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改善聚合物相容性的方法优化

时间:2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于上述原因,在共混改性技术中,常采用向分子链引入极性基团的方法来改善聚合物的相容性,并收到较好的效果。其次,通过共聚的方法改变聚合物分子链结构,也是一种增加聚合物之间相容性的常用而有效的方法。其他型的增容剂是由非A非B的两种单体组成的能与聚合物A及聚合物B相容或反应的无规共聚物。丙烯酸改性聚合物是另一类含羧基的聚合物增容剂。

改善聚合物相容性的方法优化

在制备高聚物共混物时,相容性对共聚物的性能影响很大,如果两种高聚物完全相容,则制得的共混物不会获得特殊的性能,如果两种高聚物相容性很差,则共混物产生宏观的相分离,因此会形成分层或出现剥离现象,降低材料的强度和使用性能。若两种高聚物部分相容,则形成微观或亚微观的相分离结构,两相界面之间存在相互作用,形成过渡层,这时所获得的共混物往往会表现出独特的性能。由此可见,在制备共混物时,形成微观或亚微观相分离是一个关键问题。然而,能够具有良好的相容性并可以直接共混的体系是相当少的。因此,大多数共混体系中都要采取一些措施来改善聚合物共混体系的相容性,也叫相容化,使之形成微观相分离。提高共混体系相容性的方法有:利用聚合物分子链中官能团间的相互作用、改变分子链结构,加入相容剂、形成互穿网络、进行交联和改变共混工艺条件等。

(一)利用聚合物分子链中官能团间的相互作用及改变聚合物分子链结构的方法

如果参加共混的聚合物分子链上含有某种可相互作用的官能团,它们之间的相容性必定好。例如:聚甲基丙烯酸甲酯与乙烯醇、聚丙烯酸或聚丙烯酰胺等,由于分子健之间可以形成氢键,具有较好的相容性。又如:聚合物分子链上分别含有酸性和碱性基团,共混时可以产生质子转移,分子链间可生成离子键配位键。离子键的键能要强于氢键,所以聚合物之间相容性更好。

由于上述原因,在共混改性技术中,常采用向分子链引入极性基团的方法来改善聚合物的相容性,并收到较好的效果。

通过对高分子链的化学改性(如氧化、磺化等),就可能明显改善共混体系的相容性。如聚乙烯氯化形成氯化聚乙烯,就可以与聚甲基丙烯酸甲酯较好地相容。其次,通过共聚的方法改变聚合物分子链结构,也是一种增加聚合物之间相容性的常用而有效的方法。如苯乙烯是极性很弱的聚合物,一般很难与其他聚合物相容,但苯乙烯与丙烯腈的共聚物(SAN),由于改变了分子中的链结构,就可与聚碳酸酯聚氯乙烯和聚砜等许多聚合物共混相容。

(二)加入增容剂的方法

增容剂是指在共混体的聚合物组分之间起到增加相容性和强化界面黏结作用的共聚物。因此增容剂也称作相容剂、增混剂、界面活化剂和乳化剂等。增容剂的作用机理是富集在两相界面处,改善两相之间的界面结合情况。此外,增容剂还可以促进分散相组分在共混物中的分散。增容剂可分为高分子增容剂和低分子增容剂。高分子增容剂又可分为非反应型和反应型两种,而低分子增容剂则全部都是反应型的。实践证明,增容剂能卓有成效地解决共混体系中因热力学不相容而导致宏观相分离、两相界面黏合力差、应力传递效率低、力学性能差、甚至综合性能低于单一组分聚合物的性能等问题。增容剂的出现和广泛地应用是当今聚合物共混改性最成功和最活跃的领域之一。

1.非反应型增容剂

所谓非反应型增容剂是指那些本身没有反应基团,在聚合物共混过程中不发生化学反应的增容剂,它们多为两种成分构成的高分子聚合物。从结构上看,大多数为嵌段共聚物和接枝共聚物,它们依靠自身对两种共混聚合物的亲和力、黏结力使原来相容性差的两种聚合物相容,形成具有良好界面作用的聚合物共混物。这类增容剂无副产物,效果好。非反应型增容剂已开发出来四种类型,即A—B型、A—C型(A—B—C型)、C—D型和其他型的增容剂,表3-2为非反应型增容剂的应用实例。

表3-2 非反应型增容剂的应用实例

A—B型增容剂主要是由A、B两种聚合物经嵌段或接枝共聚制成。适用于与A—B型增容剂同种的A、B两种聚合物的共混。它能降低界面张力,增加两相相容性。如乙烯—丙烯嵌段共聚物可作为PE/PP共混体系的增容剂。

A—C型(ABC型)增容剂是由A、C(或A、B、C)两种(或三种)聚合物的单体经接枝或嵌段共聚而成。其中,C组分与聚合物B有良好的相容性。适用于A、B两种聚合物的共混。如PE与PS树脂共混时使用CPE或SEBS作为增容剂,可以改善PE与PS的相容性。

C—D型增容剂是一种新型的增容剂,它的组成成分与共混树脂成分是不同的,但分别能与共混树脂成分相容或反应。如SEBS(苯乙烯—乙烯—丁烯—苯乙烯嵌段共聚物)可以作为聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯的增容剂。

其他型的增容剂是由非A非B的两种单体组成的能与聚合物A及聚合物B相容或反应的无规共聚物。

2.反应型增容剂

所谓反应型增容剂是指本身含有反应基团的增容剂,它在聚合物共混时能与其他聚合物含有的基团发生化学反应,生成化学键而使聚合物和增容剂之间产生较强的结合力而达到增容的效果。这类增容剂有马来酸型、丙烯酸型、环氧改性型,表3-3列出了反应型增容剂的应用实例。

表3-3 反应型增容剂的应用实例

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马来酸型增容剂是一类用马来酸酐改性、带有羧基的聚合物增容剂,能与多种聚合物反应,而使共混聚合物增容。丙烯酸改性聚合物是另一类含羧基的聚合物增容剂。应用实例有EP⁃DM—g—MAH共聚物作为PA/EPDM共混物的增容剂,PP—g—PAA共聚物作为聚烯烃/PET共混物的增容剂,马来酸酐接枝LLDPE作为聚烯烃/EVOH共混物的增容剂。

此外还有低分子增容剂也属于反应型增容剂,它可以与共混聚合物组分发生反应。其应用见表3-4。

表3-4 低分子型增容剂的应用实例

反应型增容剂和非反应型增容剂的优缺点见表3-5。

表3-5 反应型和非反应型增容剂的比较

3.原位聚合法(就地形成的相容剂)

原位聚合法中的相容剂不是预先合成的,而是在加工成型过程中产生的。例如,将三元乙丙橡胶(EPDM)与甲基丙烯酸甲酯(MMA)在过氧化物存在的条件下从双螺杆挤出机中挤出,形成EPDM、PMMA与EPDM接枝MMA三种组分的共混物。其中,EPDM接枝MMA在共混物中起相容剂作用。

原位聚合法又称为反应共混,由于具有简便易行的特点,已成为共混改性的新途径。

(三)通过加工工艺改善聚合物之间的相容性

热力学相容性好的共混体系尽管是相容的必要条件,但如果没有很好的加工设备和加工工艺,也不能实现真正的混溶;反之,相容性差的共混体系,如能采用好的加工设备,合理的工艺条件,借助提高温度和强剪切力的作用,增加相间接触面,同样可以改善聚合物之间的相容性,使之形成较好的共混体系。

温度是实现聚合物共混的重要条件,绝大多数情况下,提高加工温度有助于本来不相容的聚合物转化为相容或部分相容。但有时相反,当温度升高到某一温度或降低到某一温度(称为最高临界温度或最低临界温度)时,本来已相容的共混体系会出现相分离。

机械混合时,强烈的剪切力可以强迫两种不相容或相容性不好的聚合物的分子链绕缠在一起,通过扩大相间的接触而增加链段的扩散程度,增加相容性。有时在强烈的剪切力和加热的作用下,共混物的分子链发生部分断裂,生成不同组分之间接枝或嵌段共聚物,该共聚物都是很好的增容剂,可增加组分之间的相容性。这就是所谓的机械力—化学作用。

(四)在共混物组分间发生交联作用以改善相容性

交联可分化学交联和物理交联两种情况。例如,用辐射的方法可使LDPE/PP产生化学交联,其相容性得到改善。结晶作用属于物理交联,例如PET/PP及PET/尼龙66,由于取向纤维组织的结晶,使已形成的共混物形态结构稳定,从而体系相容性增加。

(五)共溶剂法和IPN法

两种互不相溶的聚合物常可在共同溶剂中形成真溶液。将溶剂除去后,相界面非常大,以致很弱的聚合物与聚合物相互作用就足以使形成的形态结构稳定。

互穿网络聚合物(IPN)技术是改善共混物相容性的新方法。其原则是将两种聚合物结合成稳定的相互贯穿的网络结构,从而提高其相容性。

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