聚合物共混改性-思考题答案

1.试述聚合物共混的概念。答：聚合物共混是指将两种或两种以上聚合物材料、无机材料以及助剂在一定温度下进行机械掺混，最终形成一种宏观上均匀，而且力学、热学、光学、电学及其他性能得到改善的新材料的过程，这种混合过程称为聚合物的共混改性，所得到的新的共混产物称为聚合物共混物，简称共混物。2.共混物的形态学要素有哪些？答：1.分散相和连续相；2.分散相的分散状况；3.两相体系的形貌；4.相界面。3.简述分散相颗粒分散过程的两种主要机理。答：液滴分裂机理：分散相的大粒子，分裂成两个较小的粒子，然后，较小的粒子在进一步分裂，这一过程不断重复，直至平衡。细流线破裂机理：分散相的大粒子，在拉伸应力下变形为细流线，细流线再在瞬间破裂成细小的粒子。4.依据“液滴模型”，讨论影响分散相变形的因素。答：Weber数粒径；连续相黏度；界面张力；熔体弹性；流动场；两相粘度比。5.依据“双小球模型”，讨论影响分散相破碎的因素。答：K值的影响；r*值的影响；初始位置（分散相粒径）的影响6.采用哪些方法，可以对聚合物熔体黏度进行调控。答：调节剪切应力；通过助剂调节；调节共混组分的相对分子量。1.影响共混物性能的因素有哪些？答：一、各组分的性能与配比的影响；二、共混物形态的影响；三、制样方法和条件的影响；四、测试方法与条件的影响2.试述聚合物大形变时的形变机理及两种过程。答：玻璃态聚合物大形变时的形变机理包含两种可能的过程剪切形变过程：剪切过程包括弥散型的剪切屈服形变和形成局部剪切带两种情况。剪切形变只是使物体形状改变，分子间的内聚能和物体的密度基本上不受影响。银纹化过程：银纹化过程则使物体的密度大大下降。这两种机理各自所占的比重与聚合物结构及实验条件有关。3.形成局部应变的两种原因是什么？答：1）是纯几何的原因（试样截面积的波动）。这种纯几何的原因仅在一定的负荷条件下才会产生局部应变2）应变软化（材料对应变的阻力随应变的增加而减小）。是由聚合物材料的本性引起的。4.试述银纹的结构和性质。答：结构：银纹的平面垂直于外加应力的方向。银纹和裂纹不同，银纹是由聚合物大分子连接起来的空洞所构成。银纹一定的力学强度。性质：(a)密度、光学性质及渗透性银纹体中含有大量空洞，因此银纹体的密度比未银纹化的基体的密度小，这也是银纹化后试样体积增加的原因；由于密度小，银纹体的折光率比其周围聚合物的折光率小；银纹体中的空洞是相互沟通的，由于毛细管作用极易渗入各种流体。所以银纹体可大大增加聚合物的可渗性。(b)银纹体的应力－应变性质银纹体性似海绵，比正常的聚合物柔软并具韧性。在应力作用下，银纹体的形变是粘弹性的，所以其模量与应变过程有关，一般而言，银纹体的模量约为正常聚合物模量的3～25%；形变可恢复，加热、卸荷有利于恢复，在Tg以上加热可迅速地全部恢复；加热或加压可使银纹消失，但再施加应力，银纹又在原处产生。这表明加热或加压仅是银纹的密度增加到与原来聚合物的密度大致相同，但超分子结构并未完全恢复。（c）银纹的强度和生成能在应力作用下，银纹的稳定性即银纹的强度与大分子的塑性流动、化学键的破坏及粘弹行为有关。聚合物的分子量越大，大分子之间的物理交联键就越多，大分子的塑性流动和粘弹松弛过程的阻力就越大，因而银纹就越稳定。同时，分子量越大，大分子超越银纹两岸的几率就越大，要使银纹破裂就需要破坏更多的化学键，而破坏化学键要比分子间的滑动消耗更多的能量。因此，聚合物分子量越大，银纹的强度就越高，破裂的临界宽度就越大。银纹体形成时所消耗的能量称为银纹的生成能。形成银纹时要消耗四种形式的能量：生成银纹时的塑性功；在应力作用下银纹扩展的粘弹功；形成空洞的表面功和化学键的断裂能。5.简述银纹的形成过程，即银纹的引发、增长和终止三个阶段。银纹的引发：是由于存在结构的不均一性，从而产生应力集中，引发银纹。对于均相聚合物，表面缺陷、空洞及其他结构缺陷都是银纹的引发中心。聚合物共混物的两相界面是引发银纹的主要场所。特别典型的例子是橡胶增韧塑料，其中的橡胶颗粒构成了引发银纹的中心。银纹的增长：增长速率取决于内部应力集中的情况及银纹尖端材料的性质。有时随着银纹的增长，应力集中因子下降，银纹增长速率就逐渐下降。当银纹尖端应力集中因子小于临界值时银纹即终止。银纹的终止：有各种原因，例如银纹与剪切带的相互作用银纹尖端应力集中因子的下降及银纹的支化等。银纹的发展如能被及时终止，则不致破裂成裂纹。6.试分析影响银纹化的因素及其影响。(a)分子量的影响分子量的大小对银纹的引发速率基本上无影响；对银纹强度影响甚大，分子量高时银纹强度大，不易破裂成裂纹；银纹的形态亦受分子量的影响。当分子量小于80000时银纹短而粗，且形态不规则，银纹数目少，易于破裂成裂纹导致聚合物开裂；当分子量很大时则形成大量细而长的银纹，银纹强度大，因而材料强度亦大。(b)分子取向的影响分子取向后，在平行于取向方向施加应力时，银纹化受到抑制，银纹不易产生，有也密而细短；而在垂直于取向方向施加应力时，则易于产生银纹，且少而粗长；引发银纹的应力和取向方向与应力方向之间的夹角有关，在0～90º之间，此夹角越大，则引发应力越小，越易形成银纹。银纹的形态亦与取向有关，平行于取向方向的应力产生大量细而短的银纹，垂直于取问方向的应力产生少量长而粗的银纹。(c)环境的影响某些有机物可大大加速聚合物材料开裂的速度。例如苯可使中等应力的聚苯乙烯立刻开裂破坏。开裂就是由银纹破裂形成裂纹并导致聚合物破裂的现象。氧化剂如臭氧等亦可导致聚合物的开裂破坏。溶剂银纹化——某些液体虽不是聚合物的溶剂，但其溶解度参数与聚合物的溶解度参数相近，可使形成银纹的临界形变值及临界应力值大幅度下降。有时在这类液体的作用下，内应力就足以产生银纹。这类液体还使银纹强度大大下降，因而使聚合物的强度大幅度减小。对上述现象的解释有两种理论。第一种理论认为，液体润湿聚合物表面，降低了表面能，因而易于产生新的表面，有利于银纹的形成。第二种理论则认为上述现象的原因是液体的增塑作用，这些液体溶胀聚合物、使Tg下降，减小了聚合物塑性形变所需的应力。7.剪切带产生的必要因素是什么？其一是出于聚合物的应变软化作用；其二是由于结构上的缺陷或其他原因所造成的局部应力集中。8.表示聚合物材料的冲击韧性的方法有哪些？冲击强度、应力－应变曲线下的面积、特征表面破裂能以及破裂韧度等都可用来表征材料的韧性大小。9.制备高抗冲击聚合物共混物需满足哪些条件？(1)所用橡胶的Tg必须远低于室温或远低于材料的使用温度；(2)橡胶不溶于基体树脂中以保证形成两相结构，即不完全相容；(3)橡胶与树脂之间要有适度的相容性以保证两相之间有良好的粘合力。1.理解各种橡胶增韧机理及其局限性。①能量的直接吸收理论；这种机理所吸收的能量不超过冲击能的1/10。此外，该理论也不能解释其他一些增韧现象，例如气泡以及小玻璃珠之类的分散颗粒有时也有明显的增韧效应。②次级转变温度理论；作为普遍规律这种理论并不成立。③屈服膨胀理论；静张力虽可对基体的形变产生一定程度的活化作用，但是并非增韧的主要机理。而且该理论没有解释剪切屈服时常常伴随的应力发白现象。④裂纹核心理论；该理论有三个主要缺点，第一，未能将裂纹和银纹加以区别。第二，该理论只强调了橡胶颗粒诱发小裂纹的作用而未能允分考虑橡胶颗粒终止裂纹的作用；第三，该理论忽视了基体树脂特性的影响。⑤银纹－剪切带理论。2.试述橡胶增韧机理之银纹-剪切带-空穴机理。是当前普遍接受的理论。这是基于橡胶增韧塑料的韧性不但与橡胶相有关，而且与树脂连续相的特性有关。增韧的主要原因是银纹或剪切带的大量产生和银纹与剪切带的相互作用。橡胶粒子的第一个重要作用就是充当应力集中中心，诱发大量银纹或剪切带。第二个重要的作用：控制银纹的发展并使银纹及时终止而不致发展成破坏性的裂纹。银纹尖端的应力场可诱发剪切带的产生，而剪切带也可阻止银纹的进一步发展。大量银纹或剪切带的产生和发展需要耗散大量能量，因而可显著提高材料的冲击强度。此理论的特点是，既考虑了橡胶粒子的作用，也考虑了树脂连续相性能的影响。同时，不但考虑了橡胶粒子引发银纹和剪切带的功用，而且还考虑到了它终止银纹发展的效能。这一理论明确指出银纹具有双重功能：银纹的产生和发展消耗大量能量从而可提高材料的破裂能；另一方面，银纹又是产生裂纹并导致材料破坏的先导。在考虑增韧作用时，不但需要研究诱发银纹的因素，还需研究终止银纹的因素。再者，剪切带的形成是增韧的另一个重要因素。剪切带不仅是消耗能量的因素而且还是终止银纹的重要因素。3.影响橡胶增韧塑料冲击强度的因素有哪些？（1）树脂基体特性的影响①基体树脂分子量及其分布的影响②基体组成及特性的影响（2）橡胶相的影响①橡胶含量的影响②橡胶粒径的影响③橡胶玻璃化温度的影响④橡胶与基体树脂相容性的影响⑤胶粒内树脂包容物含量的影响⑥橡胶交联度的影响（3）橡胶相与基体树脂间结合力的影响4.试分析影响共混物形变的因素。5.简述非弹性体增韧机理。非弹性体，主要是指脆性塑料。广义的非弹性体增韧还应包括无机填料粒子对塑料基体的增韧。以非弹性体对塑料进行增韧改性，是将脆性塑料(如PS、。AS等)与有一定韧性的塑料进行共混，形成脆性塑料为分散相，韧性塑料为连续相的“海－岛结构”两相体系。6.共混物流变性能的特征是什么？一，聚合物熔体为假塑性非牛顿流体；二，聚合物熔体流动时有明显的弹性效应。7.聚合物共混物熔体的粘弹性表征方法有哪些？(1)稳态剪切时的法向应力差N1＝σ11－σ22；(2)动态力学试验测量储能模量G′；(3)挤出膨胀比B或可恢复性剪切形变SR；(4)出口压力降P出。8.制备高透明性聚合物共混物的要点是什么？1.制备透明的聚合物共混物，首先基体材料要采用透明的聚合物。其次，各种添加剂也要不妨碍材料的透明性。2.减小分散颗粒的尺寸，使其小于可见光光波的波长，可改进共混物的透明性。但分散相颗粒太小时常使韧性下降。3.最好的办法是选择折光率相近的组分。9.简述共混体系聚合物的选择原则。1．化学结构相似原则；2．极性相近原则；3．溶解度参数相等或相近原则；4．黏度相近原则；5．表面张力相近原则；6．分子扩散动力学原则。3.简述非弹性体增韧和弹性体增韧的异同。①增韧改性剂：非弹性体增韧的增韧改性剂是脆性塑料(广义包括无机填料粒子)，而弹性体增韧的增韧改性剂是橡胶或热塑性弹性体。②增韧对象：非弹性体增韧的对象，是有一定韧性的基体；而弹性体增韧的对象，可以是韧性基体，也可以是脆性基体。③增韧机理：弹性体增韧的机理主要是由橡胶分散相引发银纹或剪切带，橡胶颗粒本身并不消耗多少能量；而非弹性体增韧则是依赖脆性塑料的塑性形变，将外界作用的能量耗散掉。④增韧剂用量：对弹性体增韧体系，共混物的抗冲击性能会随弹性体用量增大而增加；而对于非弹性体增韧，脆性塑料的用量却有一个范围。在此范围内，可获得良好的抗冲击性效果，超过此范围，抗冲击性能会急剧下降。PC／AS共混体系的抗冲击性能，在As用量为10％～20％时，达到较高的数值；而在As用量超过30％后，就急剧下降。⑤性能影响：以非弹性体(脆性塑料)对塑料基体进行增韧的最大优越性，就在于脆性塑料在提高材料抗冲击性能的同时，并不会降低材料的刚性。而弹性体增韧体系PC／AS共混物抗冲击性能系，却会随着弹性体用量的增大而使材料的刚性下降。⑥加工流动性的影响：脆性塑料一般具有良好的加工流动性。因而，非弹性体增韧体系也可使加工流动性获得改善。而弹性体增韧的体系，其加工流动性往往要受到橡胶加工流动性差的影响。⑦相容性的影响：非弹性体增韧与弹性体增韧也有相似之处，两者都要求增韧改性剂与基体有良好的相容性，有较好的界面结合，其中，非弹性体增韧对界面结合的要求更高一些。