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第二章——聚合物-聚合物体系相容性的热力学要点
同时存在LCST及UCST的例子:PMMA/CPE,PS/PPO
共混物实验研究中经常用溶剂浇铸薄膜(solvent- cast film)的共混方法。在这种情况下,体系就含有三个 组分,相分离过程可用三角形相图来描述。
Fig4中三个顶角S、A、B 分别表示纯溶剂S、聚合物A 和B。 相图中任一点O的组成: 由O作S对边的平行线,与SA 的交点就得出了S的量(55 %),由O作A及B对边的平 行线,可得到A的量(~15 %),B的量(~30%)。 对具有一定组成N的溶液, 在溶剂挥发过程中,由于A/B 的相对比值不变,所以体系 的总组成沿SNP直线变化。
PI:聚异戊二烯, PB:聚丁二烯, PIB:聚异丁烯, PMPS:聚甲基苯基 硅氧烷, PPOD:聚氧化丙烯, PDMS:聚二甲基硅氧烷, PVME:聚甲基 乙烯基醚, SAN:苯乙烯-丙稀腈共聚物, PVNO:聚硝基乙烯酯, PEA: 聚丙烯酸乙酯, PEMA:聚甲基丙烯酸乙酯,PCLS(邻)及(对)氯代苯乙烯 共聚物,PFS: (邻)及(对)氟代苯乙烯共聚物,CPI:氯化聚异丁烯
③ 图中的实曲线是某给定分 子量的A、B共混物的双节 线,如果分子量增大(无论 A或B)曲线将向上移动至 虚线。
经以上讨论可明确双节 线的意义,它表示出各温度 下相互平衡状态的两相组成。
更多的实际双组分聚合物体系具有如Fig2所示的存在最低临界互溶 温度(LCST)的相图。
Fig3表示兼具UCST和LCST的体系,即在温度较高或较低时,体系 都是分相的,当温度处于UCST<T<LCST这个范围时,任何组成的 共混物都是均相体系。
2.1 聚合物-聚合物体系的相图
相图可直观地用来描述多组份聚合物的相容性-----Fig.1是由无定形聚合物A 和B组成的共混体系,其 相容性与温度、组成及分 子量有关。 图中的曲线为均相和多相 的分界线,也叫作双节线。 ------
如体系P达到平衡,应分 相为相Q及相K,它们的 组成分别是a及b。这两 个相在平衡时的相对量 可由杠杆原理得到: a相的量/b相的量 =PK/QP 此时,由于体系的总组 成是较接近于A的,所 以A是大量的——连续 相,B为分散相。
同时存在UCST和LCST,但 两者相互交叠, 形成封闭的两相区
多重UCST和LCST行为
聚合物之间的相容性及相图类型不但取决于聚合物类型, 还与聚合物分子量及其分子量分布密切相关,分子量增大, 相容性越小
相图在多组分聚合物体系的研究上能提供很多基础数 据,但能查到的具有完整热力学相关系的文献并不多。
对Fig1形式相图的三点说明: ① 曲线存在最高点Tc,当 T>Tc时,无论共混物的组成 如何均不会分相,体系完全 相容,热力学稳定的均相体 系,因此称Tc为临界温度, 由于Tc处于双节线的最高点, 所以称其为最高临界互溶温 度(UCST)
② T<Tc时,发生分相,部 分相容;但并非任何组成 的A/B共混物都分相,如果 体系的总组成很接近纯A 或纯B,即处于曲线包围的 区域之外,则仍属均相。
原因一:许多不相容体系的LCST或UCST都不在容易进行 实验的温度范围,或聚合物可能稳定存在的温度范围内。 原因二:实验上的困难。通常是利用光散射法观察共混物 散射光强随温度的变化来确定相界面(浊点法),但这种 方法要求组成聚合物具有较大的折光指数差,同时分散时 产生的粒子应足够大才能产生较强的散射光。 原因三:高分子扩散速度太慢(与低分子物质相比较)不 易建立平衡。 这三个原因,使得要建立一个完整的聚合物——聚合 物相图并非十分容易。
实际上,对于两种高分子的混合,熵的增加非 常有限(与小分子相比)。
为了对这个问题有一个直观的粗略了解,可借 助简化的格子模型来讨论混合熵。 目的:说明多组分聚合物常常是不相容的。
小分子A和B都只占一个格子,大分子则可视为若干个链节 (segment)构成,每个链节占据一个格子。------
Flory-Huggins 高分子溶液统计热力学理论的 建立基础——晶格模型
最经典的双组分聚合物——溶剂体系相图
Fig5 中的曲线也称双 节线,它与AB底边所包 围的范围就是两相共存区 域。由于S是A和B的溶剂, 所以SA或SB边附近的区 域都是均相的。 ------
Fig5 所表示的是最常 见、最规范的一类相 图,其中S是A和B的共 同溶剂。当S对A、B的 溶解能力有较大的差 别,或者溶剂—聚合 物的相互作用参数随 组成而变化时,得到 的相图将更为复杂。
通过计算nA个摩尔溶剂分子和nB个摩尔分子混 合时的排列方式数。 Flory得出了混合熵为: △S = -R(nAlnφ A+nBlnφ B) nA、nB 分别是溶剂A、聚合物B的摩尔数, φ A 、 φ B 分别溶剂A、聚合物B的体积分数。 △S>0表明熵项对△G的贡献始终是负值,有 利于互溶。
2.2 相分离的热力学和临界条件
从高分子溶液热力学角度,探讨多组分聚合物体系的相分离。
由前面的讨论可知,绝大多数的聚合物共混体系是不相 容的,这是由它们的热力学的本质决定的。A、B两种均 聚物共混时,混合自由能为:Δ G=Δ H—TΔ S 只有Δ G<0时才能得到均匀混合体系。
对高分子体系来说,如果异种分子间没有特殊的相互作 用(如H-键),Δ H>0(即溶解时吸热)。热焓项始终不 利于两者的混合。这样,能否均匀混合就要看熵项Δ S的 贡献能否克服热焓项。
第二章 聚合物-聚合物体系 相容性的热力学
2.1 聚合物-聚合物体系相图 2.2 相分离的热力学和临界条件 2.3 溶度参数 2.4 相分离动力学 2.5 Flory状态方程(equation of state)溶液理论
参考书
O.Olabisi , L.M.Robeson, M.T.Shaw 著《Polymer- Polymer Miscibility》 项尚田,沈剑涵,焦扬声等译:《聚合物-聚合物混溶性》 化学工业出版社,1987 第一版 内容: 1.绪论 2.聚合物间溶混性的热力学 3.测定聚合物-聚合物溶混性的方法 4.提高溶混性的方法 5.可溶混聚合物体系 6.可溶混聚合物体系的性能 7.可溶混聚合物的应用