第八章 高分子共混和复合材料

高分子共混和复合材料

摘要:

聚合物共混改性是实现高分子材料高性能化、精细化、功能化和发展新品种的重要途径。许多聚合物共混物具有性能优异、加工周期短、价格低廉等特点，已广泛应用于电子设备、家用电器、汽车工业、纺织业、建筑业等方面。发展速度非常快。据报导，80年代塑料工业的年增长率为2％－4％，而聚合物共混物的年增长率为9％－11％，工程塑料共混物的年增长率为13％－17％。以1987年为例，有60％－70％的聚烯烃和23％的其他聚合物是以共聚物的形式进入销售市场的。80年代末以来，塑料合金增长率为11％，单1997午产量就有200万吨左右。关于聚合物共混的历史可以追溯到1864年，当时Hancock将天然橡胶与古塔波胶混合制成了雨衣，并提出了两种聚合物混合以改进制品性能的思想。

正文：

一、高分子共混物的制备方法

高聚物共混物的制备方法主要有物理共混法和共聚－共混法两类，此外还有IPN(互穿高聚物网络化)法。各种共混法所得高聚物共混物的理想形态结构大多应为稳定的微观多相体系。影响高聚物共混物形态结构的最根本因素是其共混物组分的热力学相容性；但并非相容性好的共混体系就一定能形成理想的形态结构，它还要受共混方法及工艺条件的影响，所以有必要研究各种共混方法及相应的设备以及工艺条件。这里着重介绍物理共混法和共聚－共混法。

1物理共混法

物理共混法是依靠物理作用实现高聚物共混的方法，工程界又常称之为机械共混法，共混过程在不同种类的混合或混炼设备中完成。

大多数高聚物共混物均可用物理共混法制备。在混合及混炼过程中通常仅有物理变化。但有时由于强烈的机械剪切作用及热效应使一部分高聚物发生降解，产生大分子自由基，继而形成少量接枝或嵌段共聚物。这类化学反应应不成为该过程的主体，否则将不属于物理共混的范畴。

从物料形态分类，物理共混法包括粉料(干粉)共混、熔体共混、溶液共混及乳液共混四类：

(1)粉料(干粉)共混法将两种或两种以上品种不同的细粉状高聚物在各种通用的塑料混合设备中加以混合，形成各组分均匀分散的粉状高聚物的方法称为粉料(干粉)共混法。用此种方法进行高聚物共混时，也可同时加入必要的各种塑料助剂(例如增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、填充剂等)。经干粉混合所得高聚物共混物料，在某些情况下可直接用于压制、压延、注射或挤出成型，或经挤出造粒后再用于成型。可见，干粉共混法具有设备简单、操作容易的优点。其缺点为：①所用高聚物原料必须呈细粉状，若原料颗粒较大，尚需采用粉碎设备制粉；②干粉混合时，高聚物料温低于它们的粘流温度(＜Tf)，物料不易流动，故混合分散效果较差。可见，一般情况下不宜单独使用干粉混合法。

(2)熔体共混法熔体共混法又称熔融共混，此法系将共混所用的高聚物组分在它们的粘流温度以上(＞Tf)用混炼设备制取均匀高聚物共熔体，然后再冷却、粉碎(或造粒)的方法。初混合的设备和操作情况类似于前述之干粉共混。但由于熔融共混法中的初混合并非最终的共混操作，所以高聚物原料在粒度上的要求不很严格。某些情况下也可以不经初混合而直接在混炼设备中熔融共混。熔融共混法具有如下优点：共混的高聚物原料在粒度大小及粒度均一性方面不象干粉共混那样严格，所以原料准备操作较简单；共混物料成型后，制品内相畴

较小；在混炼设备强剪切力作用下，导致一部分高聚物分子降解并可能形成接枝或嵌段共聚物，从而促进了不同高聚物组分直接的相容。选择熔融法共混时应注意如下问题：①各原料高聚物组分的熔融温度和热分解温度应相近，以免在一种高聚物组分的熔融温度下引起另一种高聚物组分的分解。这一问题对于热敏性高聚物的共混尤其需要注意。②各原料高聚物组分在共同混炼温度下应具有相近的熔体粘度，否则难于获得均匀的共混体系。

熔融共混法是一种最常用的高聚物共混法，它与初混操作配合一般可取得较满意的混合效果。其中，挤出共混具有操作连续、省劳动力、设备简单、维修方便、体积小等优点，因而应用最广泛。

2 共聚—共混法

共聚—共混法是制备高聚物共混物的一种化学方法，这一点与机械共混法显然不同。共聚—共混法又有接枝共聚—共混与嵌段—共混之分，在制备高聚物共混物方面，接枝共聚—共混法更为重要。

接枝共聚—共混是首先制备一种高聚物(高聚物组分1)，然后将其溶于另一高聚物(高聚初组分2)的单体中，形成均匀溶液后再依靠引发剂或热能的引发，使单体与高聚物组分I 发生接枝共聚，同时单体还会发生均聚作用。上述反应产物即为高聚物共混物，它通常包含着三种主要高聚物组分，即高略物I、高聚物Ⅱ以及以高聚物I为骨架接枝上高聚物Ⅱ的接枝共聚物。接枝共聚组分的存在促进了两种高聚物组分的相容，所以接枝共聚—共混产物的相畴较机械共混产物的相畴微细。影响接枝共聚—共温产物的因素很多．其中主要有原料高聚物1和2的性质，它们的比例、接枝链的长短、数量等。接枝共聚—共混法生产高聚物共混物的设备与一般的聚合设备相同，即间歇式聚合工艺，釜式、塔式等连续操作设备。对于聚合工艺除本体法外，还有本体、悬浮法等。接枝共聚—共混法制得的高聚物共混物，其性能通常优于机械共混法的产物，所以近年来发展很快，应用范围逐步推广。目前主要用于生产橡胶增韧塑料，例如抗冲聚苯乙烯及ABS树脂在早期虽然曾用机械共混法制取，但现在几乎全被接枝共聚—共混法代替。另外橡胶增韧聚氯乙烯等也开始研究用此法生产。二、先进复合材料与航空航天

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的或不同结构的材料，以微观或宏观的形式结合在一起而形成的材料。复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加土性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。

国内飞机使用的先进复合材料（ACM ）：3家科研单位合作开发研制的某歼击机ACM 垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg,减质量30%。北京航空制造土程研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酞亚胺单向碳纤维预浸料及其ACM已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其ACM，具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能，适合制造飞机主承力构件，可在120 oC下长期土作，已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。

1、ACM在航空发动机上的应用

美国通用电器飞机发动机事业集团公司(GE-AEBG)和惠普公司等，都在用ACM取代金属制造飞机发动机零部件，包括发动机舱系统的许多部位推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用ACM制造。如发动机进气罩的外壳是由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料(E707A）叠铺而成，具有耐177 0C高温的热氧化稳定性，壳表面光滑似镜，有利于形成层流。又如FW4000型发动机有80个149 0C的高温空气喷口导流片，也是碳纤维环氧预浸料制造的。