第8章 高分子共混材料和复合材料

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 高分子共混材料和复合材料高分子复合材料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、相形态和相图相容性、相形态和相图增容剂、反应增容和反应加工增容剂、反应增容和反应加工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热固性树脂系共混材料热固性树脂系共混材料高分子材料高分子材料67互穿聚合物网络互穿聚合物网络分子复合材料分子复合材料89原位增强塑料原位增强塑料橡胶增韧塑料机理和判据橡胶增韧塑料机理和判据10流变流变- -相形态相形态- -力学性能关系力学性能关系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种定义：热力学相容性部分相容性工艺相容性(不相容性)8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料 当 的高分子1和 的溶剂（可视为高分子2）混合时，它们的混合自由能 为： 当 除以总体积，溶液单位体积的自由能变化 为： 由混合熵 和混合焓 组成：8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料 因此可以进一步讨论高分子共混体系相分离的临界条件： 当 ，高分子共混体系发生相分离。临界相分离时高分子2的体积分数 和相互作用参数 为：8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料8.

3、2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料 结晶高分子/无定形高分子共混材料的熔体或非晶相的相容性可以用熔点降低(通过等温结晶动力学测定):8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料 高分子相容性的实验测定方法可分为六类。（1）热力学方法（2）形态学方法（3）分子运动方法（4）界面相方法（5）动力学方法（6）物理机械性能测试方法8.2.1 相容性、相形态和相图高分子材料高分子材料8.2.2 增容剂、反应增容和反应加工 一般来说，在高分子共混材料中，分散相粒子的最小粒径（D）与

4、界面张力 的关系为： 高分子共混材料的反应增容主要有三种方法：端基或侧基功能团之间的反应与高分子增容剂的反应加低相对分子质量化合物促进交联或共交联反应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 马来酸酐和氨基反应在聚丙烯和聚酰胺之间形成了化学键连接：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 环氧树脂是热固性树脂，常用作高分子复合材料的基体。环氧树脂有两个重要缺点：韧性低；湿热性能差8.2.5 热固性树脂系共混材料高分子材料高分子材料 为了改善环氧树脂的韧性，

5、同时又不降低环氧树脂的耐热性和力学性能，可用耐高温的热塑性树脂如聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚砜（PES）、聚砜（PSF）、聚醚醚酮（PEEK）和环氧树脂共混。8.2.5 热固性树脂系共混材料高分子材料高分子材料8.2.6 互穿聚合物网络高分子材料高分子材料8.2.6 互穿聚合物网络苯乙烯和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对苯二甲酰对苯二胺(PPTA):PPTA和聚对苯酰胺(PBA):8.2.7 分子复合材料高分子材料高分子材料8.2.8 原位增强塑料高分子材料高分子材料接上图接上图8.2.8 原位增强塑料高分子材料高分子材料8.2.9 橡胶增韧塑料机理和判据高分子材料高

6、分子材料8.2.9 橡胶增韧塑料机理和判据高分子材料高分子材料8.2.9 橡胶增韧塑料机理和判据高分子材料高分子材料 应力体积球直径(S)为橡胶粒径(D)与临界基体层厚度 的关系是: 当 时,相邻应力体积球发生关联,应力体积球的体积分数 为: 根据逾渗模型的标度定律,在大于 的区域共混材料的G与 应存在标度关系:8.2.9 橡胶增韧塑料机理和判据高分子材料高分子材料 当两种高分子共混时,何种高分子形成连续相,何种高分子形成分散相主要取决于组分的相对分子质量、组成比、融体黏度和加工条件（如混合时间、混合温度、剪切速率 ），可用毛细管数 描述： 将高分子的熔体共混过程视为连续化学反应，可得到下列方

7、程：8.2.10 流变-相形态-力学性能关系高分子材料高分子材料8.2.10 流变-相形态-力学性能关系高分子材料高分子材料8.2.10 流变-相形态-力学性能关系 根据模量-组成关系，用分散相材料的分数可以关联高分子共混材料的形态和性能：高分子材料高分子材料8.3 高分子复合材料12增强机理增强机理颗粒填充高分子复合材料颗粒填充高分子复合材料3玻璃钢和短纤维增强复合材料玻璃钢和短纤维增强复合材料( (常用复合材料常用复合材料) )4先进复合材料先进复合材料5功能复合材料功能复合材料6界面相界面相高分子材料高分子材料 复合材料定义为两种或多种组分按一定方式复合而产生的材料,该材料的特定性能优于

8、每个单独组分的性能。复合材料有四要素：基体材料、增强材料、成型技术和界面相。8.3 高分子复合材料高分子材料高分子材料 8.3.1 增强机理高分子材料高分子材料 高分子复合材料的力学性能可以用复合法则计算。对单向连续纤维增强的复合材料，沿纤维方向(L)受力的弹性模 为: 复合材料沿垂直纤维方向(T)的弹性模量 为: 复合材料沿纤维方向(L)受力的拉伸强度 为:通常 。8.3.1 增强机理高分子材料高分子材料 对于短纤维增强的高分子复合材料，假定纤维的取向分布是均匀的，则复合材料的弹性模量 为：短纤维复合材料的拉伸强度为： 为临界纤维长度，可表示为：8.3.1 增强机理高分子材料高分子材料8.3

9、.2.1 8.3.2.1 填料和填充复合材料填料和填充复合材料8.3.2 颗粒填充高分子复合材料高分子材料高分子材料8.3.2.2 8.3.2.2 晶须增强塑料晶须增强塑料8.3.2.3 8.3.2.3 高分子基纳米复合材料高分子基纳米复合材料( (纳米塑料纳米塑料) )（1）互穿网络型纳米复合材料8.3.2 颗粒填充高分子复合材料高分子材料高分子材料商品化的双官能团分子GLYMO或MEMO的结构为：8.3.2 颗粒填充高分子复合材料高分子材料高分子材料8.3.2 颗粒填充高分子复合材料（2）二维插层型纳米复合材料高分子材料高分子材料（3）主体-客体(三维)型纳米复合材料8.3.2 颗粒填充高

10、分子复合材料高分子材料高分子材料（4）金属芯型纳米复合材料 通过金属离子(如铁和钌)与含可聚合官能团的配体的配位络合反应可制备金属芯高分子的纳米复合材料：8.3.2 颗粒填充高分子复合材料高分子材料高分子材料8.3.3.1 8.3.3.1 玻璃纤维及其复合材料玻璃纤维及其复合材料8.3.3 玻璃钢和短纤维增强复合材料(常用复合材料)高分子材料高分子材料8.3.3 玻璃钢和短纤维增强复合材料(常用复合材料)高分子材料高分子材料8.3.3.2 8.3.3.2 短碳纤维增强复合材料短碳纤维增强复合材料8.3.3.3 8.3.3.3 增韧增强复合材料用增韧增强复合材料用 玻璃纤维或碳纤维增强橡胶增韧的

11、效果对很多热塑性树脂都有效。8.3.3 玻璃钢和短纤维增强复合材料(常用复合材料)高分子材料高分子材料8.3.4.1 8.3.4.1 碳纤维及其复合材料碳纤维及其复合材料8.3.4 先进复合材料高分子材料高分子材料 聚丙烯腈基碳纤维的聚集态结构由两相组成：取向度大，微晶大，位于纤维的外层；取向度小，微晶小且含有大量孔隙，位于纤维芯部8.3.4 先进复合材料高分子材料高分子材料8.3.4 先进复合材料8.3.4.2 8.3.4.2 碳化硅纤维及其复合材料碳化硅纤维及其复合材料高分子材料高分子材料8.3.5 功能复合材料8.3.5.1 8.3.5.1 导电复合材料导电复合材料高分子材料高分子材料（

12、1）导电相填料的影响填料含量和连通性的影响8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料填料长径比对导电性的影响8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料（2）导电机理和理论 导电渗逾理论描述填料含量对导体-绝缘体转变现象的影响：8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料8.3.5 功能复合材料8.3.5.2 8.3.5.2 导热复合材料导热复合材料 材料的热导率公式为： 热扩散率公式为：高分子材料高分子材料 根据Bruggeman公式，复合材料热导率 的计算如下：8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料8.3.5.3 8.3.5.3 磁性复合材料磁性复合材料8.3.5 功能复合材料高分

13、子材料高分子材料8.3.5.4 8.3.5.4 吸波吸波( (隐身隐身) )复合材料复合材料电磁辐射的反射系数 ：8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料（1）介电吸收材料8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料（2）电磁吸收材料8.3.5.5 8.3.5.5 光功能复合材料光功能复合材料（1）高分子分散液晶8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料（2）高分子稳定液晶8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料8.3.5.6 8.3.5.6 高分子太阳能电池高分子太阳能电池8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料 下述关键因素影响了聚合物太阳能电池的光-电转换效率。（1）光子损失（2）激发子损失（3）载体损失8.3.5.7 8.3.5.7 梯度功能复合材料梯度功能复合材料8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料8.3.5.8 8.3.5.8 环境和生物复合材料环境和生物复合材料 环境复合材料是环境材料概念的扩展，具体如下：（1）考虑生态平衡和循环回收利用复合材料8.3.5 功能复合材料高分子材料高分子材料（2）可生物或光降解复合材料（3）多组分环境复合材料（4）固体废弃物的利用（5）生物