Смеси полимеров, состоящие из двух или более полимеров, обладают множеством достоинств и сфер применения благодаря своим комбинированным свойствам. Однако разделение фаз и низкая термостабильность являются общими проблемами несмешивающихся полимерных смесей, что может серьезно повлиять на их эффективность. Благодаря своему потенциалу улучшения однородности смеси и межфазной адгезии, процедуры компатибилизации имеют важное значение для повышения термостабильности полимерных смесей. В данной статье мы подробно рассмотрим способы, с помощью которых различные методы компатибилизации повышают термостабильность полимерных смесей, уделяя особое внимание реактивным, химическим и физическим методам. Мы рассмотрим особенности работы, преимущества, недостатки и области применения каждого метода.
Методы физической компатибилизации
С помощью модификации межфазных свойств методы физической компатибилизации направлены на повышение термостабильности полимерных смесей без использования химических реакций. Для повышения межфазной адгезии и однородности смеси эти методы зависят от физических взаимодействий. Было разработано множество методов физической компатибилизации, таких как:
a. Добавление поверхностно-активных веществ: ПАВ могут повысить однородность и термостабильность смеси за счет снижения межфазного натяжения несмешивающихся полимеров. ПАВ способствуют подвижности полимерных цепей на границе раздела фаз, снижая межфазное натяжение, что уменьшает риск разделения фаз и повышает термостабильность смеси.
b. Блок-сополимеры: На границе раздела несмешивающихся полимерных смесей блок-сополимеры могут самособираться, образуя межфазные слои, которые улучшают межфазную адгезию и уменьшают разделение фаз. Благодаря такому улучшению межфазной адгезии целостность смеси сохраняется при высоких температурах, что повышает термостабильность.
c. Наночастицы: Добавление наночастиц в полимерные смеси позволяет изменить межфазные характеристики и повысить термостабильность. Служа физическими связями между несмешивающимися полимерами, наночастицы улучшают межфазную адгезию и снижают межфазное натяжение. Устойчивость смеси к термическим нагрузкам повышается, а фазовое расслоение предотвращается благодаря повышенной адгезии.
Реактивное смешивание - это технология, при которой используются реактивные мономеры или олигомеры, способные вступать в реакцию с функциональными группами, содержащимися в полимерных цепях. Межфазная адгезия и совместимость смеси улучшаются за счет возникающих химических сшивок или реакций прививки, которые также повышают термическую стабильность смеси.
Методы химической компатибилизации
Для улучшения межфазного сцепления химические методы совместимости подразумевают добавление реактивных функциональных групп или химических модификаторов, которые могут вступать в реакцию с полимерными цепями. Создавая ковалентные связи между несмешивающимися полимерами, эти методы позволяют улучшить термостабильность смеси. Типичные методы химической компатибилизации включают следующие:
a. Функционализация: Реактивные функциональные группы которые могут вступать в реакцию с другими полимерными компонентами, добавляются к полимерным цепям в процессе функционализации. Благодаря созданию ковалентных связей между полимерами такая модификация повышает термостойкость и межфазную адгезию.
b. Соединительные агенты: Соединительные агенты могут вступать в реакцию с полимерными цепями и перекрывать интерфейсы, поскольку они имеют реактивные функциональные группы на обоих концах. Такое соединение повышает термостабильность смеси за счет увеличения межфазной адгезии.
c. Реактивные добавки: Чтобы вступить в реакцию с полимерными цепями, в систему смеси добавляют реактивные добавки, например реактивные олигомеры или мономеры. Образуя ковалентные соединения, эти добавки укрепляют совместимую сеть смеси и повышают ее термостойкость.
d. Полимеризация in situ: Этот тип полимеризации происходит, когда мономеры полимеризуются внутри системы смешивания. При использовании этого метода образуются новые полимерные цепи, химически связанные с обоими несмешивающимися полимерами. Возникающие ковалентные связи повышают термическую стабильность смеси.
Методы реактивной компатибилизации
В частности, образование ковалентных связей между несмешивающимися полимерами является основной целью подходов реактивной компатибилизации. Реактивные мономеры, функциональные группы или инициаторы используются в этих методах для запуска химических реакций на границе раздела фаз. Методы реактивной компатибилизации включают в себя:
a.Реактивная экструзия: При реактивной экструзии несмешивающиеся полимеры смешиваются в расплаве в присутствии реактивных мономеров или инициаторов. Это непрерывный процесс. Термическая стабильность смеси повышается во время экструзии благодаря тепловому и сдвиговому напряжению, которое способствует образованию ковалентных связей на границе раздела фаз.
b. Полимеризация in situ: Как уже было сказано, полимеризация in situ - это процесс полимеризации мономеров внутри системы смеси. Сополимерная сеть, которая образуется в результате совместимости реакционноспособных мономеров с обоими несмешивающимися полимерами, повышает термостойкость.
b. Химическая модификация: Методы химической модификации используют процессы последующей обработки для добавления реактивных функциональных групп к полимерным цепям. Создавая ковалентные связи с другими полимерными компонентами, эти функциональные группы повышают термостойкость смеси.
Улучшение механизмов термостабильности
Благодаря повышению однородности смеси, снижению межфазного натяжения и улучшению межфазной адгезии процессы компатибилизации, упомянутые выше, повышают термическую стабильность полимерных смесей. Благодаря этим улучшениям смесь остается целостной при высоких температурах и прекращается фазовое разделение. Эти методы повышают термостабильность за счет следующих механизмов:
a. Сильная межфазная адгезия между несмешивающимися полимерами в смеси поддерживается процедурами компатибилизации. Это позволяет сохранить структурную целостность смеси, даже если она подвергается тепловому воздействию, и остановить фазовое расслоение. Термическая стабильность повышается, когда межфазная адгезия усиливается за счет создания ковалентных связей, физических мостиков или межфазных слоев.
b. Снижение межфазного натяжения: Межфазное натяжение несмешивающихся полимеров снижается при таких методах компатибилизации, как добавление ПАВ или введение наночастиц. Разделение фаз затрудняется из-за снижения межфазного натяжения, что также улучшает смешивание полимеров. Помимо повышения подвижности полимерных цепей на границе раздела фаз, снижение межфазного натяжения также препятствует образованию слабых межфазных областей, что может привести к тепловой деградации.
c. Повышение однородности смеси: способствуя диспергированию одной полимерной фазы в другой, процессы компатибилизации повышают однородность смеси. В результате предотвращается образование больших доменов или агрегатов, склонных к термической деградации. Благодаря уменьшению количества локализованных областей с различными тепловыми характеристиками, равномерное распределение полимерных фаз в смеси повышает термическую стабильность.
d. Химическое сшивание: Ковалентные связи вводятся между несмешивающимися полимерами с помощью химических процессов совместимости, таких как функционализация или полимеризация in situ. Образуя совместимую сеть внутри смеси, эти ковалентные связи повышают термическую стабильность. Смесь становится более устойчивой к термической деструкции благодаря химическим сшивкам, которые ограничивают подвижность полимерных цепей.
Преимущества и ограничения
Использование процессов компатибилизации для повышения термостабильности полимерных смесей имеет различные преимущества. К ним относятся:
a. Повышенная термостабильность: Основным преимуществом методов компатибилизации является заметное повышение термостабильности полимерных смесей. Предотвращая разделение фаз и сохраняя структурную целостность смеси, эти методы позволяют достигать высоких температур, не вызывая деградации.
b. Индивидуальные свойства: Полимерные смеси с индивидуальными свойствами могут быть созданы с помощью процедур компатибилизации. Эти процедуры позволяют точно контролировать механические, термические и реологические свойства смеси, повышая ее однородность и межфазную адгезию.
c. Расширение сфер применения: Технологии совместимости обеспечивают улучшенную термическую стабильность, что расширяет сферу применения полимерных смесей. Теперь эти смеси могут применяться для материалов, используемых в аэрокосмической, автомобильной и электроизоляционной промышленности, где присутствуют высокие температуры.
Несмотря на преимущества, подходы, основанные на совместимости, имеют множество недостатков:
a. Сложность процесса: По сравнению с традиционными методами смешивания, методы компатибилизации могут быть более сложными и дорогостоящими из-за необходимости использования специального оборудования и процессов. Это может препятствовать их широкому применению в промышленности.
b. Проблемы совместимости: Эффективность выбранной стратегии и совместимость несмешиваемых полимеров определяют успех процедуры компатибилизации. В некоторых случаях может быть трудно достичь полной совместимости полимеров, что повредит их термической стабильности.
d. Совместимость материалов: Не каждая комбинация полимеров может выиграть от использования процессов совместимости. Для успешного повышения термостабильности необходимо выбрать правильные совместители и понять их совместимость с определенными полимерами. Спектр применения полимерных смесей расширяется благодаря процессам совместимости, которые также улучшают термостабильность.
К числу заслуживающих внимания приложений относятся:
a. Высокотемпературные материалы: Смеси компатибилизированных полимеров используются в электрических разъемах, деталях автомобильных двигателей и аэрокосмических материалах, а также в других высокотемпературных областях применения. Улучшенная термостабильность этих смесей позволяет им функционировать и сохранять структурную целостность в жестких условиях.
b. Упаковочные материалы: Для пищевых и фармацевтических продуктов, в частности, предпочтительны полимерные смеси с повышенной термостойкостью. Такие смеси устойчивы к процедурам стерилизации при высоких температурах без ущерба для целостности упаковки.
c. Биомедицинские материалы: Учитывая важность термостабильности в биомедицинских приложениях, смеси полимеров с компатибилизатором также полезны в этих областях. Повышенные эксплуатационные характеристики и биосовместимость делают их пригодными для использования в скаффолдах для тканевой инженерии, системах доставки лекарств и медицинских устройствах.
Методы компатибилизации необходимы для повышения термостабильности смесей полимеров. Эти методы улучшают однородность смеси, снижают межфазное натяжение и увеличивают межфазную адгезию с помощью физических, химических и реактивных средств. В результате повышается термостабильность смеси за счет предотвращения разделения фаз и сохранения ее структурной целостности. Подходы, основанные на совместимости, обеспечивают полимерным смесям индивидуальные качества и более широкое применение, несмотря на определенные ограничения. Потенциал полимерных смесей в различных отраслях промышленности будет раскрыт благодаря дальнейшему развитию этих процессов, что будет способствовать дальнейшему развитию материаловедения и инженерии.
