第8章 高分子共混材料和復(fù)合材料

1、高分子材料高分子材料高分子共混材料2概述1第8章 高分子共混材料和復(fù)合材料高分子復(fù)合材料2高分子材料高分子材料8.1 概述高分子材料高分子材料8.2 高分子共混材料12相容性、相形態(tài)和相圖相容性、相形態(tài)和相圖增容劑、反應(yīng)增容和反應(yīng)加工增容劑、反應(yīng)增容和反應(yīng)加工34通用塑料系共混材料通用塑料系共混材料工程塑料系共混材料工程塑料系共混材料5熱固性樹(shù)脂系共混材料熱固性樹(shù)脂系共混材料高分子材料高分子材料67互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)分子復(fù)合材料分子復(fù)合材料89原位增強(qiáng)塑料原位增強(qiáng)塑料橡膠增韌塑料機(jī)理和判據(jù)橡膠增韌塑料機(jī)理和判據(jù)10流變流變- -相形態(tài)相形態(tài)- -力學(xué)性能關(guān)系力學(xué)性能關(guān)系8.2 高分子

2、共混材料高分子材料高分子材料 高分子的相容性有三種定義：熱力學(xué)相容性部分相容性工藝相容性(不相容性)8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料 當(dāng) 的高分子1和 的溶劑（可視為高分子2）混合時(shí)，它們的混合自由能 為： 當(dāng) 除以總體積，溶液?jiǎn)挝惑w積的自由能變化 為： 由混合熵 和混合焓 組成：8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料 因此可以進(jìn)一步討論高分子共混體系相分離的臨界條件： 當(dāng) ，高分子共混體系發(fā)生相分離。臨界相分離時(shí)高分子2的體積分?jǐn)?shù) 和相互作用參數(shù) 為：8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料8.

3、2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料 結(jié)晶高分子/無(wú)定形高分子共混材料的熔體或非晶相的相容性可以用熔點(diǎn)降低(通過(guò)等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)測(cè)定):8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料 高分子相容性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法可分為六類(lèi)。（1）熱力學(xué)方法（2）形態(tài)學(xué)方法（3）分子運(yùn)動(dòng)方法（4）界面相方法（5）動(dòng)力學(xué)方法（6）物理機(jī)械性能測(cè)試方法8.2.1 相容性、相形態(tài)和相圖高分子材料高分子材料8.2.2 增容劑、反應(yīng)增容和反應(yīng)加工 一般來(lái)說(shuō)，在高分子共混材料中，分散相粒子的最小粒徑（D）與

4、界面張力 的關(guān)系為： 高分子共混材料的反應(yīng)增容主要有三種方法：端基或側(cè)基功能團(tuán)之間的反應(yīng)與高分子增容劑的反應(yīng)加低相對(duì)分子質(zhì)量化合物促進(jìn)交聯(lián)或共交聯(lián)反應(yīng)高分子材料高分子材料8.2.3 通用塑料系共混材料高分子材料高分子材料 馬來(lái)酸酐和氨基反應(yīng)在聚丙烯和聚酰胺之間形成了化學(xué)鍵連接：8.2.3 通用塑料系共混材料高分子材料高分子材料8.2.3 通用塑料系共混材料高分子材料高分子材料8.2.4 工程塑料系共混材料高分子材料高分子材料 環(huán)氧樹(shù)脂是熱固性樹(shù)脂，常用作高分子復(fù)合材料的基體。環(huán)氧樹(shù)脂有兩個(gè)重要缺點(diǎn)：韌性低；濕熱性能差8.2.5 熱固性樹(shù)脂系共混材料高分子材料高分子材料 為了改善環(huán)氧樹(shù)脂的韌性，

5、同時(shí)又不降低環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱性和力學(xué)性能，可用耐高溫的熱塑性樹(shù)脂如聚醚酰亞胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚砜（PSF）、聚醚醚酮（PEEK）和環(huán)氧樹(shù)脂共混。8.2.5 熱固性樹(shù)脂系共混材料高分子材料高分子材料8.2.6 互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)高分子材料高分子材料8.2.6 互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)苯乙烯和4-乙烯基苯基二甲基硅烷醇共聚物 ：高分子材料高分子材料聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(PPTA):PPTA和聚對(duì)苯酰胺(PBA):8.2.7 分子復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.2.8 原位增強(qiáng)塑料高分子材料高分子材料接上圖接上圖8.2.8 原位增強(qiáng)塑料高分子材料高分子材料8.2.9 橡膠增韌塑料機(jī)理和判據(jù)高分子材料高

6、分子材料8.2.9 橡膠增韌塑料機(jī)理和判據(jù)高分子材料高分子材料8.2.9 橡膠增韌塑料機(jī)理和判據(jù)高分子材料高分子材料 應(yīng)力體積球直徑(S)為橡膠粒徑(D)與臨界基體層厚度 的關(guān)系是: 當(dāng) 時(shí),相鄰應(yīng)力體積球發(fā)生關(guān)聯(lián),應(yīng)力體積球的體積分?jǐn)?shù) 為: 根據(jù)逾滲模型的標(biāo)度定律,在大于 的區(qū)域共混材料的G與 應(yīng)存在標(biāo)度關(guān)系:8.2.9 橡膠增韌塑料機(jī)理和判據(jù)高分子材料高分子材料 當(dāng)兩種高分子共混時(shí),何種高分子形成連續(xù)相,何種高分子形成分散相主要取決于組分的相對(duì)分子質(zhì)量、組成比、融體黏度和加工條件（如混合時(shí)間、混合溫度、剪切速率 ），可用毛細(xì)管數(shù) 描述： 將高分子的熔體共混過(guò)程視為連續(xù)化學(xué)反應(yīng)，可得到下列方

7、程：8.2.10 流變-相形態(tài)-力學(xué)性能關(guān)系高分子材料高分子材料8.2.10 流變-相形態(tài)-力學(xué)性能關(guān)系高分子材料高分子材料8.2.10 流變-相形態(tài)-力學(xué)性能關(guān)系 根據(jù)模量-組成關(guān)系，用分散相材料的分?jǐn)?shù)可以關(guān)聯(lián)高分子共混材料的形態(tài)和性能：高分子材料高分子材料8.3 高分子復(fù)合材料12增強(qiáng)機(jī)理增強(qiáng)機(jī)理顆粒填充高分子復(fù)合材料顆粒填充高分子復(fù)合材料3玻璃鋼和短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料玻璃鋼和短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料( (常用復(fù)合材料常用復(fù)合材料) )4先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料5功能復(fù)合材料功能復(fù)合材料6界面相界面相高分子材料高分子材料 復(fù)合材料定義為兩種或多種組分按一定方式復(fù)合而產(chǎn)生的材料,該材料的特定性能優(yōu)于

8、每個(gè)單獨(dú)組分的性能。復(fù)合材料有四要素：基體材料、增強(qiáng)材料、成型技術(shù)和界面相。8.3 高分子復(fù)合材料高分子材料高分子材料 8.3.1 增強(qiáng)機(jī)理高分子材料高分子材料 高分子復(fù)合材料的力學(xué)性能可以用復(fù)合法則計(jì)算。對(duì)單向連續(xù)纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，沿纖維方向(L)受力的彈性模 為: 復(fù)合材料沿垂直纖維方向(T)的彈性模量 為: 復(fù)合材料沿纖維方向(L)受力的拉伸強(qiáng)度 為:通常 。8.3.1 增強(qiáng)機(jī)理高分子材料高分子材料 對(duì)于短纖維增強(qiáng)的高分子復(fù)合材料，假定纖維的取向分布是均勻的，則復(fù)合材料的彈性模量 為：短纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為： 為臨界纖維長(zhǎng)度，可表示為：8.3.1 增強(qiáng)機(jī)理高分子材料高分子材料8.3

9、.2.1 8.3.2.1 填料和填充復(fù)合材料填料和填充復(fù)合材料8.3.2 顆粒填充高分子復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.2.2 8.3.2.2 晶須增強(qiáng)塑料晶須增強(qiáng)塑料8.3.2.3 8.3.2.3 高分子基納米復(fù)合材料高分子基納米復(fù)合材料( (納米塑料納米塑料) )（1）互穿網(wǎng)絡(luò)型納米復(fù)合材料8.3.2 顆粒填充高分子復(fù)合材料高分子材料高分子材料商品化的雙官能團(tuán)分子GLYMO或MEMO的結(jié)構(gòu)為：8.3.2 顆粒填充高分子復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.2 顆粒填充高分子復(fù)合材料（2）二維插層型納米復(fù)合材料高分子材料高分子材料（3）主體-客體(三維)型納米復(fù)合材料8.3.2 顆粒填充高

10、分子復(fù)合材料高分子材料高分子材料（4）金屬芯型納米復(fù)合材料 通過(guò)金屬離子(如鐵和釕)與含可聚合官能團(tuán)的配體的配位絡(luò)合反應(yīng)可制備金屬芯高分子的納米復(fù)合材料：8.3.2 顆粒填充高分子復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.3.1 8.3.3.1 玻璃纖維及其復(fù)合材料玻璃纖維及其復(fù)合材料8.3.3 玻璃鋼和短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(常用復(fù)合材料)高分子材料高分子材料8.3.3 玻璃鋼和短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(常用復(fù)合材料)高分子材料高分子材料8.3.3.2 8.3.3.2 短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料短碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料8.3.3.3 8.3.3.3 增韌增強(qiáng)復(fù)合材料用增韌增強(qiáng)復(fù)合材料用 玻璃纖維或碳纖維增強(qiáng)橡膠增韌的

11、效果對(duì)很多熱塑性樹(shù)脂都有效。8.3.3 玻璃鋼和短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(常用復(fù)合材料)高分子材料高分子材料8.3.4.1 8.3.4.1 碳纖維及其復(fù)合材料碳纖維及其復(fù)合材料8.3.4 先進(jìn)復(fù)合材料高分子材料高分子材料 聚丙烯腈基碳纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)由兩相組成：取向度大，微晶大，位于纖維的外層；取向度小，微晶小且含有大量孔隙，位于纖維芯部8.3.4 先進(jìn)復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.4 先進(jìn)復(fù)合材料8.3.4.2 8.3.4.2 碳化硅纖維及其復(fù)合材料碳化硅纖維及其復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.5 功能復(fù)合材料8.3.5.1 8.3.5.1 導(dǎo)電復(fù)合材料導(dǎo)電復(fù)合材料高分子材料高分子材料（

12、1）導(dǎo)電相填料的影響填料含量和連通性的影響8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料填料長(zhǎng)徑比對(duì)導(dǎo)電性的影響8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料（2）導(dǎo)電機(jī)理和理論 導(dǎo)電滲逾理論描述填料含量對(duì)導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的影響：8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.5 功能復(fù)合材料8.3.5.2 8.3.5.2 導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱復(fù)合材料 材料的熱導(dǎo)率公式為： 熱擴(kuò)散率公式為：高分子材料高分子材料 根據(jù)Bruggeman公式，復(fù)合材料熱導(dǎo)率 的計(jì)算如下：8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.5.3 8.3.5.3 磁性復(fù)合材料磁性復(fù)合材料8.3.5 功能復(fù)合材料高分

13、子材料高分子材料8.3.5.4 8.3.5.4 吸波吸波( (隱身隱身) )復(fù)合材料復(fù)合材料電磁輻射的反射系數(shù) ：8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料（1）介電吸收材料8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料（2）電磁吸收材料8.3.5.5 8.3.5.5 光功能復(fù)合材料光功能復(fù)合材料（1）高分子分散液晶8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料（2）高分子穩(wěn)定液晶8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.5.6 8.3.5.6 高分子太陽(yáng)能電池高分子太陽(yáng)能電池8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料 下述關(guān)鍵因素影響了聚合物太陽(yáng)能電池的光-電轉(zhuǎn)換效率。（1）光子損失（2）激發(fā)子損失（3）載體損失8.3.5.7 8.3.5.7 梯度功能復(fù)合材料梯度功能復(fù)合材料8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料8.3.5.8 8.3.5.8 環(huán)境和生物復(fù)合材料環(huán)境和生物復(fù)合材料 環(huán)境復(fù)合材料是環(huán)境材料概念的擴(kuò)展，具體如下：（1）考慮生態(tài)平衡和循環(huán)回收利用復(fù)合材料8.3.5 功能復(fù)合材料高分子材料高分子材料（2）可生物或光降解復(fù)合材料（3）多組分環(huán)境復(fù)合材料（4）固體廢棄物的利用（5）生物