期,虽然光稳定性能优良,但大聚合物中光诱导产生的自由基,从而保持了高分多数产品耐迁移性差,碱性偏高,在酸性条件下子材料的优良性能。受阻胺光稳定剂这种自我效果不好,且不能与其他酸性助剂混用，同时还再生的能力使受阻胺的一个分子能够捕获多个存在结构简单,功能单- -等缺点。另外,在光稳聚合物中的高分子自由基,从而具有较高的抗光定剂过程中多种副反应也降低了HALS的光稳老化性能。氮氧自由基的再生是受阻胺类光稳定效率。所以有必要在提高或不损失其光稳定定剂具有高效性的根本原因。性能的情况下,针对一般HALS的结构进行优2.2受阻胺光稳定剂的发展趋势化,开发出性能更好的HALS新品种。近几十年来,受阻胺类光稳定剂- -直是非常2.1受阻 胺光稳定作用机理活跃的研究领域,不断有新产品出现。从近年来HALS的作用机理十分复杂,目前关于受阻发表的有关受阻胺的研究成果看,目前受阻胺光胺的作用机理仍然没有形成统- -的认识,受阻胺稳定剂的发展方向呈现以下几个显著特征。光稳定剂自问世以来就因其优异的光稳定性能2.2. 1相对高分 子量化[9,10]而引起人们的广泛关注,也激发了各国学者探讨相对高分子质量HALS无论耐抽提方面,还其光稳定机理的兴趣。目前,此方面的研究日趋是耐萃取方面,都远远超过小分子HALS,更能有具体深人,从共性的HALS机理研究到各种特定效地减小物理损失。高分子量化作为提高HALS环境下的作用机理都有大量的文献报道[6-8]。稳定效能的基本思路,成为受阻胺开发的一大趋但是,大多数研究都是在模拟系统和特定条件下势,高分子量HALS不仅挥发性小,耐溶剂抽提开展的,结果与大气老化的实际情况相差较远，性高 ,而且无毒性污染,能直接用于食品包装材迄今仍没有完全清楚HALS是如何抑制聚合物料。但是高分子量化可能导致HALS在聚合物光氧化的。一般认为,受阻胺稳定过程按以下几中的扩散速度降低,影响其光稳定活性的充分发种机理进行:挥。高分子HALS 产品的分子量一般控制在(1)猝灭激发态2000 ~3000范围内。从结构看,相对高分子质量受阻胺能高效地猝灭包括单线态氧在内的受阻胺包括聚合型和单体型。聚合型高相对分高能激发态,而且不因制品的厚度而改变效率，子质量受阻胺开发较早,品种繁多,典型的代表所以比传统的猝灭剂效率更高。研究表明,受阻品种如Tinuvin-622、Chi-massorb -944、Cyasorb UV-胺在胺态时,其猝灭效率很低,但当被氧化成稳3346、GW-944及国内开发的GFW-100、 GW-定氮氧自由基时,其猝灭效率则大大提高,其猝622等。第26卷第3期.吴珲等:受阻胺在聚烯烃材料中的应用研究进展2.2.2反应型(1,12]烯烃类聚合物的总称。聚烯烃是目前产量最大在分子中引人可与聚合物材料反应的活性基的通用型塑料。PE和PP以高性价比及优良的团,使之在应用时可以把稳定剂分子键合到聚合力学性能热性能、加工性能等成为最主要的聚物链上,或者模仿高分子链结构,不仅达到增强相烯烃塑料品种。但是由于聚烯烃材料对光、热、容性的效果,而且克服了以往添加型受阻胺由于重金属离子及微生物等物质的很敏感,会产生自无力迁移或挥发而造成的稳定剂的损失。近年动氧化过程,从而发生脆裂、变黄及强度下降等来,国外反应型受阻胺光稳定剂的品种开发和应现象,导致影响其制品的寿命,为减缓塑料的老用研究进展十分迅速，主要集中在合成结构和光化过程,延长产品的寿命,在加工过程中需要加稳定化效果关系方面。日本旭电化公司上市的丙人添加剂以达到稳定的作用。烯酸哌啶醇酯、甲基丙烯酸哌啶醇酯品种ADK3.1受阻胺在聚乙烯 中的应用[4-18] .Stab LA-82、ADK Stab LA-87。Atochem 公司成功聚乙烯( PE)是目前重要的通用塑料之- -，地开发了带草酰肼反应型基团的系列化产品以其加工工艺简单、优良的性能和低廉的价格有LuchemHAR100、及LupersolHA505。 此类反应型其广阔的应用前景。我国有着丰富的石油资源，受阻胺光稳定剂,在显示良好的光稳定作用同时,为聚乙烯塑料的发展创造了极其有利的条件。还赋予产品优异的重金属离子钝化作用。但是PE本身光稳定性差,因此,必须在其加工过2.2.3低碱性化程中加人适量的光稳定剂,以阻止或延缓其传统HALS碱性较高,不能与酸性的添加剂降解。共用,大大限制了使用范围,当氮烷基化和氮烷钱梁华等人将国产低摩尔质量受阻胺光稳氧基化后,可使产品碱性大大降低,扩大了其相定剂GW2110应用于PE农膜，通过与应的应用范围。20世纪80年代后期,受阻胺的Chi2massorb944的自然老化实验结果对比发现，低碱性化研究引起了国内外的普遍关注。常用GW2110可以对PE制品起到优异的防老化效的降低受阻胺碱性的方法是利用取代基或空间果。汪辉亮等人研究了受阻胺类光稳定剂.位阻保护碱性氮,如N-烷基化,N-烷氧基化,N-酰(HALS)对聚乙烯(PE)辐射致色的影响。发现基化基团。实验证实,N-H受阻哌啶化合物的碱各种HALS均能减少PE的辐射致色。在辐照剂性最大, N-取代烷基次之, N-取代烷氧基最小。量低于100kGy时，添加五甲基HALS的PE的黄汽巴嘉基公司最早开展了N-烷氧化受阻胺的研度比忝加相应的四甲基HALS的PE的黄度略究,并推出了世界上第-一个N-烷氧基产品,牌号高;而在辐照剂量高于100kGy时,结果相反;并为Tinuvin123(pKa =4. 2) ,作为Tunuvin770(pKa且发现,在相同的辐照剂量下，添加聚合物型=9. 0)的改性品种,其碱性只有Tinuvin770的万HALS的PE的黄度比添加相应的单体型HALS分之- -。目前,汽巴-嘉基公司有多种N-烷氧基的PE的黄度低一些。Basfar A A,Idriss Ali K M.型产品，如Tinuvinl52, CGL074， CGL371,研究了户外自然条件下HALS对低密度聚乙烯CGL116等。和线性低密度聚乙烯紫薄膜外稳定作用，结果发2.2.4功能化1现:其一,只加人HALS的薄膜比纯薄膜的紫外在同-分子中引入不同种类的活性基团,可稳定效果高出2-12倍;其二,HALS和UVA联合使同一分子具有多种功能，增加了HALS的使用使用的效果比单独的HALS效果好很多,只加入范围,从目前应用来看,以苯并三唑类紫外线吸HALS的薄膜拉伸强度损失一半时间是205天，收剂和受阻胺类光稳定剂的复合品种居多,已见而加入HAIS和UVA的薄膜拉伸强度损失--半应用的有受阻胺-苯并三唑型和受阻胺三嗪型等时间长达590天。BasfarAA.等人将线性低密光稳定剂,这也是目前研究开发的热点之一。.度聚乙烯和低密度聚乙烯薄膜进行一系列辐射,并进行了1146小时的加速老化和165天的户外3受阻胺聚烯烃材料中的应用研究环境的老化实验，研究了HALS抗氧剂和紫外吸收剂对线性低密度聚乙烯和低密度聚乙烯的紫聚烯烃是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及其他外稳定性和辐射交联情况的影响。研究发现,加●100●材料开发与应用2011年6月有添加剂,特别是加有HALS的聚乙烯薄膜比纯量的HALS对聚丙烯性能的影响,结果发现,分的交联聚乙烯薄膜的紫外稳定性提高了四倍。子量对HALS的性能影响非常大,随着HALS分3.2受阻 胺在聚丙烯中的应用19-22]子量的增加的挥发性和耐抽提性能都得到很好聚丙烯( PolyProPylene ,简称PP)作为重要的的改善,但是,当HAIS分子量过大时又会阻止聚烯烃材料,是五大类通用塑料之一，也是 目前分子向材料表面迁移,影响其稳定效果。当热塑性塑料发展最快的一种。自从实现工业化HALS分子量由500增加到800时,HALS对聚丙以来,聚丙烯--直都是当今发展最快的通用树脂烯厚质材料的作用明显下降。品种之一。但是由于聚丙烯叔碳原子上的a-氢3.3 受阻胺在聚氯乙烯中的应用123-251对氧化反应较为敏感,分子链容易发生β开裂而聚氯乙烯(PVC)是产量仅次于聚乙烯(PE)导致制品老化，使其应用受到限制，因此聚丙烯的第二大通用塑料,具有强度高、可增塑、耐腐制品的防老化问题一直是 人们研究和关注的课蚀、难燃、绝缘性好、透明性高等优点,广泛应用题之一。聚丙烯的老化由光和热的协同作用引于工业、农业建筑、包装等领域。一般理论观点起。阳光中紫外线足以破坏聚合物的化学键或认为,PVC树脂在热加工、热氧化和光氧化降解引发自动氧化降解反应,使聚丙烯分子链断裂，时,伴随有脱氯化氢( HC1)反应。氯化氢可与含产生自由基或激发态分子,生成氢过氧化物或羰氮的碱性受阻胺发生作用,抑制受阻胺生成活性基化合物或发生交联。羰基含量的提高又使聚氮氧自由基NO. ,使受阻胺“中毒”,因而失去稳丙烯更易发生光降解反应。光和氧所引起的降定性作用或功能。随着PVC聚合工艺技术的发解反应,不仅改变聚丙烯制品的外观,而且还会展和PVC稳定剂效能作用的提高,PVC树脂因恶化其物理力学性能,直至丧失使用功能。为抑分解而产生的氯化氢已不足以抑制受阻胺的作制光降解,通常在聚丙烯树脂中添加光稳定剂，用了,受阻胺光稳定剂在PVC中应用的实例越来如光屏蔽剂、紫外光吸收剂、自由基捕获剂等。越多,而且取得了令人满意的效果。在众多光稳定剂品种中,对聚烯烃稳定效率最高随着PVC聚合工艺技术的发展和PVC稳定的当属受阻胺类光稳定剂。剂效能作用的提高,PVC树脂因分解而产生的受阻胺类光稳定剂的开发和应用一直是聚HCI已不足以抑制受阻胺的作用,国外已有大量合物稳定化助剂中引人注目的研究课题,因其具关于受阻胺型光稳定剂应用于PVC制品的专利有独特的自由基捕获能力,在聚烯烃体系被广泛报道。将受阻胺与硬脂酸盐等混合用于PVC制应用。冯亚青等人制备了对叔丁基杯芳烃、高分品中,制品的泛黄指数显著降低,取得令人满意子受阻胺类化合物和PP共混体系,通过老化性的光稳定效果。中国科学院长春应用化学研究能实验评价了共混体系的抗光氧性能。结果表所在国内首次进行了受阻胺光稳定剂添加于明,杯芳烃、受阻胺类复合稳定剂能明显提高PPPVC农用棚膜的研究工作。将受阻胺光稳定剂的耐光氧性能,且杯芳烃和受阻胺分子间具有明770.622 GW-540和紫外线吸收剂UV_9. UV-531显的协同效应。戚志浩研究受阻胺光稳定剂对单独或复合使用,分别与PVC树脂经压延制成农聚丙烯( PP)织物抗热老化性能的影响。受阻胺用棚膜,经人工模拟气候加速老化实验、自然暴光稳定剂不仅具有优异的光稳定作用,还具有良露试验和实际扣棚应用,结论为:①受阻胺型光好的热稳定作用,对PP织物的长期抗热老化作稳定剂完全可以应用于PVC棚膜中,其光稳定效用显著;当酚类抗氧剂与受阻胺光稳定剂以1:3果可以同目前在PVC棚膜中普遍应用的UV-531的比例组合使用时,达到最佳的配合效果。周大和UV-9相媲美;②将受阻胺光稳定剂同紫外线纲等人研究了重质碳酸钙与受阻铵光稳定剂吸收型光稳定剂复配应用于PVC棚膜中,虽然不HAIS相互作用对聚丙烯编织袋防老化性能的影能延长棚膜的使用寿命,但在扣棚应用过程中,响。结果表明,含有重质碳酸钙≤1.2%且受阻其防光老化效果优于单独使用的受阻胺型和紫胺光稳定剂Tinuin770≥0.16%的聚丙烯编织外吸收型光稳定剂;③受阻胺型光稳定剂具有防袋,可以符合欧洲EN277-95中抗紫外线试验的止棚膜发“背板效应"的作用。规定要求。F. Gugumus研究了一系列不同分子受阻胺光稳定剂不但可以提高光稳定效果,第26卷第3期吴珲等:受阻胺在聚烯烃材料中的应用研究进展. 101，而且可以有效地抑制制品变色。王佩璋等将受mechanism of hindered amine stabilizers[J], Polym.阻胺光稳定剂GW-944Z用于PVC型材,经紫外Degrad. Stab,1994 ,44(1):49 -53.灯照射,其抗变色能力略有提高。汽巴精细化工[8] Gugumus F. Curent trends in mode of action of hin-dered amine light stabilizers[J] Polym. Degrad. Stab,公司开发的新型高效光稳定剂TinuvinXT可以针1993 ,40(2):167 -215.对PVC材料的类型及用途进行有效的调整,不易[9] 齐邦峰,班红艳，曹祖宾,等.有机大分子中的光稳和HCl反应,经人工老化后制品颜色保持率和机定剂[J],抚顺石油学院学报, 2002,22(1):19械性能有明显改进。美国专利报道,低相对分子质量受阻胺Tinuvin770和Tinuvin144与荧光染[10]吕咏梅. 我国光稳定剂生产现状与发展趋势[J]. .料用于PVC膜中,以6500W氙弧灯照射100h,制化工新型材料,2002 ,30(5):8- 10.品的颜色保留率提高数倍。[11]Konstantinova T, Lazarova R, Venkova A L,et al.On the synthesis and pholostability of some new4结语naphthalimide dyes [J], Polymer Degradation andStability ,2004 ,84 :405 - 409.随着世界经济的飞速发展,我国塑料及其制[12]胡应喜 ,刘霞.受阻胺光稳定剂的开发研究进展[J].北京石油化工学院学报,2004(2);15 -22.品产业也快速发展,人们对光稳定剂的数量和品[13] Pospisl J, Nespurek s. Photostabilization of coatings质都提出了更高的要求。目前国内光稳定剂的mechanisms and performance [J]. Progress in Poly-生产与应用仍存在品种单一、产品档次不高、质mer Science ,2000 ,25(9) :1261 - 1335.量不稳定等问题，今后国内还需加强光稳定剂的[14]唐军,董鹏.聚烯烃复合光稳定剂的应用研究基础研究,创新开发出具有良好性能、相容性好、[J].塑料,2007 ,36(4):13 -17.清洁环保的高效产品。要加大应用研究力度,着[15] 钱梁华,马洪玺,顾超然,等.国产光稳定剂在PE力于具体应用配方和相关老化实验数据,来指导农膜中的应用[J].塑料工业，2004 ,32 (12) :46塑料制品企业合理使用光稳定剂。- 57参考文献:[16] 汪辉亮,王春,陈文. 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Polymner ,2006 ,47 :8061 - 8071.Prediction of the soluility of cucurbitacin drugs in[39 ] Theodora Spyriouni, Caroll Vergelati. A molecularBel-associating poly( ethylene oxide ) _b-poly( a-ben-modeling Study of binary blend compaibility of poly-zyl carboxylate g-caprolactone) block copolymer withanide 6 and poly( vinyl acetate) with diferent dedifferent tacticities using molecular dynamice simula-grees of hydrolysis :An atomistic and mesoscopic aption[J]. Biomaterials ,2010,31 :345 -357.proach[J]. Macromolecules, 2001 ,34(15): 5306[38] Sheetal s. Jawalkar, Tejraj M. Aminabhavi, Molec--5316.ular modeling simulations and thermodynamic ap-[40] P. Choi. Molecular dynamics studies of the thermo-proachee To investigate compatibility/ incompatibilitydynamics of HDPE/butane -based LLDPE blendsof poly( L-lactide) And poly( vinyl alcohol) blends[J]. Polymer, 2000 ,41 :8741-8747.Research Progress on Molecular Simulation in Compatibilityof Polymer BlendsLIU Qian , YUE Hong , ZHANG Hui-jun , ZHUANG Chang -qing(Applied Chemistry Department of Northwestem Polytechnical University ,Xian 710072 ,China)Abstract: In this paper , the methods of molecular simulation and molecular dynamics simulation were introduced. The simulationof the compatibility of polymner blends from the perspective of molecular modeling was emphasized , and the theories of solubilityparameter and Huggins-Flory parameter were described in detail. Then the actuality and application of molecular simulationstudy of polymer blends at home and aboard were narrated and summed up. Fnally , molecular modeling trende were also proe-pected.Keywords :Compatibility ; Solubility parameter; Huggins-Flory parameter; Molecular dynamics