第2章 聚合物共混的基本概念

1、1 第第2章章 聚合物共混的基本概念聚合物共混的基本概念 內(nèi)容提要：內(nèi)容提要： 介紹聚合物共混的基本定義、共混方法分類、介紹聚合物共混的基本定義、共混方法分類、 共混物的形態(tài)學(xué)要素，以及對于聚合物共混理共混物的形態(tài)學(xué)要素，以及對于聚合物共混理 論至關(guān)重要的相容性概念。論至關(guān)重要的相容性概念。 2 2.1 聚合物共混的定義聚合物共混的定義 2.1.1 狹義的與廣義的共混狹義的與廣義的共混 廣義的混合過程廣義的混合過程的目的，在于減少混合體系的目的，在于減少混合體系 的非均勻性，或者說是增加混合體系的均勻的非均勻性，或者說是增加混合體系的均勻 性。為達(dá)到這一目的，要靠混合體系各組分性。為達(dá)到這一目

2、的，要靠混合體系各組分 間的物理運動來完成。間的物理運動來完成。 物理共混物理共混就成為最基本的共混方式，但是，就成為最基本的共混方式，但是， 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)在聚合物共混體系形成中的作用也在聚合物共混體系形成中的作用也 不容忽視。不容忽視。 3 首先，按寬泛的聚合物共混概念，共混改性應(yīng)首先，按寬泛的聚合物共混概念，共混改性應(yīng) 包括包括物理共混、化學(xué)共混和物理化學(xué)共混物理共混、化學(xué)共混和物理化學(xué)共混三三 大類型。其中，物理共混大類型。其中，物理共混(主要方法是熔融共主要方法是熔融共 混混)就是通常意義上的就是通常意義上的“混合混合”。物理化學(xué)。物理化學(xué) 共混是兼有物理混合和化學(xué)反應(yīng)的過程，包括

3、共混是兼有物理混合和化學(xué)反應(yīng)的過程，包括 反應(yīng)共混和共聚共混。其中，反應(yīng)共混反應(yīng)共混和共聚共混。其中，反應(yīng)共混(如反如反 應(yīng)擠出應(yīng)擠出)是以物理共混為主，兼有化學(xué)反應(yīng)，是以物理共混為主，兼有化學(xué)反應(yīng)， 可以附屬于物理共混；共聚共混則是以共聚為可以附屬于物理共混；共聚共混則是以共聚為 主，兼有物理混合。而化學(xué)共混主，兼有物理混合。而化學(xué)共混譬如譬如IPN則則 已超出通常意義上的已超出通常意義上的“混合混合”的范疇，而應(yīng)列的范疇，而應(yīng)列 入聚合物化學(xué)改性的范疇了。入聚合物化學(xué)改性的范疇了。 4 由于由于物理共混物理共混，特別是物理共混中的熔融，特別是物理共混中的熔融 共混，有著更廣泛的工業(yè)應(yīng)用意義

4、，因而，共混，有著更廣泛的工業(yè)應(yīng)用意義，因而， 本課程主要介紹物理共混本課程主要介紹物理共混(重點是熔融共混重點是熔融共混)， 以及附屬于物理共混的反應(yīng)共混。以及附屬于物理共混的反應(yīng)共混。 5 聚合物共混物與共聚高分子的區(qū)別：聚合物共混物與共聚高分子的區(qū)別： 聚合物共混物聚合物共混物 共聚高分子共聚高分子 無規(guī)共聚物無規(guī)共聚物 交替共聚物交替共聚物 嵌段共聚物嵌段共聚物 接枝共聚物接枝共聚物 AAAA A AAAA A BBBB B 物理結(jié)合 少量化學(xué)鍵 B AAA AB B B A A A ABB B A A AABB AA AAAA A BBB B BB BB B 6 如果如果將聚合物共混

5、的涵義限定在物理共混的將聚合物共混的涵義限定在物理共混的 范疇之內(nèi)，則可對聚合物共混作出如下定義：范疇之內(nèi)，則可對聚合物共混作出如下定義： 聚合物共混，是指兩種或兩種以上聚合物經(jīng)聚合物共混，是指兩種或兩種以上聚合物經(jīng) 混合制成宏觀均勻物質(zhì)的過程?；旌现瞥珊暧^均勻物質(zhì)的過程。共混的產(chǎn)物共混的產(chǎn)物 稱為聚合物共混物。稱為聚合物共混物。對這一聚合物共混的概對這一聚合物共混的概 念，還可以加以延伸，使聚合物共混的概念念，還可以加以延伸，使聚合物共混的概念 擴展到附屬于物理共混的物理化學(xué)共混的擴展到附屬于物理共混的物理化學(xué)共混的 范疇。更范疇。更廣義的共混還包括以聚合物為基體廣義的共混還包括以聚合物為基

6、體 的無機填充共混物。的無機填充共混物。此外，聚合物共混的涵此外，聚合物共混的涵 蓋范圍還可以進(jìn)一步擴展到短纖維增強聚合蓋范圍還可以進(jìn)一步擴展到短纖維增強聚合 物體系。物體系。 7 2.1.2 與共混相關(guān)的多元體系范疇與共混相關(guān)的多元體系范疇 (1)高分子合金高分子合金 在工業(yè)應(yīng)用中，高分子合金常被特指聚合物共混物。在工業(yè)應(yīng)用中，高分子合金常被特指聚合物共混物。 (2)復(fù)合材料復(fù)合材料 復(fù)合材料是由兩個或兩個以上獨立的物理相組成的復(fù)合材料是由兩個或兩個以上獨立的物理相組成的 固體產(chǎn)物，其組成包括基體和增強材料兩部分。固體產(chǎn)物，其組成包括基體和增強材料兩部分。 (3)雜化材料雜化材料 雜化材料雜

7、化材料(hybrid)的概念源于化學(xué)中的雜化軌道的概念源于化學(xué)中的雜化軌道,其其 定義為：兩種以上不同種類的有機、無機、金屬材料，定義為：兩種以上不同種類的有機、無機、金屬材料， 在原子、分子水平上雜化，產(chǎn)生具有新型原子、分子在原子、分子水平上雜化，產(chǎn)生具有新型原子、分子 集合結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，含有這種結(jié)構(gòu)要素的物質(zhì)稱為雜化集合結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，含有這種結(jié)構(gòu)要素的物質(zhì)稱為雜化 材料。材料。 8 2.2 共混改性的主要方法共混改性的主要方法 共混改性的基本類型分為物理共混、化學(xué)共混和物理共混改性的基本類型分為物理共混、化學(xué)共混和物理 化學(xué)共混三大類。化學(xué)共混三大類。 (1)熔融共混熔融共混 熔融共混是將聚合

8、物組分加熱到熔融狀態(tài)后進(jìn)行共熔融共混是將聚合物組分加熱到熔融狀態(tài)后進(jìn)行共 混，是應(yīng)用極為廣泛的一種共混方法。工業(yè)應(yīng)用的混，是應(yīng)用極為廣泛的一種共混方法。工業(yè)應(yīng)用的 絕大多數(shù)聚合物共混物均采用熔融共混。絕大多數(shù)聚合物共混物均采用熔融共混。 (2)溶液共混溶液共混 溶液共混是將聚合物組分溶于溶劑后，進(jìn)行共混。溶液共混是將聚合物組分溶于溶劑后，進(jìn)行共混。 (3)乳液共混乳液共混 乳液共混是將兩種或兩種以上的聚合物乳液進(jìn)行共乳液共混是將兩種或兩種以上的聚合物乳液進(jìn)行共 混的方法?；斓姆椒?。 (4)釜內(nèi)共混釜內(nèi)共混 釜內(nèi)共混是兩種或兩種以上聚合物單體同在一個聚釜內(nèi)共混是兩種或兩種以上聚合物單體同在一個聚

9、 合釜中完成其聚合過程，在聚合的同時也完成了共合釜中完成其聚合過程，在聚合的同時也完成了共 混?；?。 9 2.3 2.3 組分含量的表示方法組分含量的表示方法 (1)(1)質(zhì)量份數(shù)質(zhì)量份數(shù)(PHR)(PHR) 通常以主體聚合物的質(zhì)量為通常以主體聚合物的質(zhì)量為100100份，其它組分的含份，其它組分的含 量以相對于主體聚合物的質(zhì)量份數(shù)表示。特別適合量以相對于主體聚合物的質(zhì)量份數(shù)表示。特別適合 于工業(yè)試驗中的配方研究。于工業(yè)試驗中的配方研究。 (2)(2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)(w) 共混組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表征組分含量，是科學(xué)研究共混組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表征組分含量，是科學(xué)研究 論文論文( (特別是應(yīng)用

10、基礎(chǔ)研究論文特別是應(yīng)用基礎(chǔ)研究論文) )中經(jīng)常采用的方法。中經(jīng)常采用的方法。 其優(yōu)點在于可以反映出某一組分在體系中所占的比其優(yōu)點在于可以反映出某一組分在體系中所占的比 例。例。 (3)(3)體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)( () ) 共混過程的進(jìn)行以及共混物的形態(tài)，都與共混組分共混過程的進(jìn)行以及共混物的形態(tài)，都與共混組分 的體積有密切關(guān)系。體積分?jǐn)?shù)是共混研究，特別是的體積有密切關(guān)系。體積分?jǐn)?shù)是共混研究，特別是 理論研究中重要的表征方法。當(dāng)共混組分的密度相理論研究中重要的表征方法。當(dāng)共混組分的密度相 差較大時，應(yīng)采用體積分?jǐn)?shù)的表示方法，或?qū)①|(zhì)量差較大時，應(yīng)采用體積分?jǐn)?shù)的表示方法，或?qū)①|(zhì)量 分?jǐn)?shù)與體積分?jǐn)?shù)相對照

11、。分?jǐn)?shù)與體積分?jǐn)?shù)相對照。 10 2.4 關(guān)于共混物形態(tài)的基本概念關(guān)于共混物形態(tài)的基本概念 共混物的共混物的形態(tài)形態(tài)與共混物的與共混物的性能性能有密切有密切關(guān)系關(guān)系， 而共混物的而共混物的形態(tài)形態(tài)又受到共混又受到共混工藝工藝條件和共混條件和共混 物組分物組分配方配方的影響。于是，共混物的形態(tài)分的影響。于是，共混物的形態(tài)分 析就成了研究共混析就成了研究共混工藝工藝條件、共混物組分條件、共混物組分配配 方方與共混物與共混物性能性能關(guān)系的重要中間環(huán)節(jié)。關(guān)系的重要中間環(huán)節(jié)。 11 2.4.1 共混物形態(tài)的三種基本類型共混物形態(tài)的三種基本類型 共混物的形態(tài)可分為三種基本類型：其共混物的形態(tài)可分為三種基本類

12、型：其一是均一是均 相體系相體系；其；其二被稱為二被稱為“海海-島結(jié)構(gòu)島結(jié)構(gòu)”，這是一，這是一 種兩相體系，且一相為連續(xù)相，一相為分散相，種兩相體系，且一相為連續(xù)相，一相為分散相， 分散相分散在連續(xù)相中，就好像海島分散在大分散相分散在連續(xù)相中，就好像海島分散在大 海中一樣海中一樣；其；其三被稱為三被稱為“海海-海結(jié)構(gòu)海結(jié)構(gòu)”，也是，也是 兩相體系，但兩相皆為連續(xù)相，相互貫穿。兩相體系，但兩相皆為連續(xù)相，相互貫穿。 也可將共混物的形態(tài)劃分為也可將共混物的形態(tài)劃分為均相體系均相體系和和兩相體兩相體 系系，其中，其中，兩相體系又兩相體系又進(jìn)一步劃進(jìn)一步劃分為分為“海海-島島 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”與與“海海-海

13、結(jié)構(gòu)海結(jié)構(gòu)”?！昂：?島結(jié)構(gòu)島結(jié)構(gòu)”兩相兩相 體系也稱為體系也稱為“單相連續(xù)體系單相連續(xù)體系”，“海海-海結(jié)構(gòu)海結(jié)構(gòu)” 兩相體系則稱為兩相體系則稱為“兩相連續(xù)體系兩相連續(xù)體系”。 12 在聚合物共混物的不同形態(tài)結(jié)構(gòu)中，在聚合物共混物的不同形態(tài)結(jié)構(gòu)中，界面結(jié)合良好界面結(jié)合良好 的的“海海-島結(jié)構(gòu)島結(jié)構(gòu)”兩相體系比均相體系更具重要性。兩相體系比均相體系更具重要性。 這首先是因為均相體系與兩相體系在數(shù)量上的差異。這首先是因為均相體系與兩相體系在數(shù)量上的差異。 研究結(jié)果表明，研究結(jié)果表明，能夠形成均相體系的聚合物對是很能夠形成均相體系的聚合物對是很 少的，而能夠形成兩相體系的聚合物對卻要多得多。少的，

14、而能夠形成兩相體系的聚合物對卻要多得多。 這樣，研究和應(yīng)用兩相體系就比均相體系有更多的這樣，研究和應(yīng)用兩相體系就比均相體系有更多的 選擇余地。更重要的是，選擇余地。更重要的是，均相體系共混物的性能往均相體系共混物的性能往 往介于各組分單獨存在時的性能之間；而往介于各組分單獨存在時的性能之間；而“海海-島島 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”兩相體系的性能，則有可能超出各組分單獨兩相體系的性能，則有可能超出各組分單獨 存在時的性能。存在時的性能?！昂：?島結(jié)構(gòu)島結(jié)構(gòu)”兩相體系的實際應(yīng)兩相體系的實際應(yīng) 用價值大大高于均相體系。因此，用價值大大高于均相體系。因此，“海海-島結(jié)構(gòu)島結(jié)構(gòu)” 兩相體系在研究與應(yīng)用中就比均相體系受

15、到了更多兩相體系在研究與應(yīng)用中就比均相體系受到了更多 的關(guān)注與重視。的關(guān)注與重視。 13 我們學(xué)習(xí)的重點是工業(yè)應(yīng)用中常用的我們學(xué)習(xí)的重點是工業(yè)應(yīng)用中常用的熔融熔融 共混方法共混方法，而在熔融共混的產(chǎn)物中，更具，而在熔融共混的產(chǎn)物中，更具 應(yīng)用價值的通常是具有應(yīng)用價值的通常是具有“海海-島結(jié)構(gòu)島結(jié)構(gòu)”的兩的兩 相體系。因此，將主要介紹具有相體系。因此，將主要介紹具有“海海-島結(jié)島結(jié) 構(gòu)構(gòu)”的熔融共混法兩相體系的熔融共混法兩相體系。 14 HIPS的“海-島”結(jié)構(gòu) 例例: :用用5 5順丁橡膠順丁橡膠 的的PSPS溶液在攪拌溶液在攪拌 下聚合而成的高下聚合而成的高 抗沖聚苯乙烯抗沖聚苯乙烯 HIP

16、SHIPS。顆粒狀的。顆粒狀的 “島島”是橡膠相，是橡膠相， 分散在連續(xù)的聚分散在連續(xù)的聚 苯乙烯塑料相之苯乙烯塑料相之 “海?！敝?。從較中。從較 大的橡膠顆粒內(nèi)大的橡膠顆粒內(nèi) 部，還可能觀察部，還可能觀察 到包藏著許多聚到包藏著許多聚 苯乙烯。苯乙烯。 15 2.4.2 聚合物共混物的形態(tài)學(xué)要素聚合物共混物的形態(tài)學(xué)要素 (1)分散相和連續(xù)相的確定分散相和連續(xù)相的確定 (2)分散相的分散狀況分散相的分散狀況 總體均勻性總體均勻性和和分散度分散度?？傮w均勻性是指分散相顆粒。總體均勻性是指分散相顆粒 在連續(xù)相中分布的均勻程度，即分散相濃度的起伏在連續(xù)相中分布的均勻程度，即分散相濃度的起伏 大小。分

17、散度則是指分散相物料的破碎程度，可以大小。分散度則是指分散相物料的破碎程度，可以 用分散相顆粒的平均粒徑來表征。此外，用分散相顆粒的平均粒徑來表征。此外，分散相顆分散相顆 粒的粒徑分布粒的粒徑分布，也是分散相分散狀況的重要表征。，也是分散相分散狀況的重要表征。 (3)兩相體系的形貌兩相體系的形貌 (4)相界面相界面 16 2.4.3 分散相顆粒的平均粒徑和粒徑分布與性分散相顆粒的平均粒徑和粒徑分布與性 能的關(guān)系能的關(guān)系 對于特定的共混體系，相對于所要求的性能，對于特定的共混體系，相對于所要求的性能， 通常有一個通常有一個最佳的分散相平均粒徑最佳的分散相平均粒徑范圍。分范圍。分 散相平均粒徑在這

18、個范圍之內(nèi)，共混物的某散相平均粒徑在這個范圍之內(nèi)，共混物的某 些重要性能些重要性能(如力學(xué)性能如力學(xué)性能)可以可以獲得提高獲得提高。分散分散 相顆粒相顆粒的粒徑分布對于性能也有影響，一般的粒徑分布對于性能也有影響，一般 要求要求粒徑分布窄粒徑分布窄一些。因為，一些。因為，過大過大的分散相的分散相 顆粒可能對性能產(chǎn)生不利影響，而顆?？赡軐π阅墚a(chǎn)生不利影響，而過小過小的分的分 散相顆?？赡軐μ岣咝阅懿黄鹱饔?。此外，散相顆粒可能對提高性能不起作用。此外， 分散相粒子的分散相粒子的形貌形貌對共混體系的性能也有重對共混體系的性能也有重 要影響。要影響。 17 共混理論與應(yīng)用研究特別關(guān)注共混理論與應(yīng)用研究

19、特別關(guān)注兩個方面兩個方面， 其一其一是對共混物是對共混物形態(tài)與性能關(guān)系形態(tài)與性能關(guān)系的研究，的研究， 以便針對特定的性能，確定最佳的分散相以便針對特定的性能，確定最佳的分散相 平均粒徑范圍，以及適宜的分散相粒子形平均粒徑范圍，以及適宜的分散相粒子形 貌；貌；其二其二是對于是對于共混過程共混過程的基本規(guī)律的研的基本規(guī)律的研 究，掌握哪些因素究，掌握哪些因素會影響分散相顆粒的平會影響分散相顆粒的平 均粒徑、粒徑分布以及粒子形貌均粒徑、粒徑分布以及粒子形貌，從而因，從而因 勢利導(dǎo)，通過控制共混條件，使共混體系勢利導(dǎo)，通過控制共混條件，使共混體系 達(dá)到所需的分散相平均粒徑和較窄的粒徑達(dá)到所需的分散相平

20、均粒徑和較窄的粒徑 分布，以及適宜的分散相粒子形貌。分布，以及適宜的分散相粒子形貌。 18 2.4.4 2.4.4 共混物共混物“均相均相”的判定的判定 在聚合物共混中形成的均相體系，顯然不在聚合物共混中形成的均相體系，顯然不 同于小分子混合時所可能達(dá)到的均相體系。同于小分子混合時所可能達(dá)到的均相體系。 已有的研究結(jié)果表明，在高分子領(lǐng)域，即已有的研究結(jié)果表明，在高分子領(lǐng)域，即 使是在均聚物中，亦會有非均相結(jié)構(gòu)存在使是在均聚物中，亦會有非均相結(jié)構(gòu)存在 (例如，在結(jié)晶聚合物中，有晶相和非晶相例如，在結(jié)晶聚合物中，有晶相和非晶相)。 19 均相體系的判定標(biāo)準(zhǔn)均相體系的判定標(biāo)準(zhǔn) : 如果一種共混物具有

21、類似于均相材料所具如果一種共混物具有類似于均相材料所具 有的性能，這種共混物就可以認(rèn)為是具有有的性能，這種共混物就可以認(rèn)為是具有 均相結(jié)構(gòu)的共混物。在大多數(shù)情況下，可均相結(jié)構(gòu)的共混物。在大多數(shù)情況下，可 以用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg作為判定的標(biāo)準(zhǔn)。作為判定的標(biāo)準(zhǔn)。 如果兩種聚合物共混后，形成的共混物具如果兩種聚合物共混后，形成的共混物具 有單一的有單一的Tg則就可以認(rèn)為該共混物為均相則就可以認(rèn)為該共混物為均相 體系。相應(yīng)地，如果形成的共混物具有兩體系。相應(yīng)地，如果形成的共混物具有兩 個個Tg則就可以認(rèn)為該共混物為兩相體系。則就可以認(rèn)為該共混物為兩相體系。 20 均相體系的判定標(biāo)準(zhǔn)

22、均相體系的判定標(biāo)準(zhǔn) (玻璃化轉(zhuǎn)變法的聚合物對之間相容性的原則玻璃化轉(zhuǎn)變法的聚合物對之間相容性的原則): 聚合物共混物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與兩種聚合物分子級聚合物共混物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與兩種聚合物分子級 的混合程度有直接的關(guān)系。若相容，共混物是均相體的混合程度有直接的關(guān)系。若相容，共混物是均相體 系，就只有一個玻璃化溫度系，就只有一個玻璃化溫度, 此玻璃化溫度取決于兩此玻璃化溫度取決于兩 組分的玻璃化溫度和體積分?jǐn)?shù)。若完全不相容，形成組分的玻璃化溫度和體積分?jǐn)?shù)。若完全不相容，形成 界面明顯的兩相結(jié)構(gòu)，就有兩個玻璃化溫度，分別等界面明顯的兩相結(jié)構(gòu)，就有兩個玻璃化溫度，分別等 于兩組分的玻璃化溫度。若部

23、分相容，體系的玻璃化于兩組分的玻璃化溫度。若部分相容，體系的玻璃化 溫度介于上述兩種極限情形之間。溫度介于上述兩種極限情形之間。 共混物具有一定程度分子級混合時，相互之間有一定共混物具有一定程度分子級混合時，相互之間有一定 程度的擴散，界面層是不可忽視的，分子級混合程度程度的擴散，界面層是不可忽視的，分子級混合程度 越大，兩個玻璃化溫度就越靠近。但界面層也可能出越大，兩個玻璃化溫度就越靠近。但界面層也可能出 現(xiàn)不太明顯的第三個玻璃化溫度?，F(xiàn)不太明顯的第三個玻璃化溫度。 21 2.4.5 兩相體系概念的擴展兩相體系概念的擴展 在兩相體系研究中，采用連續(xù)相、分散相在兩相體系研究中，采用連續(xù)相、分散

24、相 這兩個術(shù)語已經(jīng)被普遍接受?？梢暂^為明這兩個術(shù)語已經(jīng)被普遍接受。可以較為明 了地對兩相體系的行為進(jìn)行描述，并構(gòu)建了地對兩相體系的行為進(jìn)行描述，并構(gòu)建 出相應(yīng)的理論框架。出相應(yīng)的理論框架。 “連續(xù)相連續(xù)相”亦可稱為亦可稱為“基體基體”，本書在一，本書在一 些章節(jié)也稱些章節(jié)也稱“連續(xù)相連續(xù)相為為“基體基體。 22 2.5 關(guān)于關(guān)于相容性相容性的基本概念的基本概念 若要使兩種若要使兩種(或兩種以上或兩種以上)聚合物經(jīng)混合制成聚合物經(jīng)混合制成 宏觀均勻的材料，聚合物之間的宏觀均勻的材料，聚合物之間的相容性相容性是一是一 個至關(guān)重要的因素。關(guān)于相容性的概念，有個至關(guān)重要的因素。關(guān)于相容性的概念，有 從

25、理論角度提出的從理論角度提出的熱力學(xué)相容性熱力學(xué)相容性和從實用角和從實用角 度提出的度提出的廣義相容性廣義相容性，以及，以及與熱力學(xué)相容性與熱力學(xué)相容性 相關(guān)的溶混性相關(guān)的溶混性，現(xiàn)分述如下。，現(xiàn)分述如下。 23 2.5.1 熱力學(xué)相容性熱力學(xué)相容性 熱力學(xué)相容性，亦可稱為熱力學(xué)相容性，亦可稱為互溶性互溶性或或溶解性溶解性 (solubility)。 熱力學(xué)相容體系是滿足熱力學(xué)相容條件的體熱力學(xué)相容體系是滿足熱力學(xué)相容條件的體 系，是達(dá)到了系，是達(dá)到了分子程度混合分子程度混合的均相共混物。的均相共混物。 熱力學(xué)相容條件是熱力學(xué)相容條件是混合過程的吉布斯自由能混合過程的吉布斯自由能 Gm0 24

26、 熱力學(xué)因素是共混體系形成均相體系或發(fā)生熱力學(xué)因素是共混體系形成均相體系或發(fā)生 相分離的內(nèi)在動力，因而，相容熱力學(xué)是聚相分離的內(nèi)在動力，因而，相容熱力學(xué)是聚 合物共混的重要理論基礎(chǔ)之一。合物共混的重要理論基礎(chǔ)之一。 聚合物共混物相容熱力學(xué)的基本理論體系是聚合物共混物相容熱力學(xué)的基本理論體系是 Flory-Huggins模型。模型。 將在第將在第5章中介紹章中介紹相容熱力學(xué)相容熱力學(xué)和建立在相容和建立在相容 熱力學(xué)基礎(chǔ)上的熱力學(xué)基礎(chǔ)上的熱力學(xué)相容性熱力學(xué)相容性。 25 在實際的共混體系中，能夠?qū)嵲趯嶋H的共混體系中，能夠?qū)?現(xiàn)熱力學(xué)相容的體系是很少的?，F(xiàn)熱力學(xué)相容的體系是很少的。 26 2.5.2

27、 溶混性溶混性 具有熱力學(xué)相容性的體系甚少，所以，有具有熱力學(xué)相容性的體系甚少，所以，有 必要對相容體系的判據(jù)作出調(diào)整。熱力學(xué)必要對相容體系的判據(jù)作出調(diào)整。熱力學(xué) 相容性體系為均相體系。相容性體系為均相體系。 而均相共混體系的判據(jù)，如前所述，是指而均相共混體系的判據(jù)，如前所述，是指 一種共混物具有類似于均相材料所具有的一種共混物具有類似于均相材料所具有的 性能；在大多數(shù)情況下，可以用玻璃化轉(zhuǎn)性能；在大多數(shù)情況下，可以用玻璃化轉(zhuǎn) 變溫度變溫度(Tg)作為均相體系判定的標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)作為均相體系判定的標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng) 地，可以把地，可以把Tg作為相容性的判定標(biāo)準(zhǔn)。作為相容性的判定標(biāo)準(zhǔn)。 27 在一些學(xué)術(shù)著作

28、中，用在一些學(xué)術(shù)著作中，用溶混性溶混性(miscibility) 這一術(shù)語表示以具有均相材料性能這一術(shù)語表示以具有均相材料性能(通常是通常是 Tg)作為判據(jù)的相容性。具有作為判據(jù)的相容性。具有溶混性的共混溶混性的共混 物，是指可形成均相體系的共混物，其常用物，是指可形成均相體系的共混物，其常用 的判據(jù)為共混物具有單一的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的判據(jù)為共混物具有單一的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)。在共混改性研究中，將在共混改性研究中，將Tg作為相容性作為相容性 的判據(jù)已經(jīng)是一個被普遍接受的概念了。的判據(jù)已經(jīng)是一個被普遍接受的概念了。 28 2.5.3 廣義的相容性廣義的相容性 與熱力學(xué)相容性有著重要區(qū)別的，還

29、有另一與熱力學(xué)相容性有著重要區(qū)別的，還有另一 個個相容性相容性(compatibility)概念，這就是從實概念，這就是從實 用角度提出的相容性概念。用角度提出的相容性概念。 這個從實用角這個從實用角 度提出的度提出的相容性相容性概念，概念，是指共混物各組分之是指共混物各組分之 間彼此相互容納的能力。間彼此相互容納的能力。這一相容性概念這一相容性概念表表 示了共混組分在共混中相互擴散的分散能力示了共混組分在共混中相互擴散的分散能力 和穩(wěn)定程度。和穩(wěn)定程度。這樣定義的相容性，與共混的這樣定義的相容性，與共混的 工藝過程密切相關(guān)，具有重要的實際應(yīng)用意工藝過程密切相關(guān)，具有重要的實際應(yīng)用意 義，因而

30、義，因而已經(jīng)被廣泛接受已經(jīng)被廣泛接受。顯然，這樣定義。顯然，這樣定義 的相容性并的相容性并非熱力學(xué)相容性非熱力學(xué)相容性，而是更為廣泛，而是更為廣泛 意義上的相容性，所以意義上的相容性，所以稱之為廣義相容性稱之為廣義相容性。 29 不同聚合物對之間不同聚合物對之間相互容納的能力相互容納的能力，是有是有 著很懸殊的著很懸殊的差別的差別的。某些聚合物對之間，。某些聚合物對之間， 可以具有極好的相容性；而另一些聚合物可以具有極好的相容性；而另一些聚合物 對之間則只有對之間則只有有限的相容性有限的相容性；還有一些聚；還有一些聚 合物對之間幾乎合物對之間幾乎沒有相容性沒有相容性。 由此，可按相容的程度劃分

31、為由此，可按相容的程度劃分為完全相容完全相容、 部分相容部分相容和和不相容不相容。相應(yīng)的聚合物對，可。相應(yīng)的聚合物對，可 分別稱為分別稱為完全相容體系完全相容體系、部分相容體系部分相容體系和和 不相容體系不相容體系。 30 (1)完全相容體系完全相容體系 聚合物對之間的相容性，可以通過聚合物聚合物對之間的相容性，可以通過聚合物 共混物的形態(tài)反應(yīng)出來。共混物的形態(tài)反應(yīng)出來。完全相容的聚合物完全相容的聚合物 共混體系，其共混物可形成均相體系共混體系，其共混物可形成均相體系。因而，。因而， 形成均相體系的判據(jù)亦可作為聚合物對完全形成均相體系的判據(jù)亦可作為聚合物對完全 相容的判據(jù)。如前所述，相容的判據(jù)

32、。如前所述，如果兩種聚合物共如果兩種聚合物共 混后，形成的共混物具有單一的混后，形成的共混物具有單一的Tg ，則就，則就 可以認(rèn)為該共混物為均相體系?？梢哉J(rèn)為該共混物為均相體系。相應(yīng)地，相應(yīng)地，如如 果某聚合物對形成的共混物具有單一的果某聚合物對形成的共混物具有單一的Tg， 則亦可認(rèn)為該聚合物對是完全相容的。則亦可認(rèn)為該聚合物對是完全相容的。如圖如圖 2-1(a)所示?？梢钥闯觯??？梢钥闯觯耆嗳萃耆嗳莸母拍钕嗟母拍钕?當(dāng)于前述的當(dāng)于前述的溶混性溶混性概念。概念。 31 32 (2)部分相容體系部分相容體系 部分相容的聚合物，其共混物為兩相體系。部分相容的聚合物，其共混物為兩相體系。

33、聚合物配對部分相容的判據(jù)，是兩種聚合物的聚合物配對部分相容的判據(jù)，是兩種聚合物的 共混物具有兩個共混物具有兩個Tg ，且兩個，且兩個Tg峰較每一種聚峰較每一種聚 合物自身的合物自身的Tg峰更為接近，如峰更為接近，如圖圖2-1(b) 。 部部 分相容聚合物形成的兩相體系，兩相之間會有分相容聚合物形成的兩相體系，兩相之間會有 一定程度的分子一定程度的分子(或鏈段或鏈段)的相互擴散，形成一的相互擴散，形成一 定厚度的界面層定厚度的界面層(又稱為過渡層又稱為過渡層)。部分相容聚。部分相容聚 合物兩相體系的兩個合物兩相體系的兩個Tg峰較每一種聚合物自身峰較每一種聚合物自身 的的Tg峰更為接近，正是體現(xiàn)了

34、兩相之間一定程峰更為接近，正是體現(xiàn)了兩相之間一定程 度的分子度的分子(或鏈段或鏈段)的相互擴散。的相互擴散。 33 在聚合物共混體系中，在聚合物共混體系中，最具應(yīng)用價值最具應(yīng)用價值的體系的體系 是兩相體系是兩相體系。由于部分相容聚合物的共混物。由于部分相容聚合物的共混物 為兩相體系，因而，部分相容聚合物的共混為兩相體系，因而，部分相容聚合物的共混 體系就成了共混研究的重點。體系就成了共混研究的重點。 可以看出可以看出， “部分相容部分相容”是一個是一個很寬泛很寬泛的概念，它在兩的概念，它在兩 相體系的范疇之內(nèi)，涵蓋了不同程度的相容相體系的范疇之內(nèi)，涵蓋了不同程度的相容 性。對部分相容體系性。對

35、部分相容體系(兩相體系兩相體系)，相容性的優(yōu)，相容性的優(yōu) 劣具體地體現(xiàn)在界面結(jié)合的程度、實施共混劣具體地體現(xiàn)在界面結(jié)合的程度、實施共混 的難易，以及共混組分的分散相粒徑等諸多的難易，以及共混組分的分散相粒徑等諸多 方面。其中，分散相的粒徑也可作為相容性方面。其中，分散相的粒徑也可作為相容性 的一個判據(jù)。在其它共混條件相同時，分散的一個判據(jù)。在其它共混條件相同時，分散 相粒徑較小的共混體系，相容性較好。相粒徑較小的共混體系，相容性較好。 34 相容性適中的共混高聚物相容性適中的共混高聚物具有較大具有較大 的實用價值的實用價值 在在外觀上是均勻外觀上是均勻的（肉眼或光學(xué)顯微鏡觀察不到的（肉眼或光學(xué)

36、顯微鏡觀察不到 兩相的存在）；兩相的存在）； 呈現(xiàn)呈現(xiàn)微觀的相分離微觀的相分離（電子顯微鏡可以觀察到兩相（電子顯微鏡可以觀察到兩相 結(jié)構(gòu)的存在）；結(jié)構(gòu)的存在）； 材料此時具有兩個材料此時具有兩個TgTg，兩相均具有各自的，兩相均具有各自的獨立性獨立性 Uncompatibilized blendsCompatibilized blends 35 (3)不相容體系不相容體系 不相容聚合物的共混物也有兩個不相容聚合物的共混物也有兩個Tg峰，而且，峰，而且， 兩個兩個Tg的位置與每一種聚合物自身的的位置與每一種聚合物自身的Tg峰是峰是 基本相同的。如基本相同的。如圖圖2-1(c)。 由于相容性由于相

37、容性(廣義廣義) 這一概念可涵蓋溶混性的概念，且包含了完這一概念可涵蓋溶混性的概念，且包含了完 全相容、部分相容等多種情況；本書將主要全相容、部分相容等多種情況；本書將主要 使用相容性使用相容性(廣義廣義)這一概念。此外，由于這一概念。此外，由于溶溶 混性混性相當(dāng)于完全相容，所以，本書將不再使相當(dāng)于完全相容，所以，本書將不再使 用溶混性這一術(shù)語，而以用溶混性這一術(shù)語，而以“完全相容完全相容代之。代之。 在討論廣義相容性與熱力學(xué)相容性的關(guān)系時，在討論廣義相容性與熱力學(xué)相容性的關(guān)系時， 為避免混淆，為避免混淆，對熱力學(xué)相容性和廣義相容性對熱力學(xué)相容性和廣義相容性 分別加以標(biāo)示分別加以標(biāo)示。 36

38、對于兩相體系，人們總是希望其共混組分之對于兩相體系，人們總是希望其共混組分之 間具有盡可能好的相容性。間具有盡可能好的相容性。良好的相容性，良好的相容性， 是聚合物共混物獲得良好性能的一個重要前是聚合物共混物獲得良好性能的一個重要前 提。提。然而，在實際應(yīng)用中，許多聚合物對的然而，在實際應(yīng)用中，許多聚合物對的 相容性卻并不理想，難以達(dá)到通過共混來對相容性卻并不理想，難以達(dá)到通過共混來對 聚合物進(jìn)行改性所需的相容性。于是，就需聚合物進(jìn)行改性所需的相容性。于是，就需 要采取一些措施來要采取一些措施來改善改善聚合物對之間的聚合物對之間的相容相容 性性。這就是相容化，采用的主要方法是使用。這就是相容化

39、，采用的主要方法是使用 相容劑相容劑(又稱為又稱為增容劑增容劑)。本書第。本書第5章將介紹相章將介紹相 容劑。容劑。 37 2.5.4 廣義相容性與熱力學(xué)相容性的關(guān)系廣義相容性與熱力學(xué)相容性的關(guān)系 相容性相容性(廣義廣義)的概念，與熱力學(xué)相容性是的概念，與熱力學(xué)相容性是 有區(qū)別的。熱力學(xué)相容與熱力學(xué)不相容的有區(qū)別的。熱力學(xué)相容與熱力學(xué)不相容的 判據(jù)是相應(yīng)的熱力學(xué)條件判據(jù)是相應(yīng)的熱力學(xué)條件(混合吉布斯自由混合吉布斯自由 能能Gm0)，而本書中的，而本書中的完全相容完全相容與與部分部分 相容相容判據(jù)的區(qū)別在于是否判據(jù)的區(qū)別在于是否具有均相體系具有均相體系性性 能能(如如單一單一Tg)。 38 “部

40、分相容部分相容”體系屬于熱力學(xué)不相容體系體系屬于熱力學(xué)不相容體系， 為具有一定結(jié)構(gòu)形態(tài)為具有一定結(jié)構(gòu)形態(tài)(如分散相粒徑及粒徑如分散相粒徑及粒徑 分布分布)的兩相體系。當(dāng)兩相體系具有較好的的兩相體系。當(dāng)兩相體系具有較好的 相容性相容性(廣義廣義)時，其發(fā)生進(jìn)一步的時，其發(fā)生進(jìn)一步的相分離的相分離的 動力學(xué)過程可以是很緩慢的動力學(xué)過程可以是很緩慢的，因而，仍然，因而，仍然 可以獲得結(jié)構(gòu)與性能穩(wěn)定的共混材料。這可以獲得結(jié)構(gòu)與性能穩(wěn)定的共混材料。這 樣的共混體系，是處于動力學(xué)的相對穩(wěn)定樣的共混體系，是處于動力學(xué)的相對穩(wěn)定 狀態(tài)。狀態(tài)。 39 部分相容兩相體系的相界面上存在著部分相容兩相體系的相界面上存

41、在著過渡過渡 層層(參見第參見第5.3.3節(jié)節(jié))。從宏觀整體來看，過。從宏觀整體來看，過 渡層的存在體現(xiàn)了渡層的存在體現(xiàn)了兩相之間有限的相容性兩相之間有限的相容性， 或者說是部分相容性。另一方面，從過渡或者說是部分相容性。另一方面，從過渡 層這個微觀局部來看，又層這個微觀局部來看，又存在著分子水平存在著分子水平 (或鏈段水平或鏈段水平)相互擴散的狀態(tài)相互擴散的狀態(tài)。以過渡層來。以過渡層來 說明部分相容性，是對部分相容性這一概說明部分相容性，是對部分相容性這一概 念的很好的詮釋。念的很好的詮釋。 40 共混物的兩相體系，而相容熱力學(xué)對于兩共混物的兩相體系，而相容熱力學(xué)對于兩 相體系是同樣具有重要

42、意義的。相容熱力相體系是同樣具有重要意義的。相容熱力 學(xué)已形成較完善的理論體系，對于研究和學(xué)已形成較完善的理論體系，對于研究和 預(yù)測聚合物共混體系預(yù)測聚合物共混體系(包括兩相體系包括兩相體系)的相容的相容 性，推導(dǎo)兩相體系界面層厚度等都具有重性，推導(dǎo)兩相體系界面層厚度等都具有重 要的作用。本書第要的作用。本書第5章將介紹相容熱力學(xué)。章將介紹相容熱力學(xué)。 41 2.5.5 關(guān)于相容性術(shù)語的補充說明關(guān)于相容性術(shù)語的補充說明 聚合物共混理論是由眾多各國學(xué)者分別加以聚合物共混理論是由眾多各國學(xué)者分別加以 研究的，在術(shù)語的運用上難免有些參差。研究的，在術(shù)語的運用上難免有些參差。 關(guān)于共混體系關(guān)于共混體系

43、“相容性相容性有有3個概念，其一，個概念，其一， 熱力學(xué)意義上的相容性；其二，以具有均相熱力學(xué)意義上的相容性；其二，以具有均相 體系性能體系性能(如單一如單一Tg)為判據(jù)的相容性；其三，為判據(jù)的相容性；其三， 指共混物各組分之間彼此相互容納的能力的指共混物各組分之間彼此相互容納的能力的 相容性相容性(本書稱之為廣義相容性本書稱之為廣義相容性)。 其中，第其中，第 二個概念可以被第三個概念二個概念可以被第三個概念(廣義相容性廣義相容性)所所 涵蓋。這樣，就只有兩個涵蓋。這樣，就只有兩個“相容性相容性”概念了：概念了： 熱力學(xué)相容性和廣義相容性。熱力學(xué)相容性和廣義相容性。 42 在討論部分相容兩相

44、體系的相容性時，提在討論部分相容兩相體系的相容性時，提 到的到的“相容性相容性都是廣義相容性；在討論廣都是廣義相容性；在討論廣 義相容性與熱力學(xué)相容性的關(guān)系時，為避義相容性與熱力學(xué)相容性的關(guān)系時，為避 免混淆，對熱力學(xué)相容性和廣義相容性分免混淆，對熱力學(xué)相容性和廣義相容性分 別加以標(biāo)示。別加以標(biāo)示。 43 有的專著中，將有的專著中，將“部分相容體系部分相容體系定義為該定義為該 共混體系在共混體系在某組成范圍內(nèi)是熱力學(xué)相容的某組成范圍內(nèi)是熱力學(xué)相容的， 而而在其它組成范圍是熱力學(xué)不相容的在其它組成范圍是熱力學(xué)不相容的。這是。這是 基于熱力學(xué)相容性的基于熱力學(xué)相容性的“部分相容體系部分相容體系”，與，與 本書建立在廣義相容性基礎(chǔ)上