聚合物改性-相容性

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对于均聚物/共聚物体系,相容性与共聚物的组成有关。NBR的 与
AN含量有关。用气体作探针表明,AN含量20一40% 时NBR/PVC的相容性不断 增加。由电镜和Tg表明,NBR-18和AN含量26%的NBR-26与PVC只是有限相容, 两相界面模糊,仅AN含量40%的NBR一40与PVC溶液共混时才是均相,只有一 个Tg。在PVC/EVA中相容性随醋酸乙烯(VAC)含量的增加而增加,VAC含量 为65-70%时共混物为单相,45%时为两相。对氯苯乙烯—邻氯苯乙烯共聚物 与PPO共混时,在对氯苯乙烯含量23—64%范围内,用量热法观察到单一的Tg。 苯乙烯(St)与AN的无规共聚物(SAN)与PMMA共混时,AN含量在9—27%范 围内时,电镜和力学性能表明二者相容。
部分互溶情形
从热力学角度,相容性指 聚合物之间的相互溶解性,
形成均相体系的能力
聚合物-聚合物二元体系
完全相容 部分相容 不相容
若在某一温度T0下( T0<临界温度Tc ,两相体系在某一 组分比范围内互溶为均一体系,而在另一组分比范围内分离 为两个相,称其为部分互溶。
图中有一极大值点,两个极小值点Q’和Q”。Q称为双节 点(binode)。在极大值与极小值之间,存在着两个拐点S’和 S”,称为旋节点(spinode) 。
相分离举例
TEM图上显示,体系从微相分离的结构变 成了球分离的结构。Tg研究表明,纯sPS 的转变温度为90.6度,而PS-PEP共聚物的 为98.4度,共混物的则为91,由于sPS链段 能与PS相容,最终导致PS和sPS的Tg相近, 由于看不到Tg的变化,因此微相结构的变化
也并未出现。结论在于大部分的sPS位于PS的微区中
全互溶情形
ΔGm为极小值时,多相 体系处于热力学平衡状态
常压下,若在确定的温度, 两相物质以任意配比混和都 能互溶为均一相体系,称为 全互溶。其混合Gibbs自由 能变化曲线如图所示。
此时除满足必要条件△G m<0外,还需满足充分条件 (即极小值条件):
组分之间完全相容的二元体系混合混合自由焓ΔGm与组成的关系
具有最高临界相容温度的例子有:天然橡胶—丁苯橡胶、聚异丁烯一聚二 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、聚己内酯一 苯乙烯-丙烯睛共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯—丙烯睛共聚物等。
同时存在LCST及UCST的例子有:聚甲基丙烯酸甲酯—氯化聚乙烯以及聚 苯乙烯-聚苯醚(PS/PPO)等。
聚合物的相容性
sPS/HIPS
9/1
10/0
7/3
5/5
3/7
sPS/ABS
10/0
9/1
7/3
5/5
3/7
1/9
PTT/PBS体系
聚合物共混物相容性
所谓聚合物之间的相容性(Miscibility),从热力学角度而言, 是指在任何比例混合时,都能形成分子分散的、热力学稳定的均相 体系,即在平衡态下聚合物大分子达到分子水平或链段水平的均匀 分散。
引入相互作用的基团 共溶剂法和IPN方法
聚合物-聚合物共混体系相容性的热力学理论
Flory-Huggins理论
热力学第二定律
Gm H m TSm
式中 自由能; 为混合焓; 为混合熵;
T 为热力学温度。
只有△Gm<0时,混合才能自发进行
聚合物增容作用及增容方法
大多数聚合物间的相容性差,使共混体系难以达到所要求的分散程度, 即使借助外力,在共混过程中实现均匀分散,也会在使用过程中出现 分层现象,降低性能 一是使聚合物之间易于相互分散以得到宏观上均匀的共混产物 改善聚合物之间的相界面的性能,增加相间的粘合力
加入增容剂 混合过程中化学反应
ONE PHASE REGION
binodal curve spinodal curve quench
0.4
NG SD
Metastable Unstable
0.2
TWO PHASE REGION
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Y
相分离机理
二元体系有三个相分离区域:相容区、亚稳区、不相容区
聚合物共混物相分离机理
二元体系有三个相分离区域: 相容区、亚稳区和不相容区。 亚稳区介于双结线和旋节线 之间,相分离需要一定形式的 活化机理激发。在不相容区, 相分离是自发进行的。由于在 亚稳区密度的升落,旋节线是 一个弥散的边界,当条件由双 结线移向旋节线时,对活化作 用的需要很快消失。
T
0.6
1949年, Huggins和Flory从液-液相平衡的晶格理论出发,导出了 △Hm和△Sm的表达式,得出聚合物二元混合物的热力学表达式:
Gm RT (n1 ln 1 n2 ln 2 12n12 )
即 Sm R(n1 ln 1 n2 ln 2 )
Hm RT12n12
基—1,4-苯撑氧(PPO)皆因 相近而相容。
PS与聚丁二烯(PB)的 相差较大( >0.7),相容性较差。PVC与
PB的 >1,为不相容体系。
但是,聚乙烯(PE)与异丁橡胶(IIR)的 相近却不相容。例如,
高密度聚乙烯(HDPE)与IIR熔融共混时其 loga 与组成的曲线具有负偏差
(NDB),会出现极限相容性和相分离。二者的熔体已经分相。类似的还有: PB与天然橡胶(NR)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与聚甲基丙烯酸乙酯 (PEMA)、PMMA与聚硝酸乙烯酪(PVAC)等。
由此可见,对于非晶态高分子共混物可用 较准确地预测其相容性,
而含有结晶高分子时就有偏差。
共聚物的组成
(2)表现最低临界相容温度(LCST)行为。所谓最低临界相容温度是指这样的 温度:低于此温度,体系完全相容,高于此温度为部分相容。
(3)同时存在最高临界相容温度和最低临界相容温度,如图C所示。有时, UCST和LCST会相互交叠,形成封闭的两相区,如图F所示。还有表现多重 UCST及LCST的行为,如图E所示。
相分离应用
根据成核与生长机理 得到贯通性不好的 珠状孔结构
根据旋节线(spinodal) 分解机制,形成相互 贯通的开孔结构
影响聚合物共混物相容性的因素
1、溶解度参数
高分子共混的过程实际上是分子链间相互扩散的过程, 受到分子链间作用力的制约。内聚能密度△E / V(简称 CED)是分子链间作用力大小的量度。但由于高分子不能
式中 n1、n2 ——组分1及2的摩尔分数;
1 2 ——组分1及2的体积分数;
R —— 气体常数; χ12 —— Huggins-Flory相互作用参数
研究两相高分子共混时,考虑两相体系混合后的分散状态和 形态学特征是十分重要的。虽然热力学相容性指示了在一定温 度、压力下,相转变发生的内在可能性,但是,由于大分子材 料的待殊结构特征及高粘度、高弹性,两相高分子要达到完全 热力学共溶往注需要一个长时间过程。在研究中引入时间尺度, 这是动力学问题。需要指出,由于高分子材料的特殊性,动力 学问题的研究在高分子体系研究中往往非常重要。
旋结分离 SD S’ 和S’’为旋结点
旋结线 成核-生长相分离 NG
由于聚合物之间的混合熵很小,所以仅当聚合物之间 存在很强的相互作用或者组分自身链段之间的斥力大于组 分之间链段的斥力时,才可能完全相容。真正在热力学上 完全相容的聚合物对并不多,大多数聚合物之间在热力学 上不相容或只有部分相容性。1972年,Krauser公布了342 对聚合物,其中只有33对完全相容,46对部分相容,其余 都是不相容的。
包括成核,片晶生长,球晶生长 和晶体聚集体生长等不同阶段。
三种成核机理
过冷熔体的均相成核 大分子取向诱发的成核 外相表面的非均相成核
不相容 相容
不同的结晶形态
片状单晶,轴晶,树枝状晶体,伸展链晶体, 纤维状晶体,外延性晶体
结晶聚合物共混物的相分离
液-液相分离对结晶过程与形态结构影响
X2 大于 b’’,结晶发生于均相体系中
一种相为连续相,另一相以球状颗粒的形式分散其中。 按SD机理进行的相分离,相畴(即微区)尺寸的增长可分为三个阶
段:扩散、液体流动和粗化。 —般而言,SD机理可形成二维共连续的形态结构。这种形态结构
赋予聚合物共混物优异的力学性能和化学稳定性,是某些聚合物共 混物具有明显协同效应的原因。
按SD机理(左)和NG机理(右)进行的相分离的不同阶段 (在NG区,相分离微区的组成是常数,仅成核珠滴的 直径及其分布随时间而变;在SD区,组成核微区尺寸 都随时间而改变。)
气化而无法直接测定其CED,因而常用溶度参数 (CED
的开方值)来表征分子链间作用力的大小。
高分子间的 越接近,其相容性越好。例如,PVC/NBR体系中PVC的 为9.4—9.7,在一定AN范围内NBR的 为9.3—9.5,二者的 相近,
相容性较好。PVC与乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)、PS与聚2,6—二甲
平均场理论
均相冷却
由双结线上部降到亚稳区,相分离开始由浓度的局部升落引起
从双结线上部跨过亚稳区直接降到旋结区,浓度的升落是非定域 导致大范围的自动相分离
压力,应力等对相平衡也有显著的影响,也可控制相分离过程
从均相冷却,有两种不同的方式:(i)从均相直接冷却至亚稳态; (ⅱ)从均相直接冷却至旋节区。例如,由上图出发来讨论这一问题, 使温度下降,由双结线上部降到亚稳区,这相当于第一种冷却方式。
这时相分离的开始是由浓度(或密度)的局部升落引起的,相分离的机 理是成核和增长机理(NG)。第二种冷却方式是迅速降低温度.从双 结线上部越过亚稳区直接降到旋节区(旋节线所围成的区域)。在旋节 区,浓度的升落是非定域的,导致大范围的自动相分离,这称为旋
节分离机理(SD)。 由NG机理进行相分离而形成的形态结构主要为珠滴/基体型,即
S’和S”之间,有
<0,不稳定,容易分解为Q’和
Q” 平衡共存的相,发生相分离,称为非稳态均相混合物的
相分离。
Q和S之间,满足极小值条件
两相能够互溶,但是体系处于亚稳定状态,受到外部活化因素 影响,能分离成Q’和Q”两个相,称亚稳态均相混合物的相分离。
相容二元聚合物体系
S’ 和S’’为拐点 x2<b’ 和 x2>b’’为极限条件 组成在两拐点S’ 和S’’之间时,体系 不稳定,自发分离成b’和b’’两相
稳定态与亚稳态示意图
巳知高分子共混体系的相图与形态丰 富多彩。在共混过程中,两相体系有可 能达到能量最低的热力学稳定态,也有 可能处于能量稍高、但相对也非常稳定 的亚稳定态。所谓亚稳定态,是指在一 定温度和压力下,尽管一个状态在热力 学上不如另一个状态稳定,但在某种特 定的条件下这个状态也是可以存在的。 而且由于动力学途径较短的缘故,亚稳 定态往往首先达到,并可以长期稳定存 在。体系的一些优异性能也往往是处在 亚稳定态中体现出来的。
X2 大于S’’小于 b’’,结晶发生于NG区
PCL/PS
X2 小于 S’’,结晶发生于SD区
相容性聚合物共混物,一种聚合物可视为另一种聚合物的稀释剂, 若稀释剂是可结晶的,那么它对另一组分结晶过程的影响有: 对结晶无明显影响 延滞结晶速度 用量较大时阻止结晶 加速结晶 对另一种聚合物的链段提供促进活动性的环境, 使正常情况下不结晶的聚合物结晶。
相容性是选择适宜共混方法的依据,是形态结构与性能的关键因素
机械相容性(Compatibility),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。这时,共混时聚合物 各组分间存在一定的相界面亲合力、且分散较为均匀,分散相粒子 尺寸不太大。
基本特点 相容性理论 相分离
相容性表征 增容
SD相分离形态结构的发展
SD
ND
相逆转
SD始于均相的,混溶的体系,经冷却进入旋节区而出现相分离现象 相逆转则是不相容共混物体系的形态结构变化 SD可以发生于任意浓度,而相逆转仅限于较高的浓度范围 SD产生较微细的结构,而相逆转则导致出现较大的相畴
结晶聚合物共混物的相分离
C/A C/C
结晶过程
结晶聚合物冷却至其平衡熔点以下时即发生结晶
二元聚合物共混体系的相图
UCST
LCST
UCST LCST
最高临界相容温度 UCST
最低临界相容温度 LCST
部分相容体系的混合自由焓-组成曲线类型
(1)表现最高临界相容温度(UCST)行为。最高临界混溶温度是指这样的温度: 超过此温度,体系完全相容,为热力学稳定的均相体系;低于此温度,为部 分相容,在一定的组成范围内产生相分离。
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