共混物相界面

聚合物共混多相体系相界面研究摘要：本文着重总结了聚合物共混多想体系相界面的研究情况，分析了影响相界面性质的因素，阐述了相界面形成的原因，并对聚合物多相体系相界面研究的未来进行展望。

随着多种聚合物的研究和生产，单一的聚合物早已不能满足人类发展的需要，通过共混产生的多相聚合物应运而生。

多相聚合物的研究的基础之一，是多相聚合物界面研究。

界面的性质和特点决定了多相体系的性质和特点。

聚合物共混物的形态主要由两个动力学过程决定: 一个是剪切条件下颗粒的破裂过程, 另一个是颗粒的归并过程。

多相聚合物体系的相归并, 又称相聚集, 指热力学不相容的聚合物共混体系, 发生相分离后, 分散相粒子发生有效碰撞, 分散颗粒聚集而长大的过程[1]。

在聚合物材料科学中, 界面是一个非常重要的基本问题, 如粘接领域中粘接剂在界面的作用, 以及多相共混物中不同相区间界面相互作用通过研究不同聚合物材料间的粘接过程, 发现对于热力学相容的聚合物分子, 不同聚合物分子链经过界面向对方本体扩散至足够距离, 从而产生缠结。

界面层的形成多相聚合物体系相间界面层的形成可分为两步: 第一步是相间相互接触, 第二步是聚合物大分子链段之间相互扩散。

增加相间的接触面积有利于链段的相互扩散, 提高相间的作用力。

在混炼过程中为了加相间的接触面积, 提高分散程度, 可以采用有效的混炼机械、IPN 技术或添加增容剂等方法[2]。

相间相互接触时即发生链段之间的相互扩散。

当聚合物大分子具有相近的活性时, 大分子的链段就以相近的速度相互扩散; 若大分子的活性相差悬殊, 则发生单向扩散。

扩散的推动力是混合熵即链段的热运动。

若混合过程吸热, 熵增加最终为混合热所抵消。

扩散使聚合物的相界面两边产生明显的浓度梯度。

相界面以及相界面两边具有浓度梯度的区域构成了相间的界面层[3]。

复合体系中微观相界面对材料性能的影响近年已有不少使用无机刚性粒子对高分子进行增韧改性的研究, 在这些研究中大多因使用特殊的偶联剂处理无机刚性粒子表面, 获得了具有较高韧性和较好刚性的高分子复合材料[4]。

❖1.试述聚合物共混的概念。

答：聚合物共混是指将两种或两种以上聚合物材料、无机材料以及助剂在一定温度下进行机械掺混，最终形成一种宏观上均匀，而且力学、热学、光学、电学及其他性能得到改善的新材料的过程，这种混合过程称为聚合物的共混改性，所得到的新的共混产物称为聚合物共混物，简称共混物。

❖2.共混物的形态学要素有哪些？答：1. 分散相和连续相；2. 分散相的分散状况；3. 两相体系的形貌；4. 相界面。

❖3.简述分散相颗粒分散过程的两种主要机理。

❖答：液滴分裂机理：分散相的大粒子，分裂成两个较小的粒子，然后，较小的粒子在进一步分裂，这一过程不断重复，直至平衡。

❖细流线破裂机理：分散相的大粒子，在拉伸应力下变形为细流线，细流线再在瞬间破裂成细小的粒子。

❖4.依据“液滴模型”，讨论影响分散相变形的因素。

答：Weber数粒径；连续相黏度；界面张力；熔体弹性；流动场；两相粘度比。

❖5.依据“双小球模型”，讨论影响分散相破碎的因素。

❖答：K值的影响；r*值的影响；初始位置（分散相粒径）的影响❖6.采用哪些方法，可以对聚合物熔体黏度进行调控。

❖答：调节剪切应力；通过助剂调节；调节共混组分的相对分子量。

❖1.影响共混物性能的因素有哪些？❖答：一、各组分的性能与配比的影响；二、共混物形态的影响；三、制样方法和条件的影响；四、测试方法与条件的影响❖2.试述聚合物大形变时的形变机理及两种过程。

❖答：玻璃态聚合物大形变时的形变机理包含两种可能的过程❖剪切形变过程：剪切过程包括弥散型的剪切屈服形变和形成局部剪切带两种情况。

剪切形变只是使物体形状改变，分子间的内聚能和物体的密度基本上不受影响。

❖银纹化过程：银纹化过程则使物体的密度大大下降。

这两种机理各自所占的比重与聚合物结构及实验条件有关。

❖3.形成局部应变的两种原因是什么？❖答：1）是纯几何的原因（试样截面积的波动）。

这种纯几何的原因仅在一定的负荷条件下才会产生局部应变❖2）应变软化（材料对应变的阻力随应变的增加而减小）。

聚合物改性练习题一、名词解释1.聚合物共混2.乳液共混3.相容性4.聚合物填充剂5.纳米塑料6.高分子合金7.共混物形态的三种基本类型8.共混物的相界面9.“软包硬”规律10.两阶共混11.共混改性12. “均一性”和“分散度”13. 共混工艺因素14. 熔融共混设备15.塑炼16.相界面效应17.共混物形态18. “等粘点”作用19.聚合物等离子体改性11.简单混合12.亚微观结构二、判断正误并简单说明理由1.“海—岛结构”是一种两相体系，且一相为连续相，一相为分散相。

2.聚合物共混物的均相体系形态结构最好，因为均相体系共混物的性能往往超过各单组分单独存在时的性能。

3.塑料的增韧原理之一，是尽量不让塑料在受到应力作用时产生银纹，因为银纹会导致材料被破坏。

4.只能用柔性的橡胶颗粒对塑料基体进行增韧改性，刚性的粒子不能对塑料基体进行增韧。

5.共混时间、共混温度、加料顺序、混合方式等工艺因素都可能对共混性能产生重要的影响。

6.在两相共混组分中体积比多的一定是连续相，少的一定是分散相。

7.材料样品只有在受到剪切力作用时，才会产生剪切形变。

8.分散混合就是用高速搅拌机对聚合物粉末进行混合。

9.高分子薄膜都是不透气的。

10.硅橡胶是指主链以Si-O单元为主，以单价有机基团为侧基的线性聚合物弹性体。

硅橡胶耐寒性极好，耐热性则仅次于氟橡胶。

11.“海-岛结构”由于是两相体系，所以共混物的力学性能比均一体系的要差。

12.纳米粒子不但可以使聚合物基体的力学性能增强，而且可以改善粒子在基体中分散性能。

13.在纤维增强聚合物基复合材料的过程中，纤维的表面活性越高，与基体的结合能力越强，其增强效果越好。

14.分散相总是比基体的强度和硬度高、刚度大。

15.两阶共混分散历程可以降低分散相粒径同时也能使分散相粒径分布较窄。

16.纳米塑料是由纳米塑料粉末作为原料制成的。

17.在两组分熔体粘度接近相等的区域内，容易得到具有“海—海结构”的共混物。

第5章共混物的相容热力学和相界面5.1 共混物相容热力学热力学相容性，从热力学角度而言，是在任何比例混合时，形成分子分散的、热力学稳定的均相体系。

相容热力学，是指能得到具有良好物理、机械性能的共混材料时聚合物共混物之间的相容性。

研究内容包括相分离行为和部分相容两相体系的相界面特性。

5.1.2 热力学相容的必要条件共混体系的吉布斯自由能，在恒温条件下，下式成立。

当两种或两种以上的聚合物形成共混物时，体系相容的必要条件是：随混合组分分子量的增大，混合熵对吉布斯自由能的贡献将逐渐减小，体系的相容性将主要取决热焓的数值大小和符号。

热焓是包含非混合熵效应的能量变化。

5.1.3 相分离行为和均相结构稳定性条件5.1.3.1 共混体系的相图共混体系的相容性，与温度和组成密切相关。

在一定温度下相容的共混体系，升高或降低温度，达到某一临界点时，会发生相分离；通过改变共混体系组成，也可以产生相分离。

以温度为纵坐标，组成为横坐标，将发生相分离的临界线以及均相和两相区域标出，即可得到共混体系的相图，如下图所示。

a 具有最高临界相容温度（UCST）行为。

超过此温度，共混体系完全相容，低于此温度，为部分相容，在一定范围内产生相分离。

b 表现出最低临界相容温度（LCST）行为。

低于此温度，共混体系完全相容，高于此温度，为部分相容，在一定范围内产生相分离。

c 同时具有UCST和LCST。

表现出UCST的共混体系，一般都是△H m >0 的；表现出LCST的共混体系，一般都是△H m <0的。

一种共混体系的UCST或者是LCST与参与共混的聚合物的分子量有关：若是表现出UCST的，随分子量增大，UCST升高；若是表现出LCST的，随分子量增大，LCST降低。

具有最高临界相容温度的例子有：天然橡胶-丁苯橡胶、聚异丁烯-聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯-聚异戊二烯、聚氧化乙烯-聚氧化丙烯等。

具有最低临界相容温度的例子有：聚苯乙烯-聚乙烯甲基醚、聚己内酯-苯乙烯-丙烯睛共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯-丙烯睛共聚物等。