第4_章共混物力学性能.ppt

第4章 聚合物共混物的力学性能 物质的性质是其内部结构的表现。聚合物共混物的性质不仅与其组分的性质有关，而且与其形态结构有关。与单一的聚合物相比，聚合共混物的结构更为复杂，定量地描述性能与结 构的关系更为困难。 聚合物是多层次结构的物质。大分子的化学组成、结构单元的连接方式和空间构型称为一次结构。 聚合物的分子量、大分子的形状为二次结构。 大分子之间堆砌、排列的情况，即聚合物依所涉及的范围分为三次结构和高次结构。 三次结构是由大分子构成的、范围较为高次结构为小的组织单元，包括织态、片晶、胶团等结构形式。 从三次结构可进一步构成较为宏观的结构，称为高次结构。 三次结构和高次结构有时统称为超分子结构。 每一种结构层次都有其相应的运动特性。正是这种结构和运动的多重性决定了聚合物的一系列特性。 不同的性能对各结构层次的敏感程度是不同的。 如，化学性质主要取决于一次结构； 玻璃化转变主要取决于一次和二次结构 ； 力学性能通常与三次结构和高次结构有更直接的关系。 同一种聚合物，结晶态和非晶态、取向和不取向，其力学性能迥然不同，这是事实。 加工条件不同会影响产品内部的高次结构，从而改变产品的力学性能。 如，等规聚丙烯有很高的结晶度，在加工过程中，由于熔融态到冷却定型可形成由芯片组成的球晶。 球晶的形态、大小及分布对力学性能有很大的影响。 添加适量的成核剂，苯甲酸，可控制球晶的尺寸、形态及分布，所以可提高力学性能。 非晶态聚合物也存在各种不同的超分子结构。如，聚碳酸酯具有纤维状的原纤结构，聚苯乙烯具有球状的胶团结构等。 不同层次的结构直接影响力学性能，不同的组织单元的大小及其相互连接的情况决定了材料的力学性能。如在拉伸过程中，屈服点之前，以组织单元本身的弹性形变为主；超过屈服应力之后，组织单元之间产生错位，形变大幅度增加；随拉伸度的增加，组织单元被破坏，大分子链沿拉伸方向取向。这表明力学行为不均匀性是由结构 的不均匀性造成的。 聚合物结构的复杂性和聚合物共混物的形态复杂性，那么，共混物的力学性能由哪些因素决定呢？ 共混物的性能与其组分性能的关系决定于共混物的形态结构，即两相之间结合力的大小、界面层结构、界面层厚度、两相的连续性、分散相的相畴尺寸以及分散颗粒的形状。 4.1 聚合物共混物性能与其纯组分性能之间的一般关系 双组分体系的性能与其组分性能之间有混合法则： P = P1β1 + P2β2 （4-1）上限值 1/P = β1/P1 + β2/P2 （4-2）下限值 P为双组分体系的性能，如电性能、密度、粘度、热性能、力学性能、玻璃态转变温度、扩散性质等；P1、P2分别为组分1和2相应的性能；β1、β2分别为组分1和2 的浓度，可以是体积浓度、重量分数、摩尔分数。 但上述的混合法则只是粗细的估算或近似。 4.1.1 均相共混物 两种聚合物完全相容，则构成均相的共混物，如无规共聚物、以低聚物作为增塑剂的体系属于这一类。 由于两组分之间相互作用，对于简单的混合法则常有明显的偏差，常用： P = P1β1 + P2β2 + Iβ1β2 （4-3） I为组分间相互作用常数，称为作用因子，可正可负。I 为正值时，表示有正偏差，为负时表示有负偏差。 如: 醋酸乙烯-氯乙烯共聚物的玻璃化温度Tg： Tg =30.0 W1 + 80.0 W2 - 28 W1 W2 对于具体体系和具体的性能有一系列具体和更适用的关系式。如某些兼容的聚合物共混物，其玻璃化温度Tg有： Tg = W1Tg1 + W2Tg2 + K W1 W2 式中Wi, Tgi为i种组分所占的重量分数和玻璃化温度。 4.1.2 单相连续的复相共混物 对于复相结构的共混物，相互作用发生在界面层，界面层中两组分之间的相互作用的结合力有强有弱，在界面层中两组分有较大的扩散，则有较大的粘合力，粘合力的大小对某些性能，如力学性能有很大的影响；分散相的大小和形状对共混物的性能也有重大的影响。所以， 单相连续的复相共混物的性能与其两聚合物组分之间的关系： P/P1 = (1 + ABφ2)/（1-Bψφ2） (4-4) P、P1分别为共混物和连续相的性能；φ2为分散相体积分数。 系数A = KE－1 （4-5） 系数B =（ P2/ P1－1）/（ P2/ P1+1） （4-6） 系数ψ