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(jù)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(qū)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(xiàn)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(xiàn)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(chuàng)新


              將是有意義的。


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

              材料便是以聚合物為連續(xù)相,而填料(顏料)為非連續(xù)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(wěn)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(tài)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(yōu)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(jù)需要進行設計。

              聚合物合金的理論和應用的發(fā)展和復合材料一樣將對涂料發(fā)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(xiàn)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(xù)相,軟而韌的橡膠成為分散相(微區(qū))

              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?jīng)_擊時,處于高彈態(tài)的橡膠粒子的存在有利于能量吸收,使橡膠的韌性得以發(fā)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(xù)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(qū)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(xiàn)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(fā)展成宏觀的兩相,聚合物合金是處于一種亞穩(wěn)的狀態(tài)。

              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(xiàn)分層現(xiàn)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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(lián)結,但兩區(qū)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(lián)聚合物用含有引發(fā)劑和交聯(lián)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(lián)度不太大的乳膠,將此乳膠作為種子,再加單體和引發(fā)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(lián)的,各層的交聯(lián)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(xù)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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