聚合物共混物的相容性

聚合物的共混改性是高分子材料科学与工程领域中的一个重要分支。将不同种类的聚合物采用物理或化学的方法共混,不仅可以显著改善原聚合物的性能,形成具有优异综合性能的聚合物体系,而且可以极大地降低聚合物材料开发和研制过程中的费用,降低成本。
相容性
聚合物共混物的相容性是选择合适共混方法的重要依据,也是决定共混物形态结构和性能的关键因素。
聚合物共混体系中各组分间的相容性是影响聚合物共混体系形态结构和性能的重要因素,因此在设计和开发新型共混材料的过程中,首先要考虑共混体系的相容性问题。
现代的相容性概念通常指聚合物在链段水平或分子水平上的相容,因此一般从热力学角度讨论其相容性。如果两种聚合物在热力学上是完全不相容的,那么共混时就会发生宏观的相分离,聚合物界面间的粘结力很低,没有实用价值;如果两种聚合物在热力学上完全相容,共混物为均相体系,其最终性能一般为原始聚合物性能的加和。
实践中发现这种均相体系并不利于提高材料的力学性能,而某些具有相分离结构的聚合物共混体系则具有优异的性能。根据聚合物共混理论,对于性能优异的聚合物共混物,应具有宏观均匀而微观相分离的形态结构,即形成具有较强界面作用的部分相容体系。
共混物相容性理论
     合物共混物之间的相容性直接关系到共混体系的加工性能、形态结构和使用性能。因此自从聚合物共混物问世以来,相容性问题一直是聚合物共混研究的一个重要组成部分。目前已经发展了很多关于聚合物共混相容性的理论,如Flory-Huggins理论、状态方程理论、气体晶格模型理论、强相互作用模型理论、混合热理论等。上述各种理论都还存在着各自的不足,有待于进一步发展和完善。

根据热力学理论,两种聚合物共混时,体系相容的必要条件是混合自由能小于零,充分条件则是其二阶导数大于零。
         ΔGm=ΔHm−TΔSm<0   (1)           (∂2ΔGm∂Φ2i)T,P>0   (2)
     式中 ΔGm—混合自由能;ΔHm—混合热;T—温度;ΔSm—混合熵;P—压力;Φi—体系组成。如果体系只满足(1)式而不满足(2)式,体系为部分相容;如果(1)、(2)式均不满足,则为非相容体系。
     聚合物共混体系的自由能ΔGm随组成Φi的变化曲线如图所示,共混体系的相容性与组成存在三种情况。图中曲线A表示两组分不相容(ΔGm>0);曲线B表示两组分完全相容;而曲线C则表示体系为部分相容,最低点为相分离所形成两相的组成。曲线C的情况对于聚合物共混物是最普遍的,也是最复杂的,而且直接关系到聚合物共混物的性能。
共混物相容性的改善途径
1
增加基团之间的相互作用
在聚合物共混体系中引入特定的相互作用基团,使不同的聚合物分子之间发生强烈的相互作用,如氢键、偶极-偶极、π-氢键、离子-离子、离子-偶极等
2
加入增容剂
增容剂的作用在于能够降低表面张力,使聚合物达到足够的分散程度,提高界面的粘结力,使不同相界面之间能更好地传递应力,从而改善聚合物共混体系的相容性,提高力学性能。
3
形成交联聚合物
对于不相容的聚合物共混物,可以采取化学交联的方法改善其相容性,阻止体系发生相分离,减小相区尺寸,提高分散程度和混合均匀性,如形成互穿聚合物网络(IPN)和AB交联聚合物(ABCP)。

利用共混体系形态
光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等容
利用共混聚合物的Tg
完全相容：一个Tg
完全不相容：两个Tg
部分相容：两个Tg相互靠近
性
利用热力学方法
熔点降低法、吸附探针法和反气相色谱法等。