湖北大學材料科學與工程學院副院長施德安教授
在製備不相容聚合物合金時, 由於兩相界面的界面張力過大, 少數相尺寸偏大, 合金材料的各項性能都很差, 此時, 相容劑的加入是必須的. 一般來說, 主要的界面相容劑有嵌段共聚物, 接枝共聚物, 無機納米粒子或Janus粒子. 無論使用何種相容劑, 其實現增容的前提是相容劑必須能穩定存在於不相容體系的兩相界面上, 而判斷增容效果的標準一般是少數相尺寸的大小. 施德安教授認為: '很多情況下不僅要關注少數相的尺寸, 而且還要關注其形狀. 如何控制合金相形態結構也是高分子合金製備過程中一個相當重要的環節. '
在通常情況下, 不相容體系或部分相容體系中的少數相都是以顆粒狀分散於連續相中, 形成所謂的 '海島' 結構. 目前已經實現商品化的聚合物共混體系大多都具有這種結構, 比如常見的橡膠增韌塑料體系就是其典型代表. 施德安教授介紹, 在聚合物合金加工過程中, 聚合物共混體系中的分散相在一定階段會形成拉長的纖維狀或層狀結構, 然而, 這種熱力學不穩定結構通常壽命很短, 隨著混合過程的進行, 拉長結構會發生破裂或者回縮, 最後形成海島結構;但如果這種拉長的熱力學不穩定結構存在的時間能夠被延長, 其在加工過程中會發生聚並而在原來的連續相中形成另外一個三維的連續相, 得到具有共連續結構的共混物. 與普通的海島結構聚合物合金相比, 具有共連續結構的共混體系的拉伸強度大於具有相似組成的海島結構體系, 而且大於各組分強度的簡單加成;而且對於具有共連續結構的體系, 人們很容易用選擇性溶劑將其中的一相抽去掉, 得到多孔材料, 比如多孔膜可以充當過濾, 及其他的一些功能性的應用. 製備共連續結構合金一直是共混改性領域的研究熱點. 由於不相容體系共連續結構是熱力學不穩定結構, 其在混煉過程中形成的難易程度由拉長的少數相粒子壽命及其聚並難易程度決定. 拉長相壽命越長, 聚並越容易, 則共連續結構越容易形成. 因此, 在兩相粘度比及其它加工條件合適的情況下, 如何通過增容劑結構的調控來延長分散的拉長相結構的壽命且不阻礙其聚並是得到共連續結構的關鍵.
施德安教授認為, 不對稱結構的嵌段或接枝共聚物在熱力學上有利於形成大麴率半徑的界面, 且較短鏈段的存在有利於少數相粒子的聚並和形成共連續結構;然而界面處較短鏈段的存在會使得界面纏結度降低, 界面強度下降, 不利於剪切應力的傳遞, 使得少數相粒子在剪切過程中很難被拉長, 一般加工條件下共連續結構仍然難以形成. 而且具有不對稱結構的共聚物相容劑很容易在其長鏈的一相中形成膠束而失去增容的作用, 這也是影響共連續結構形成的因素之一. 實踐證明, 只用單一不對稱結構相容劑, 需要在高溫(玻璃化溫度或熔點以上)長期退火才能得到具有共連續結構的產物, 沒有實際應用價值.
施德安教授提出將具有對稱和不對稱結構的共聚物增容劑並用, 一定含量的對稱結構相容劑分子存在於兩相界面處, 有利於界面應力的傳遞, 使得少數相粒子容易被拉長, 而界面處不對稱結構的相容劑分子又能有效穩定這種拉長的少數相粒子, 從而在加工過程中成功得到了具有共連續結構的聚合物合金.
無論是形成海島結構還是共連續結構, 相容劑分子都必須處於兩相界面處, 才能起到相應的增容作用. 因此, 很多相容劑失效的事例其實可能並不是相容劑分子本身不適合, 而是由於其分子結構與相應的基體不匹配(如分子量差異懸殊)或者加工條件選擇不合適(強剪切將相容劑分子從兩相界面處拉出)等因素造成的.
對於相容劑的生產廠家而言, 一方面要根據客戶的需要設計出不同結構的, 適應不同體系的相容劑, 另一方面還必須培養一批業務過硬的技術服務人員, 能幫助客戶解決相容劑使用過程中出現的問題. 例如同樣的相容劑產品時, 可能A客戶用得很好, B客戶使用起來卻不一定好. 而A, B兩個客戶的基體樹脂種類也是相同的. 以POE-g-MAH增韌玻纖增強的PA6為例, PA6基體樹脂的粘度對POE-g-MAH在複合體系中的分布情況會有很大影響, 從而也會影響到材料的最後性能. 因此, 針對不同的基體樹脂, 要選用流動性不同的POE-g-MAH.
'同一種相容劑在不同的體系, 可能起的作用完全不一樣. 這既是相容劑行業的一大挑戰, 也是它的重要機遇, ' 施德安教授總結道, '對於相容劑廠家而言, 比產品更重要的是服務. 如果能跟上客戶產品的升級換代步伐, 及時解決客戶在產品使用上的問題, 相容劑生產廠商將在市場上立於不敗之地!'