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      1. 涂料理論研究 | 涂料 —— 一種復合材料

        2024-01-03 09:07:57

        復合材料是一種多相材料,它是由聚合物材料、無機非金屬或金屬材料(如纖維和顆粒狀填料等)通過復合工藝構成的一種新型材料。


        復合材料的特點在于它不僅能保持原組分的特色,而且還可通過復合效應使之具有

        新性能

        (原有組成材料所不具備的性能)


        它可以根據需要進行設計,從而最合理地達到使用要求的性能,從這一點

        看,與簡單的混合有明顯的區別。


        實際上

        涂料便是一種復合材料


        而且是歷史最早的復合材料,例如,早在2000年前我國便出現了用麻絲與大漆構成的漆器。從復合材料的角度來研究涂料,即如何將現代復合材料的理論和新技術與涂料研究相結合,對于

        涂料的創新


        將是有意義的。


        聚合物復合材料和涂料一樣有連續相和非連續相(分散相),聚合物基的復合

        材料便是以聚合物為連續相,而填料(顏料)為非連續相,一般來說,填料可以是粒狀的和纖維狀的或它們的混合,而且它們的長短或粗細的分布可各不相同,顆粒填料主要有炭黑、SiO2、碳酸鈣、玻璃微珠、金屬粉末等,纖維填料有纖維素、合成纖維、碳纖維、石棉、玻璃纖維以及晶須形金屬等等,一些普通的復合材料的填料和涂料中的顏料是相近似的。


        復合材料最重要的特點是可以大大改善力學性質,可制備高強度,高模量,具良好抗疲勞性及耐摩擦自潤滑性的材料,如我們熟悉的玻璃纖維增強塑料或碳纖維增強塑料等,復合材料也可改善高溫耐熱性、化學穩定性、隔熱性、抗燒蝕性以及其他特殊性能,這些性能是一些特種涂料所必需的。


        懂得聚合物合金的知識對涂料的研究更是有益的。


        將兩種或兩種以上的聚合物以一定形式組合起來,形成具有不同于原組分聚集態結構與性能的新材料稱之為聚合物共混物或聚合物合金,實際上聚合物合金也是聚合物復合材料的一種,聚合物合金的特點在于可通過已有的聚合物進行共混改性,不僅可以獲得各組分性能互補的,性能優異的新材料,而且和復合材料一樣,通過復合效應可得到原組分不具有的性能,而且可根據需要進行設計。

        聚合物合金的理論和應用的發展和復合材料一樣將對涂料發生重要的影響。

        聚合物合金首先是可以改進聚合物材料的力學性質,現以橡膠和塑料的混合來

        說明這一特點。

        若以塑料如聚苯乙烯為主要成分,高抗張的聚苯乙烯便成為連續相,軟而韌的橡膠成為分散相(微區)

        圖片

        由于這類材料的基質為聚苯乙烯,所以保留了硬而強的特點,當材料受到沖擊時,處于高彈態的橡膠粒子的存在有利于能量吸收,使橡膠的韌性得以發揮,因而可得到高抗沖的聚苯乙烯。

        另一方面,若以橡膠為主要成分,則橡膠為基質,構成連續相,塑料為分散相,這樣的體系保留有橡膠的特點,即模量小易變形,但塑料微區的存在又可補償橡膠低抗張的弱點,成為增強的橡膠。

        若橡膠和塑料間的分子存在有化學鍵,塑料分散相不僅起增強作用,還能使橡膠在變形時避免大分子間的滑移,這就是所謂的熱塑彈性體。

        由以上討論可知,上述合金體系都是


        兩相結構的


        正因為兩相的存在,兩組分的特點才得以保存,材料才能實現這些有利性能的結合。但是,這種相分離不像一般在低分子體系那樣可以進一步發展成宏觀的兩相,聚合物合金是處于一種亞穩的狀態。

        聚合物的合金能否形成和兩組分的相容性有關,相容性太差,兩者根本混合不起來,即使混合起來,材料通常呈宏觀相分離,出現分層現象。兩者相容性越好,得到的材料兩相分散得愈細,愈均勻,相容性好的極限是形成均勻的一相,即分子水平的分散,此時在聚集體結構上沒有新的特點,因而和增塑體系相似。


        合金可以分為兩大類,一類是簡單的共混體系和互穿網絡體系,兩種聚合物間

        無化學鍵,另一類是共聚合體系,主要是嵌段共聚物和接枝共聚物。


        • 簡單共混體系

          借助于溶劑或熱量實現組分間盡可能密切地分散和接觸共混的途徑有熔融共混、乳液共混和溶液共混。

        • 互穿網絡體系 IPN

          這是一種采用特殊的制備方法得到的共混物,兩組分聚合物間雖無化學鍵聯結,但兩區尺寸較小,可達到相互貫穿交錯,因而賦予材料較好的力學性能和其他特殊性能,制備IPN的方法很多,如將交聯聚合物用含有引發劑和交聯劑的單體溶脹,然后再進行聚合,這樣的方法稱分步IPN。

          IPN也可用同步聚合的方法得到,但在涂料上有實用意義的主要是乳膠一般按種子聚合的方法制備:首先用乳液聚合的方法制備一交聯度不太大的乳膠,將此乳膠作為種子,再加單體和引發劑進行乳液聚合,于是得一核殼結構,這樣的聚合重復多次,便得多重的乳膠,但為了成膜,最后一層應是不交聯的,各層的交聯度也不應太高。參見下面示意圖。


          圖片

        • 嵌段共聚合

          嵌段共聚合常由陰離子聚合制備,因為陰離子聚合是一種活性聚合,其生長鏈是“活”的,當加入第二種單體后可繼續聚合,嵌段聚合可將兩種不相容的聚合物用化學鍵相連在一起,在成形以后,和聚合物混合物一樣是一種多相體系,這和一般共聚物是不同的,一般共聚物不具聚合物合金的性質。



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