基本介紹
- 中文名：聚合物合金
- 外文名：polymeralloy
- 釋義：2種及以上不同種類的高聚物混合
- 學科：化學
- 製備：化學共混法、物理共混法
- 套用領域：材料
簡介,優點,製備方法,物理共混法,化學共混法,聚合物相容性,增容方法,
簡介
隨著科學技術的迅速發展，人們越來越注重材料物性、加工性和經濟性的最佳化選擇。對聚合物材料也提出了高性能化、高功能化和高附加值的要求。聚合物合金是一類多組分的高分子體系。是人們根據材料的性能要求將兩種或兩種以上的聚合物採用物理或化學的方法進行共混所形成的聚合物共混體系。人們可以通過調整體系中各組分的比例，使各組分性能互補，製成系列化、綜合性能優於任意單一組分的高分子材料。現今，由於新的優秀單體的合成越來越困難，聚合物合金技術成為開發高性能塑膠最有效的方法之一。近年來聚合物合金髮展很快，目前僅大規模生產的聚合物合金品種就有數十種。聚合物合金技術也已由單純的共混發展到接枝、多層乳化、相容化、互穿網路、動態硫化、反應擠出、分子複合等多種綜合技術。一些工業已開發國家的聚合物合金的年產量每年遞增15%以上。隨著相容化技術的發展，聚合物合金將會以更快的速度發展。
優點
（1）改善高分子材料耐老化性能，延長製品使用壽命，例如氯丁橡膠與天然橡膠共混，可提高天然橡膠耐臭氧性。
（2）改善高分子材料的電性能和物理力學性能，例如丁腈橡膠與聚氯乙烯共混，可改善聚氯乙烯的耐油、耐熱、耐老化、耐磨及耐衝擊性能。例如滌綸與錦綸共混，所得纖維強度比錦綸高，其吸濕性比滌綸好。天然橡膠與聚苯乙烯共混，既改善了聚苯乙烯的脆性，又不降低最高使用溫度。
（3）改善高分子材料的加工性能，例如，環氧樹脂與聚己內酯共混，可改善環氧樹脂脫模性。聚乙烯（或聚丙烯）與聚己內酯共混，可改善聚乙烯（或聚丙烯）的染色性。
（4）廢物利用，防止污染，降低成本。高分子材料因老化而失去使用價值，被大量丟棄污染環境，造成公害。利用共混可化廢為利，既降低了成本，又防止了環境污染。
製備方法
為了獲得性能良好的聚合物合金，需選擇合適的製備技術。根據形成聚合物合金的方式，可將其製備方法大致分為物理共混和化學共混方法。
物理共混法
物理共混不涉及化學反應，僅憑藉擴散、對流和剪下作用等來達到混合和分散的目的，主要包括熔融共混、溶液共混和乳液共混等。
熔融共混是製備聚合物合金最簡單易行且套用最廣泛的方法。但目前已很少單獨使用此種方法製備聚合物合金，多與其它方法並用,如添加接枝物或將聚合物的化學反應與各組分的熔融共混擠出工藝有機地結合起來，將共混物反應擠出，常見的動態硫化PP/EPDM熱塑性彈性體即是用此反應擠出共混技術製備的。
溶液共混是將兩種或多種聚合物溶解於同一溶劑中，使其混合成均勻溶液，然後將溶液進行澆模，凝固或冷凍乾燥製成聚合物合金，由於溶劑回收、脫除等操作期過長，目前溶液共混只用於實驗室。乳液共混是將兩種聚合物乳液直接混合，這種方法特別適合於製備膠乳增韌的聚合物合金。
近年來出現的層狀分散技術和液晶技術是較為引人注目的物理共混方法。層狀分散技術,通過選擇適當的組分材料和恰當的成型加工條件，而形成層狀分散結構的聚合物合金材料，以得到新的功能。其代表套用是製備阻隔性、永久抗靜電性和環境應答性功能聚合物合金材料。
化學共混法
化學共混是通過化學反應促使聚合物各組分相容的方法，主要包括接枝共混、嵌段共混、IPN共混技術和反應擠出技術等方法。
接枝共混是化學共混中最早獲得大規模工業套用的方法。可在聚合物主鏈上產生引發第二單體的活性中心，進而形成支鏈；也可利用主鏈上分布的活性官能團與另一分子末端帶有可反應基團的聚合物進行偶合，從而形成支化高分子化合物。ABS、HIPS就是接枝共混法的典型例子。
嵌段共混則是各組分的高分子鏈末端相互聯結，或者是鏈端帶有可聚合官能團的線形大分子參與其它單體進行聚合反應而形成嵌段共聚物。調節各嵌段的數量和長短，可獲得物性可調的系列產物。
IPN共混合金是指兩種或兩種以上高分子鏈相互貫穿、相互纏結的混合體系，具有互穿交聯網路形成的微相分離結構。交聯可以是化學交聯，也可以是物理交聯。因此，嚴格地說，IPN技術屬於物理化學共混法。IPN技術使兩種聚合物相互貫穿，兩相間分散性好，相界面較大，可發揮很好的協同效應。
反應擠出共混是在雙螺桿擠出機中進行共混合，並同時完成化學反應的一種方法。該法所用的雙螺桿擠出機多為嚙合型同向旋轉類型，要求物料的供給和輸送連續且平穩，反應溫度和時間的調節要準確、方便,螺桿長徑比較大，物料停留時間較長。
聚合物相容性
聚合物合金是通過兩種或兩種以上不同的聚合物共混製得。然而，並不是任意兩種或兩種以上的聚合物簡單地混合就能得到具有預期性能的共混效果，而是需要具備一定的條件。聚合物之間的相容性是影響聚合物合金的加工和性能的重要因素。
兩種聚合物是否相容，首先取決於聚合物本身的結構。從熱力學上看,相容與否決定於混合自由能（ΔG）。即只有當ΔG<0時，混合體系才可能是相容的。熱力學相容性是指在任意比例下都能形成均相體系的能力。對聚合物而言，由於分子量均很大，混合嫡一般很小，因此起決定作用的是混合焓。但是，大多數共混聚合物屬於那種混合過程中無熱效應或吸熱的非極性體系，這就使得大多數聚合物不具有熱力學相容性。
聚合物合金除了有上述熱力學相容性之外，還有兩種聚合物的工藝相容性。工藝相容性是指兩種聚合物容易相互分散而製得性能穩定的共混物的能力。這種工藝相容性由共混時的動力學因素決定。例如，兩種聚合物儘管溶解度參數較接近，熱力學上有較好的相容性，但由於分子量過大、結晶度過高、粘度過大以及混合條件不合適等原因，仍然不能實現混溶。反之，當兩種聚合物相容性較差，而通過適當度的機械方法或其它條件將其混合，也有可能獲得足夠穩定的共混產物。這是由於聚合物的粘度特別大，分子鏈段移動困難，儘管在熱力學上有自動分離為兩相的趨向，但實際上相分離的速度極為緩慢，以致於在極長的時間內難於將共混體系分成兩個巨觀相。
但是，由於聚合物的分子結構、極性、溶解度參數、分子量等的差別很大，加上高分子量造成的高粘度，即使在強烈的機械作用下，能夠達到足夠相容性的合金體系也很少。目前，大多數重要共混物的相容性，只能達到部分輕微的混合程度。要獲得更多的有實用價值的聚合物共混合金材料，必須採取有效措施,對聚合物共混物進行增容。
增容方法
使用增容劑
增容劑的使用是提高聚合物共混體系力學性能的有效途徑之一。增容劑所起的作用與膠體化學中的乳化劑相當，是一種能與聚合物合金中各組分都有較好相容性的物質。增容劑的具體作用主要體現在兩個方面：一是提高共混體系的分散度，使分散相顆粒細微化，且均勻分布；二是增強共混體系兩相間的粘結力，利於兩相問更好地傳遞所受應力，使熱力學上相容性較差的共混體系成為工藝相容的聚合物合金。目前已經開發出來的增容劑主要分為反應型和非反應型兩大類。
非反應型增容劑
非反應型增容劑早期普遍使用的增容劑往往是一些嵌段共聚物和接枝共聚物，它們自身不含反應基團，在共混過程中也不參與化學反應，故而都屬於非反應型增容劑。以聚合物A和聚合物B共混組成的聚合物合金為例，非反應型增容劑在結構上可分為AB型、AC型和CD型3種類型。
反應型增容劑
反應型增容劑反應型增容劑主要是依靠自身反應性基團與共混組分起化學反應形成化學鍵來實現增容的。反應型增容劑結構上通常是由非極性高分子主鏈與活性基團組成。其中的非極性高分子主鏈與共混體系中的非極性聚合物相容，極性基團與共混體系中極性聚合物的活性基團反應或鍵合，從而起到很好的相容作用。反應型增容劑的活性基團一般都具有較高的反應活性，如酸酐、羧酸、羥基、胺基、環氧基等。
改變鏈結構，改善相容性
高分子聚合物間通常存在的范德華力不利於聚合物間相混容，如果能夠通過改變分子鏈結構，使聚合物間存在某些特殊的相互作用，則有利於聚合物間相混容。一般來說，改變分子鏈結構的方法有2種：①是改變分子鏈的極性；②是向分子鏈上引入一些具有特殊相互作用的基團。
改變分子鏈極性
一種常用辦法是在某種聚合物分子聚合時引入極性基團，使分子間的相互作用力增加，有利於與其他聚合物分子相混容。此外，通過對聚合物氯化、氯鹼化、氫化、氯化氫加成等都可以使聚合物改變鏈結構，達到改善與其他聚合物相容性的效果。
向分子鏈上引入特殊相互作用基團
向分子鏈上引入特殊相互作用基團通常是通過聚合物單體與某些含特殊基團的單體共聚形成聚合物，利用這些特殊基團與其他聚合物形成氫鍵、偶極．偶極作用力、酸鹼作用等，改善聚合物之間的相容性。此外，也可以向不相容的聚合物A和聚合物B的分子鏈上分別引入帶相反電荷的離子，使兩者之間產生離子．離子相互作用力，使其變為相容的聚合物合金。
低分子量化合物的增容作用
根據對聚合物間的相容性的預測可知，聚合物分子量越小，且2種聚合物分子量相近，有利於兩者間相容。因此，聚合物單體的分子量與其所構成的聚合物合金的相容性密切相關。在橡膠/橡膠、橡膠/塑膠的共混塑煉過程中之所以採用多段塑煉，正是由於多段塑煉使聚合物分子量降低，有利於兩組分的分散和相容。此外，也可以利用某些低分子量化合物與聚合物組分之間的化學作用，生成交聯或接枝產物，存在於共混物的相界面層中，起到類似嵌段共聚物的作用。
聚合物互穿網路技術
互穿網路聚合物（IPN）是指2種或2種以上交聯聚合物互相貫穿、纏結形成的聚合物共混體系，其中至少有一種聚合物是在另一種聚合物存在下進行合成或交聯的。製備互穿網路聚合物體系，只要一種聚合物和另一種單體（低聚物）能互容，或者2種低聚體能互容，就可形成聚合物的互穿網路結構，而這種相態結構永久地被保存下來，具有強迫互容作用。同樣的聚合物組成，機械共混時不相容或不具有力學相容性，但形成IPN後，該聚合物合金即可顯示出優異的性能。
