第六章-聚合物共混物

1、第六章聚合物共混物,6.1 基本概念 高分子共混物是指两种或两种以上的均聚物或共聚物的混合物。高分子共混物中各高分子组分之间主要是物理结合，因此高分子共混物与高分子共聚物是有本质区别的。 在塑料工程界，高分子共混物又称为高分子合金。但在科学研究领域，把具有良好相容性的多组合高分子体系才叫做高分子合金，其形态结构为微观非均相或均相。那些相容性不很好，形态结构呈亚微观非均相或宏观相分离的高分子共混物不属于高分子合金之列。,高聚物共混的一般行为,1、制备高分子共混物的方法 机械共混法：将各高分子组份在混合设备如高速混合机，双辊混炼机，挤出机中均匀混合。机械共混法又有干粉共混法和熔融共混法之分。 共溶

2、剂法：又称溶液共混法，系将各高聚物组份溶解于共同溶剂中再除去溶剂，即得到高聚物共混物。 乳液共混法：将不同高聚物的乳液均匀混合再共沉析而得到高聚物共混物。 共聚一共混法，这是制备高聚物共混物化学方法。 各种互穿网络高聚物（IPN）技术 由于经济原因和工艺操作条件方面的优势，机械共混法用的最普遍制备某些高性能的高聚物共混物时也常使用共聚共混法。,2、高聚物共混改性的主要目的有： 综合均衡各高聚物组份的性能，取长补短，消除各单一高聚物在性能上的弱点，获得综合性能较为理想的高聚物材料。 使用少量的某一高聚物可以作为另一种高聚物的改性剂，改性效果显著，如在聚苯乙烯、聚氯乙烯等脆性材料中掺入10%-20

3、%的橡胶类物质，可使它们的冲击强度大幅度提高。 改善高聚物的加工性能，将流动性好的高聚物作为改性剂，在不影响其它性能的前提下降低材料的加工温度。 利用共混法可以制备一系列具有崭新性能的新型高聚物材料，如与含氯素等耐燃高聚物共混可制得耐燃高分子材料。 对某些性能卓越，但价格昂贵的工程塑料，可通过共混，在不影响使用要求条件下降低成本。,1、物理共混法 物理共混法是依靠物理作用实现高聚物共混的方法，工程界又常称之为机械共混法，共混过程在不同种类的混合或混炼设备中完成。 大多数高聚物的共混物均可用物理共混法制备，在混合及混炼过程中通常仅有物理变化。但有时由于强烈的机械剪切作用及热效应使一部分高聚物发生

4、降解，产生大分子自由基，继而形成少量接枝或嵌断共聚物，但这类反应不应成为主体。 以物理形态分类，物理共混法包括粉料（干粉）共混，熔体共混、溶液共混及乳液共混四类。,高分子共混物的制备方法,干粉共混法 将两种或两种以上品种不同的细粉状高聚物在各种通用的塑料混合设备中加以混合，形成均匀分散的粉状高聚物的方法，称为干粉共混法，用此种方法进行高聚物共混时，也可同时加入必要的各种塑料助剂。 经干粉混合所得高聚物共混料，在某些情况下可直接用于压制、压延、注射或挤出成型，或经挤出造粒后再用于成型。 优点：设备简单、操作容易。缺点：所用高聚物主要为粉状，若原料颗粒大，则需粉碎，干粉混合时，高聚物料温低于粘液温

5、度，物料不易流动，混合分散效果较差，一般情况下，不宜单独使用此法。,熔体共混法 熔体共混也叫熔融共混，此法可将共混所用高聚物组分在它们的粘流温度以上用混炼设备制取均匀的高聚物共熔体，然后再冷却，粉碎或造粒的方法。 聚合物I 冷却粉碎粉状共混料 初混合熔融共混 冷却造粒粒状共混料 聚合物II 直接成型,熔融共混法优点： 共混的高聚物原料在粒度大小及粒度均一性方面不像干粉共混那样严格，所以原料准备操作较简单。 熔融状态下，异种高聚物之间的扩散作用，使得混合效果显著高于干粉混合。共混物料成型后，制品内相畴较小。 在混炼设备强剪切力作用下，导致一部分高聚物降解并可能形成一定数量的接枝或嵌段共聚物，从而

6、促进了不同高聚物组合直接的相容。,选择熔融法共混时应注意如下问题： 各原料高聚物组合的熔融温度和热分解温度应相近，以免在一种高聚物组分的熔融温度下引起另一高聚物组分的分解，对热敏性高聚物尤要注意。 各原料高聚物组分在共同混炼温度下，应具有相近的熔体粘度，否则难以获得均匀的共混体系。 各原料高聚物组份在共同混炼温度的粘性模量值不易悬殊过大，因为弹性模量的差异会导致各高聚物组份受力不均，混炼设备所施加的剪切力将主要集中在弹性模量高的高聚物组份上，以至不仅影响混合效果还可能引起一种高聚物组分的过度降解。, 在其它工艺条件相同的情况下，延长混炼时间或增加混炼操作次数，在一定条件下虽可提高共混物料的均匀

7、性，但应避免高聚物有可能出现的过度降解以至由此而引起高聚物共混物料的劣化。 熔融共混法是一种最常用的高聚物共混法，与初混操作结合，一般可取得较满意的效果，其中又一挤出共混应用最广。,（3）溶液共混法 将原料各组份加入共同溶剂中，或将原料高聚物组分分别溶解，再混合，搅拌溶解混合均匀，然后加热蒸发或加入非溶剂共沉淀，使获得高聚物共混物。 溶液共混法运用于易溶高聚物和某些液态高聚物以及高聚物共混物以溶液状态被应用的情况。工业上应用意义不大。 （4）乳液共混法 将不同高聚物乳液一起搅拌混合均匀后，加入凝聚剂使异种高聚物共沉淀以形成高聚物共混体系。 当原料高聚物为高聚物乳液时，或共混物将以乳液形式应用时

8、，此法最有利。,2、共聚共混法,共聚共混法是制备高聚物共混物的一种化学方法，这一点与机械共混法显然不同。共聚共混法又有接枝共聚共混与嵌段共混之分，在制备高聚物共混物方面，接枝共聚共混法更为重要。 接枝共聚共混是首先制备一种高聚物（高聚物组分I），然后将其溶于另一高聚物（高聚物组分II）的单体中，形成均匀溶液后再依靠引发剂或热能引发，使单体与高聚物组分I发生接枝共聚，同时单体还会发生均聚作用，上述反应产物即高聚物共混物，它通常包含着三种主要高聚物组长，即高聚物I，高聚物II及以高聚物I为骨架接枝上高聚物II的接枝共聚物。接枝共聚组分的存在促进了两种高聚物组分的相容。所以接枝共混产物的相畴较机械共

9、混产物的相畴微细。,接枝共聚共混法生产高聚物共混物的设备与一般的聚合设备相同，即间歇式聚合工艺，釜式塔式等连续操作设备。 接枝共聚共混法由于性能优越，近年发展很快，应用范围逐步推广。目前主要应用于橡胶增韧塑料，例如抗冲聚苯乙烯及ABS树脂。,IPNs，是用化学方法将两种或两种以上的聚合物相互贯穿成交织网络状的一类新型复相聚合物共混材料，IPNs技术是制备聚合物共混物的新方法。,3、IPNs法 (互穿网络聚合物),IPNs法形成互穿网络高聚物共混物，是一种以化学法制备物理共混物的方法，其典型的操作是先制备一交联高聚物网络（高聚物I），将其在含有活化剂和交联剂的第二种单体中溶胀，然后聚合，于是第二

10、步反应所产生的交联高聚物网络与第一种高聚物网络互相贯穿，实现了两种高聚物的共混，在这种体系中，两种高聚物网络之间不存在接枝或化学交联，而是通过在两相界面区域不同链段的扩散和纠缠达到两相之间良好的结合，形成一种互穿网络高聚物共混体系，其形态结构为两相连续。,IPNs可分为：分步型、同步型、互穿网络弹性体及胶乳-IPNs等类型。 （1）分步型IPNs （2）同步型IPNs （3）互穿网络弹性体 （4）胶乳-IPNs,6.2 主要品种 6.2.1 以聚乙烯为基的共混物 6.2.2 以聚丙烯为基的共混物 6.2.3 以聚氯乙烯为基的共混物 6.2.4 以聚苯乙烯为基的共混物 6.2.5 其他聚合物共混

11、物,6.3 聚合物之间的互溶性 聚合物之间的互溶性亦称混溶性，与低分子物中溶解度相对应，是指聚合物之间热力学上的相互溶解性。 相容性与互溶性: 两者并不完全一致，例如两种聚合物的熔体黏度对比热力学互溶性并无直接关系，但对相容性却是很重要的参数。不过，总的来说，聚合物之间良好的互溶性是良好的相容性的基础。,6.3.1 聚合物/聚合物互溶性的基本特点: 聚合物分子量很大，混合熵很小,所以热力学上真正完全互溶即可任意比例互溶的聚合物对为数不多，大多数聚合物之间是互不溶或部分互溶的。当部分互溶性较大时，称为互溶性好；当部分互溶性较小时，称为互溶性差；当部分互溶性很小时，称为不互溶或基本不互溶。 表64

12、和表65,（1）聚合物/聚合物二元体系相图 图610 聚合物/聚合物相图的基本类型 （a）为任意比例互溶 （b）为具有最高临界互溶温度 （c）表示具有最低临界互溶温度 （e）同时具有最高临界和最低临界温度 （d）和（f）表示具有局部不互溶,（2）增容作用及方法 人们在研究高聚物共混物时，已经发现共混物的形态结构对其性能有着至关重要的影响，而其形态结构又首先受参与共混的高聚物组合之间的热力学相容性制约，对于大多数共混高聚物，各高聚物组分间尽管缺乏热力学相容性，但至少应具有工程相溶性。然而许多性能上频有互补的高聚物混合物，却因热力学相容性差，以至尽管采用强有力的混炼措施，也难以实现工程上的相容性，

13、尤其是共混操作完成后时间的延长，相分离现象越加明显，导致性能的不稳定和劣化。,参与共混的各高聚物组分之间在化学结构、极性、表面张力、分子量（粘度）上的巨大差异是造成高聚物共混物严重相分离的根源，而增容剂可以增加共混组分之间的相容性，强化高聚物之间的界面粘接。因而，增容剂的开发与应用十分必要。 高聚物增容剂有非反应型增容剂和反应型增容剂两类，下面分别介绍： （1）对于非反应性增容剂，应用最早最普遍的是一些嵌段共聚物和接枝共聚物，其增容作用包括：降低相界之间的界面能；在高聚物共混过程中促进相的分散；阻止分散相的凝聚；强化相之间的粘接。,（2）对于反应型增容剂，其增容原理与非反应型增容剂显著不同，这

14、类增容剂与共混物各组分之间形成了新的化学键，所以称之类化学增容，它属于一种强迫性增容，反应型增容剂主要是一些含有可与共混组份起反应的官成团的共聚物，它们特别适合于相容性差且带有易反应官能团的高聚物之间的增容，反应增容的概念包括，外加反应性增容剂与共混高聚物组分反应而增容；也包括使其混高聚物官能化并凭借相互反应而增容。 反应型增容剂：优点，用量少、效果好，缺点：易因副反应造成物性下降。 非反应型增容剂，优点，无副作用，使用方便，缺点：用量较多，效果较低，成本较高。,增容剂,增容剂的分类：,产生增容的方法有： 加入大分子共溶剂；在聚合物组分之间引入氢键或离子键以及形成互穿网络聚合物等。 （1）加入

15、增容剂 （2）混合过程中化学反应所引起的增容作用。 （3）聚合物组分之间引入相互作用的基团。 （4）共溶剂法和IPNs法。,6.3.2 聚合物/聚合物互溶性的热力学分析 根据热力学第二定律，对于理想溶液而言： 只有当Gm 0时，混合才能自发进行,对于聚合物体系而言：,理想溶液作比较，主要差别为： 1、以体积分数代替了摩尔分数 2、增加了含有12（Huggins-Flory相互作用参数）的第三项反映了HM 0对GM的影响。,解释UCST(最高临界温度)： 由于聚合物分子量很大，混合熵（Sm）很小，所以一般而言，聚合物之间的互溶度是很小的。即要让混合自由焓（ Gm 小于0），必须提高T值。即T达到

16、一定值时， Gm 才会小于0。,但是无法解释LCST现象，这是因为 一定为非负值，即Hm （混合热）一定为非负值，事实上，只有非极性聚合物才可能用溶解度参数衡量聚合物之间的互溶性。对极性聚合物，极性基团之间的相互作用常常起着关键的作用。 为了解释聚合物之间互溶性的复杂情况，发展了一系列的热力学理论：状态方程理论、气体晶格模型理论等。事实上对于聚合物聚合物体系，混合熵很小，常可以忽略，所以当 为零或负值时才可能使Gm (混合自由焓) 0 ，产生完全互溶。,可看作是三种力量组成：色散力、自由体积、特殊的相互作用力。 图614可解释LCST和UCST行为。,6.3.3 不互溶体系相分离理论,Flor

17、y和Huggins在二十世纪四十年代创立了高分子共混统计热力学理论。该理论指出：当两种高分子共混时，其混合自由能中熵项的贡献虽有利于混合，但由于聚合物的分子量较大，混合熵的贡献很小，而焓项不利于混合，存在热力学上分相的动力。,高分子共混体系在相分离时，通常遵循两种机理：成核增长机理（Nucleation and Growth，NG）以及SD相分离机理（Spinodal Decomposition）。 下图为一个典型的LCST体系相图，虚线为旋节线（Spinodal线），实线为双节线（Binodal线）,LCST 体系相图,在双节线和旋节线之间，体系处于介稳区，其相分离过程遵循NG机理，体系对有

18、限振幅的液滴状局部涨落失稳，由均匀成核理论来描述； 在旋节线内，体系处于非稳区，对无限小振幅的长波长的浓度涨落失稳，发生SD相分离，其初期行为由Cahn-Hilliard线性理论描述，后期由标度理论描述。,SD相分离是没有热力学位垒的自发过程 ，可形成三维共连续的形态结构。这种形态结构赋予聚合物共混物优异的力学性能，是某些聚合物共混物具有明显协同效应的原因。,由SD分相形成双连续结构体系示意图,Inoue和Bong认为在相结构的发展过程中可能通过两种路径来形成连续颗粒结构：,6.3.4 研究聚合物/聚合物互溶性的实验方法 研究聚合物相容性的方法的方法有很多。主要有：基于热力学为基础的溶解度参数

19、以Huggins-Flory相互作用参数1/2来判断互溶性。还可以采用玻璃化转变温度法，红外光谱法，反气相色谱法和黏度法等。工程上多用玻璃化转变温度法。,共混的Tg,完全相容,部分相容或完全不容,一个Tg,两个Tg,相容性观察方法总结,直接观察共混物的透光性,TEM (Transmission electron microscopy)透射电镜和SEM (Scanning electron microscopy)扫描电镜观察分散相粒子大小,测量共混物的 Tg - 玻璃化转变温度 (Glass transition temperature）的变化,透明：相容性好,浑浊：相容性差,共混体系形态 共混

20、体系物理性质 热力学方法,光学显微镜 电镜 小角X射线散射 小角中子散射,共混体系的玻璃化转变温度,直接测定共混聚合物间的混合热，或分子间相互作用参数,6.4 聚合物共混物的形态结构 聚合物共混物和聚合物合金的概念差异。 影响聚合物共混物的形态结构主要有三种类型： （1）热力学因素 （2）动力学因素 （3）在加工过程中，流动场诱发的形态结构。 例如：HIPS（高抗冲聚苯乙烯）,图1 PS/SBR-g-S 共混物“海岛”结构的TEM照片（10000）,a. “蜂窝”结构,图2 HIPS相结构的TEM照片,b. “细胞”结构,6.4.1聚合物共混物形态结构的基本类型,1. 单相连续结构,2. 两相

21、互锁或交错结构,3.互相贯穿的两相连续形态结构,4.含结晶聚合物的共混物形态特征,6.4.2聚合物共混物的界面层,界面层： 两种聚合物各自独立的相和两相之间的过渡区。界面层的结构对共混物的力学性能有决定性的影响。 1. 界面层的形成 1) 第一步是两相之间的相互接触 。2）第二步是两种聚合物大分子链段之间的相互扩散。 图628 途径：机械共混、IPNs技术、添加相容剂,2. 界面层厚度 界面层厚度可根据不同的理论进行估算。Ronca等提出界面层的计算公式： 式中：M聚合物分子量 Tc-临界混溶温度 Q与Tc和M有关的常数 T温度 k1-比例系数,根据Helfand理论，对于非极性聚合物，分子量

22、很大时，界面层厚度为： 表66 聚合物共混物的界面厚度层。,3. 界面层的性质 （1）两相之间的黏合 化学键结合、次价力结合 界面张力小，黏合强度大，互溶性程度高 （2）界面层大分子链的形态 界面层大分子尾端浓度要高于本体 （3）界面层分子量分级效应 若聚合物分子量分布宽，低分子量部分向界面区集中。 （4）密度及扩散系数 若无强作用力，一般界面层密度比本体小。 （5）其他添加剂,6.4.3 互溶性对形态结构的影响 两种聚合物的互溶性越好，就越容易相互扩散而达到均匀的混合，过渡区也就宽广。相界面越模糊，相畴越小，两相之间的结合力也越大。 两种极端情况： （1）两种聚合物完全不互溶，两种聚合物链段

23、间相互扩散的倾向极小，相界面很明显，混溶性差，相之间结合力很弱，共混性能差。 （2）聚合物完全互溶或互溶性极好，两种聚合物可相互完全溶解，而成为均相体系或相畴极小的微分散体系。力学性能也差。 表67 NBR的溶解度参数与AN含量的关系。,4.制备方法和工艺条件对形态结构的影响 同一种聚合物共混物，采用不同的制备方法，产物的形态结构会迥然不同。所以混合和加工的工艺条件，主要是指聚合物共混物熔体在混合及加工设备中各种不同的流动参数。,1. 制备方法的影响 图631，不同的方法制备的ABS形态结构对比。 2.流动参数的影响 聚合物熔体粘度的匹配,一般而言，聚合物共混物熔体在流动过程中可诱发以下几种形

24、态结构： 1）流动包埋 2）形成微丝状和微片状结构 3）由于剪切诱发聚结而形成的层状结构。,6.4.5 形态结构的测定方法,直接测定聚合物共混物形态结构的方法主要是显微分析法。 主要包括：光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）,6.5 聚合物共混物的性能 1.聚合物共混物性能与其组分性能的一般关系 双组分体系的性能与其组分性能之间的关系可用“混合物法测”。如：Tg、密度、电性能、模量等。 部分性能因组分间的共混情况，进行修正,2. 力学松弛性能 共混物力学松弛性能最大的特点就是力学松弛谱的加宽。使共混物有较好的阻尼性能可作防震和隔音材料。 3.模量与强度 1)模

25、量 可通过“混合物法则”估算，也可修正，并适用于填充改性。 2）强度 不能简单估算，大多数有协同效应,4. 聚合物共混物熔体的流变特性 与工艺条件关系密切 5.其他性能 1）透气性和可渗性 2）密度 3）电性能和光性能,6.6 橡胶增韧塑料的增韧机理 以橡胶为分散相的增韧塑料是聚合物共混物的主要品种。 一般而言，橡胶增韧塑料的特点是具有很高的抗冲击强度，常比基体树脂的抗冲强度高5-10倍甚至更多。 不同的制备方法，对界面的强度和形态结构影响很大。,6.6.2 增韧机理 关于橡胶增韧机理，有能量直接吸收理论，次级转变温度理论，屈服膨胀理论，裂纹核心理论。但往往都只能解释某个问题的的某个侧面。当前

26、，被普遍接受的是近几年发展的银纹剪切带空穴理论。 该理论认为：橡胶颗粒的主要增韧机理包括三个方面：a.引发和支化大量银纹并桥接裂纹两岸，b.引发基体剪切变形，形成剪切带，c.在橡胶颗粒内表面产生空穴，伴之以空穴之间聚合物链的伸展和剪切并导致基体塑性形变。,1. 银纹的引发和支化 橡胶颗粒的第一个重要作用就是充当应力集中中心源，诱发大量的银纹。 银纹在塑料中的极限扩展速率约为620m.s-1, 而在橡胶中约为29m.s-1,(弹性模量所致) 2.剪切带 橡胶颗粒的另一个重要作用就是引发剪切带的形成。 剪切带一般位于最大分剪切力的平面上，与所施加的张力或压力成45度角。,银纹和剪切带相互作用，相互

27、作用的结果就是促进银纹的终止，大幅度提高材料的强度和韧性。关于银纹化和剪切屈服所占的比例主要由以下因素决定: 1）基体塑料的韧性越大，剪切成分所占的比例越大。 2) 一般而言，张力提高银纹的比例，压力提高剪切带的比例。 3. 空穴作用 在冲击应力作用下，橡胶颗粒发生空穴化作用，这种空穴化作用将裂纹或银纹尖端区基体中的三轴应力转变为平面剪切应力，从而引发剪切带，吸收大量能量，提高冲击强度。如图651,1. 裂纹支化及终止,a. HIPS裂纹分支及终止的TEM照片（10000）,b. PS/SBR-g-S共混物冲击断面的“鳞片”状形态的SEM照片,橡胶增韧塑料的裂纹支化及终止,2. 多重银纹机理,

28、a. SAN/SBR-g-SAN共混物的多重银纹的TEM照片（80000）,b. PP/POE共混物缺口冲击断裂的应力发 白现象,图16 塑料/橡胶共混物的多重银纹结构及应力发白现象,3 剪切屈服机理,a. PS/SBR-g-S的“须根”结构,b. PVC/SBR-g-SAN的“勾丝”结构,图17 塑料/橡胶共混物冲击断面剪切屈服形态的SEM照片,4 空穴化机理,a空穴化结构,图18 SAN/SBR-g-SAN共混物冲击断面基体屈服空穴化的SEM照片 SBR-g-SAN用量（phr）：a 15；b 25；c 30,b高度空穴化结构,c高度空穴化“须根”结构,4.脆韧转变理论 来源： 对于脆性较

29、大的基体，橡胶颗粒增韧的最佳间距为5um，而对于韧性较大的基体，橡胶增韧的机理主要是由于塑性形变（剪切形变）引起的，少部分甚至没有银纹化。 脆韧转变机理：是有Wu提出来的，主要内容是：对于韧性较大的基体，橡胶颗粒之间的基体层厚度（称为基体韧带厚度）减小到一定值c，在冲击能作用下基体开始由脆性向韧性转变，发生屈服形变，表现为宏观行为。,临界基体层厚度理论,橡胶相粒子之间的粒面距离T、中心距离L和粒子直径d的模型,吴守恒公式： dcTc(/6r)1/3-1-1,式中dc为临界粒子直径，Tc为临界基体层厚度（或称橡胶相临界粒面距离），r为共混物中橡胶体积分数。,6.6.3 影响抗冲强度的主要因素 1

30、.树脂基体的影响 树脂分子量越大，树脂基体的韧性越大，橡胶增韧塑料的抗冲击强度随基体的韧性增大而提高。 2.橡胶相的影响 1）橡胶含量： 一般而言，橡胶含量越大，抗冲击强度提高。但对基体韧性较大的增韧塑料，存在一定的最佳值。 2）橡胶粒径的影响： 脆性基体，橡胶粒径在23um；韧性基体，橡胶粒径在0.10.2um。,3）橡胶相与基体树脂混溶性的影响 互溶性过小，相间黏合力不足，粒径过大，增韧效果差；互溶性过大，橡胶颗粒过小，甚至形成均相体系，不利于提高抗冲击强度。 4）橡胶相玻璃化温度的影响 一般而言，橡胶相的玻璃化温度越低，增韧效果越好。 5)橡胶颗粒内树脂包容物含量的影响 6)橡胶交联度的

31、影响 7)橡胶相与基体黏合力的影响,6.7 非弹性体增韧 1. 有机粒子增韧（ROF） ROF增韧的最大优点是：提高抗冲击强度的同时，并不降低材料的刚性，且加工流动性有所改善。 一般脆性聚合物，先用弹性体增韧，再用有机粒子增韧。 2.无机粒子增韧 无机粒子增韧，特别是纳米尺寸无机粒子增韧聚合物的研究日益受到重视。,3.非弹性体增韧作用机理 脱粘剪切屈服裂纹跨接理论。即增韧机理包括在冲击作用下粒子与基体的脱离、剪切屈服形变（塑性形变）和对裂纹的跨接与“钉牢”作用。,第七章 聚合物基复合材料 7.1 聚合物基宏观复合材料 1.概述 1.1结构类型：网状、层状、单向结构、分散状结构、锒嵌结构,1.2

32、.特点： 比强度，比模量大 例如高模量碳纤维环氧树脂的比强度为钢的5倍，为铝合金的4倍，其比模嚣为铜、铝的4倍。 耐疲劳性能好 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。而聚合物基复合材料中，纤维与基体的界面能阻止裂纹的扩展，破坏是逐渐发展的，破坏前有明显的预兆。大多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的3050，而聚合物基复合材料如碳纤维聚酯，其疲劳极限可达其拉伸强度的7080。 减震性好 复合材料中的基体界面具有吸震能力，因而振动阻尼高。 耐烧蚀性能好 因其比热大，熔融热和气化热大，高温下船吸收大量热能，是良好的耐烧蚀材料。 工艺性好 制造制品的工艺倘单，并且过载时安全性好。,2. 增

33、强剂 增强剂即指增强材料，是聚合物基复合材料的骨架；它是决定复合材料强度和刚度的主要因素。 2.1 主要品种 1）玻璃纤维 2）碳纤维 3）硼纤维及陶瓷纤维 4）芳纶纤维 5）其它纤维,2.2、增强材料的表面处理 增强材料的表面处理对提高聚合物基复合材料的性能有十分重要的作用。 (1)玻璃纤维韵表面处理 为了在玻璃纤维抽丝和纺织工序中达到集束，润滑和消除静电吸附等目的，抽丝时， 在单丝上涂有一层纺织型浸润剂，一般为石蜡乳剂，它残留在纤维表面上，妨碍纤维与基体体材料之间的粘接，从而会使复合材料的性能下降。因此，在制造复合材料之前必须将纤维上的浸润剂消除掉。并且，为了进一步提高纤维与基体之间的粘接

34、性能，一般还采用表面化学处理剂对纤维表面进行处理。表面处理剂的分子结构中，一般都带有两种性质不同的极性基团，一种基团与玻璃纤维结合，另一种基团能与聚合物基体结合，从而使纤维和基体这两种性质差别很大的材料牢固地连接起来。所以这种表面处理剂亦称为“偶联剂”。,（2）碳纤维的表面处理 碳纤维的整体组成主要为C、O、N、H，而表面层只含C、H、O。氧元素在表面层的存在，可增加反应性官能团的数量和种类，有利于基体的粘接。为提高碳纤维与聚合物的表面结合力，我们可以采用表面氧化和表面保护涂层等措施。,3.聚合物基体 根据聚合物的特性，聚合物基体可分为塑料、橡胶两类。 1）塑料 塑料的强度大都为5070MPa

35、，超过80MPa的几乎没有，模量一般为20003500MPa，没有超过4000MPa的。提高塑料的强度主要靠复合的方法。用增强剂增强后，力学性能可显著提高，拉伸强度可达1200MPa，拉伸模量可达5X104Mpa。表7-4列出了几种常见材料的力学性能。,塑料基复合材料，按基体特性分为热固性塑料基复合材料和热塑性塑料基复合材料。常用的增强剂，即增强材料有玻璃纤维、碳纤维、珊纤维、陶瓷纤维等。对聚合物基复合材料，如果不特别注明，习惯上都是指以塑料为基的复合材料。 热固性塑料基体以热固性树脂为基本成分，此外，尚含有交联剂，固化剂以及其它一些添加剂。常用的热固性树脂有不饱和聚酯，环氧树脂、酚醛树脂，呋

36、喃树脂等。不饱和聚酯主要用于玻璃纤维复合材料，如玻璃钢。酚醛树脂主要用于烧蚀复合材料。环氧树脂可用碳纤维增强制得高性能的复合材料。 主要的热塑性树脂基体有尼龙，聚烯烃类，苯乙烯类塑料(AS、ABS、PS)、热塑性聚酯和聚碳酸酯，其次还有聚缩醛，氟塑料，PVC，聚砜，聚苯撑氧，聚苯撑硫醚等。 用玻璃纤维增强后的热塑性塑料强度可提高23倍，耐疲劳性能和抗冲强度可提高24倍，抗蠕变性能提高25倍，热变形温度提高1020，热膨胀系数降低5070。,2）橡胶 常用的橡胶基体有天然橡胶，丁苯胶，氯丁胶，丁基胶、丁腈胶，乙丙橡胶，聚丁二烯橡胶，聚氨酯橡胶等。 橡胶基复合材料所用的增强材料主要是长纤维，常用的

37、有天然纤维，人造纤维，合成纤维，玻璃纤维，金属纤维等。近年来已有晶须增强的轮胎用于航空工业。 橡胶基复合材料与塑料基复合材料不同，它除了要具有轻质高强的性能外，还必须具有柔性和较大的弹性。纤维增强橡胶的主要制品有轮胎，皮带，增强胶管、各种橡胶布等。 纤维增强橡胶在力学性能上介于橡胶和塑料之间，近似于皮革。 纤维在橡胶基复合材料中的用量依制品的不同而异。例如：雨衣中纤维用量为6070，橡胶水坝所用的增强橡胶中含纤维3040，汽车轮胎中纤维含量为1015。炭黑虽具有补强作用，但不包括在增强材料之中。,4.制造及成型方法 5.界面 聚合物基复合材料一般是由增强纤维与基体树脂两相组成的，两相之间存在界面，通过界面使纤维与基体结合为一个整体并产生复合效果，使复合材料具备原组分所没有的特性。在复合材料中，纤维与基体之间界面的结构和状态对复合材料的性能起着很关键的作用。,1）界面的形成与界面结构 (a)界面的形成 界面的形成大体分为两个阶段。第一阶段是基体与增强材料的接触与润湿过程。由于增强材料对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附能力不同，它总是要吸附那些能降低其表面能的物质，并优先吸附那些能较多降低其表面能的物质，因此界面聚合物层在结构上