您当前的位置:检测资讯 > 科研开发

高分子材料之聚合物的相容性

嘉峪检测网        2019-06-10 10:15

当前高分子材料已成为实际应用中不可缺少的一类重要材料,但社会发展对其提出了日益发展和苛刻的使用要求,单一聚合物往往难以满足多种多样的要求。为获得综合性能优异的高分子材料,除了继续研制合成新型聚合物外,已有聚合物的共混合金改性已成为发展高分子材料卓有成效的途径。新型聚合物的研发成本往往达到聚合物共混物成本的近百倍,而且一些聚合物的性能也远非单一聚合物可比拟。对于高分子材料共混合金,相容性是最为关键的一环。

高分子材料之聚合物的相容性

 

何为聚合物的相容性?

 

聚合物的相容性是指共混的聚合物各个组分彼此相互容纳,形成宏观均匀材料的能力。从热力学角度来看,聚合物的相容性就是聚合物之间的相互溶解性,是指两种聚合物形成均相体系的能力。大量的实际研究结果表明,不同聚合物对之间相互容纳的能力,是有着很悬殊的差别的。某些聚合物对之间,可以具有极好的相容性;而另一些聚合物对之间则只有有限的相容性;还有一些聚合物对之间几乎没有相容性。由此,可按相容的程度划分为完全相容、部分相容和不相容。相应的聚合物对,可分别称为完全相容体系、部分相容体系和不相容体系。

高分子材料之聚合物的相容性

 

聚合物对之间的相容性,可以通过聚合物共混物的形态反映出来。完全相容的聚合物共混体系,其共混物可形成均相体系。因而,形成均相体系的判据亦可作为聚合物对完全相容的判据。如前所述,如果两种聚合物共混后,形成的共混物具有单一的Tg,则就可以认为该共混物为均相体系。相应地,如果某聚合物对形成的共混物具有单一的Tg,则亦可认为该聚合物对是完全相容的。

 

“部分相容”是一个很宽泛的概念,它在两相体系的范畴之内,涵盖了不同程度的相容性。对部分相容体系(两相体系),相容性的优劣具体体现在界面结合的牢固程度、实施共混的难易,以及共混组分的分散度和均一性等诸多方面。

 

如何判断聚合物的相容性?

 

在聚合物共混物制备完成之后,可以对组分之间的相容性进行测定和研究。测定相容性的方法有玻璃化转变温度法、红外法、电镜法、浊点法、反相色谱法等。

 

玻璃化转变温度法

 

测定聚合物共混物的玻璃化转变温度Tg,并与单一组分玻璃化温度进行对比的方法,是测定与研究共混组分相容性的最常用的方法,主要有动态力学性能测试方法和DSC法。

 

部分相容的聚合物,其共混物为两相体系。聚合物对部分相容的判据,是两种聚合物的共混物具有两个Tg,且两个Tg峰较每一种聚合物自身的Tg峰更为接近。在聚合物共混体系中,最具应用价值的体系是两相体系。由于部分相容的聚合物,其共混物为两相体系,相应地,研究者对于部分相容体系也给予了更多的关注,成为研究的重点。

高分子材料之聚合物的相容性

 

还有许多聚合物对是不相容的。不相容聚合物的共混物也有两个Tg峰,而且,两个Tg峰的位置与每一种聚合物自身的Tg峰是基本相同的。

 

红外光谱法

 

红外光谱法也可以用于共混组分的相容性研究。对于具有一定相容性的共混体系,各组分之间彼此相互作用,会使共混物的红外光谱谱带与单一组分的谱带相比,发生一定的偏移。偏移主要发生在某些基团的谱带位置上。当共混组分之间生成氢键时,偏移会更为明显。

羟基的不同结合状态所对应的伸缩振动频率

高分子材料之聚合物的相容性

 

电镜法

采用电子显微镜拍摄的共混物形态照片,也可用于研究共混组分之间的相容性。一般来说,当共混组分之间相容性较好,且形成了一定厚度的界两过渡层时,在电镜上可观测到两相之间界面较为模糊。

高分子材料之聚合物的相容性

 

此外,当共混工艺相同时,相容性好的共混体系其分散相粒径也较为细小。电镜法可与其它表征方法合并使用,作为相容性的辅助表征方式。

 

浊点法

两种聚合物形成的共混物,往往不能在任意的配比和温度下实现彼此相容。有一些聚合物对,只能在一定的配比和温度范围内是完全相容(形成均相体系)的,超出此范围,就会发生相分离,变为两相体系。按照相分离温度的不同,又分为具有“低临界相容温度”(LCST)与“高临界相容温度”(UCST)两大类型,如下图所示 。

高分子材料之聚合物的相容性

 

共混物的相分离温度和发生相分离的组成的关系图,被称为共混物的相图。共混物相图所表征的相分离行为,显然可以用来研究共混组分之间的相容性。

 

当共混物由均相体系变为两相体系时,其透光率会发生变化,这一相转变点就被称为浊点,且可以用测定浊点的方法测定出来。浊点法在对于相容性进行理论研究时,是常用的方法。

 

反向色谱法

将反相色谱法用于研究共混体系的相容性,其方法也是测定共混组分的相分离行为。反相色谱法以某种小分子作为"探针分子",测定体系的保留体积(Vg)。当共混物发生相分离时,探针分子的保留机制发生变化,使得lgVg-1/T偏离直线。在发生拐点之处,就是共混体系出现相态变化之处。对于一些折光指数相近的共混组分,无法用浊点法测定相分离行为,则可以用反相色谱法进行测定。

高分子材料之聚合物的相容性

 

目测法

对于本身是透明聚合物来讲,目测共混体系的透明性也可以判断聚合物共混体系的相容性。如果是均相,材料呈透明状;如果是两相或多相,由于光线折射,材料呈浑浊状。当然,若两相的折光率相近时,即两相折光率只差小于0.01时,即使是两相,也是透明的,此时还需借助其他表征手段和方法。

 

此外,在材料挤出造粒或注塑加工时,通过观察料条或注塑制品状态也可以判断聚合物共混物的相容性,比如典型的分层现象。

 

如何改善聚合物共混体系的相容性?

       

聚合物共混成分之间的相容性是决定聚合物合金共混材料性能的关键,是选择适宜共混方法的重要依据,通过改善聚合物共混体系的相容性,提高聚合物共混组分间的界面粘结,是该类材料开发头等重要问题!

 

利用极性等相互作用

如PVC树脂制品经常需要进行增韧改性,氯化聚乙烯(CPE)是常用的增韧剂,之所以其可以作为PVC的增韧剂,原因在于将原本与PVC不相容的聚乙烯(PE)进行氯化后,增加了极性,从而使得CPE/PVC实现了相容。类似的相互作用,还有氢键、酸碱相互作用、离子-离子相互作用、离子-偶极相互作用等等,只不过在塑胶工业实际应用中利用的不多而已。

高分子材料之聚合物的相容性

 

添加相容剂

改善聚合物共混体系相容性最重要、也是最实用的方法就是添加相容剂,以改善体系界面性能。相容剂分为非反应型或反应型两种。在聚合物共混物中,所加入的嵌段或接枝共聚物由于其化学组成与均聚物等同,因而接枝链段或嵌段链段进入相应均聚物的相区,从而将不同相区链接起来,改善了相界面的粘合性能,并能降低两相界面的界面张力,使共混聚合物的分散更加均匀。这一类非反应型的嵌段或接枝共聚物相容剂,典型的有乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物。苯乙烯-马来酸酐共聚物等等。

高分子材料之聚合物的相容性

 

而反应型的相容剂是指在不相容或相容性很差的聚合物共混体系中添加,并在混合过程(如挤出造粒)中与共混聚合物分子链上的官能团之间在相界面上发生反应,使体系相容性得到改善。这一类典型的反应型相容剂有PE-g-MAH、PP-g-MAH、POE-g-MAH、EPDM-g-MAH、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物等等。

高分子材料之聚合物的相容性

 

当然,还可以通过交联(如动态交联、辐照交联)改善PE/PP之间的相容性,抑或通过互穿聚合物网络技术(IPN)将两种聚合物结合成稳定的相互贯穿的网络以提高其相容性。

 

分享到:

来源:高分子材料改性和防老化

周点击排行 月点击排行