湖北大学材料科学与工程学院副院长施德安教授
在制备不相容聚合物合金时, 由于两相界面的界面张力过大, 少数相尺寸偏大, 合金材料的各项性能都很差, 此时, 相容剂的加入是必须的. 一般来说, 主要的界面相容剂有嵌段共聚物, 接枝共聚物, 无机纳米粒子或Janus粒子. 无论使用何种相容剂, 其实现增容的前提是相容剂必须能稳定存在于不相容体系的两相界面上, 而判断增容效果的标准一般是少数相尺寸的大小. 施德安教授认为: '很多情况下不仅要关注少数相的尺寸, 而且还要关注其形状. 如何控制合金相形态结构也是高分子合金制备过程中一个相当重要的环节. '
在通常情况下, 不相容体系或部分相容体系中的少数相都是以颗粒状分散于连续相中, 形成所谓的 '海岛' 结构. 目前已经实现商品化的聚合物共混体系大多都具有这种结构, 比如常见的橡胶增韧塑料体系就是其典型代表. 施德安教授介绍, 在聚合物合金加工过程中, 聚合物共混体系中的分散相在一定阶段会形成拉长的纤维状或层状结构, 然而, 这种热力学不稳定结构通常寿命很短, 随着混合过程的进行, 拉长结构会发生破裂或者回缩, 最后形成海岛结构;但如果这种拉长的热力学不稳定结构存在的时间能够被延长, 其在加工过程中会发生聚并而在原来的连续相中形成另外一个三维的连续相, 得到具有共连续结构的共混物. 与普通的海岛结构聚合物合金相比, 具有共连续结构的共混体系的拉伸强度大于具有相似组成的海岛结构体系, 而且大于各组分强度的简单加成;而且对于具有共连续结构的体系, 人们很容易用选择性溶剂将其中的一相抽去掉, 得到多孔材料, 比如多孔膜可以充当过滤, 及其他的一些功能性的应用. 制备共连续结构合金一直是共混改性领域的研究热点. 由于不相容体系共连续结构是热力学不稳定结构, 其在混炼过程中形成的难易程度由拉长的少数相粒子寿命及其聚并难易程度决定. 拉长相寿命越长, 聚并越容易, 则共连续结构越容易形成. 因此, 在两相粘度比及其它加工条件合适的情况下, 如何通过增容剂结构的调控来延长分散的拉长相结构的寿命且不阻碍其聚并是得到共连续结构的关键.
施德安教授认为, 不对称结构的嵌段或接枝共聚物在热力学上有利于形成大曲率半径的界面, 且较短链段的存在有利于少数相粒子的聚并和形成共连续结构;然而界面处较短链段的存在会使得界面缠结度降低, 界面强度下降, 不利于剪切应力的传递, 使得少数相粒子在剪切过程中很难被拉长, 一般加工条件下共连续结构仍然难以形成. 而且具有不对称结构的共聚物相容剂很容易在其长链的一相中形成胶束而失去增容的作用, 这也是影响共连续结构形成的因素之一. 实践证明, 只用单一不对称结构相容剂, 需要在高温(玻璃化温度或熔点以上)长期退火才能得到具有共连续结构的产物, 没有实际应用价值.
施德安教授提出将具有对称和不对称结构的共聚物增容剂并用, 一定含量的对称结构相容剂分子存在于两相界面处, 有利于界面应力的传递, 使得少数相粒子容易被拉长, 而界面处不对称结构的相容剂分子又能有效稳定这种拉长的少数相粒子, 从而在加工过程中成功得到了具有共连续结构的聚合物合金.
无论是形成海岛结构还是共连续结构, 相容剂分子都必须处于两相界面处, 才能起到相应的增容作用. 因此, 很多相容剂失效的事例其实可能并不是相容剂分子本身不适合, 而是由于其分子结构与相应的基体不匹配(如分子量差异悬殊)或者加工条件选择不合适(强剪切将相容剂分子从两相界面处拉出)等因素造成的.
对于相容剂的生产厂家而言, 一方面要根据客户的需要设计出不同结构的, 适应不同体系的相容剂, 另一方面还必须培养一批业务过硬的技术服务人员, 能帮助客户解决相容剂使用过程中出现的问题. 例如同样的相容剂产品时, 可能A客户用得很好, B客户使用起来却不一定好. 而A, B两个客户的基体树脂种类也是相同的. 以POE-g-MAH增韧玻纤增强的PA6为例, PA6基体树脂的粘度对POE-g-MAH在复合体系中的分布情况会有很大影响, 从而也会影响到材料的最后性能. 因此, 针对不同的基体树脂, 要选用流动性不同的POE-g-MAH.
'同一种相容剂在不同的体系, 可能起的作用完全不一样. 这既是相容剂行业的一大挑战, 也是它的重要机遇, ' 施德安教授总结道, '对于相容剂厂家而言, 比产品更重要的是服务. 如果能跟上客户产品的升级换代步伐, 及时解决客户在产品使用上的问题, 相容剂生产厂商将在市场上立于不败之地!'