8

10 Композиты на основе полимеров и жидкостей

При совмещении полимера и низкомолекулярной жидкости может произойти их взаимное растворение с образованием истинного раствора. Условием этого является неравенство:

ΔG = ΔH – TΔS ≤ 0 ,

где ΔG – изменение энергии Гиббса системы при растворении, ΔH – изменение энтальпии системы, T – температура, ΔS – изменение энтропии системы при растворении.

Образование истинного раствора жидкости в полимере принято называть их совместимостью. В противном случае происходит ограниченное набухание полимера в жидкости. При отсутствии совместимости механическое смешение приводит к коллоидному диспергированию жидкости в полимере. Образующаяся под действием механического смешения эмульсия является термодинамически и агрегативно неустойчивой системой и поэтому может расслаиваться. Расслаивание вследствие большой вязкости системы происходит очень медленно при хранении и эксплуатации системы. Это проявляется в помутнении системы, выделении капелек жидкости на поверхности изделия.

Истинные растворы полимеров в низкомолекулярных жидкостях представляют собой термодинамически устойчивые равновесные системы, обладающие очень высокой вязкостью. Даже 5 %-ный раствор высокомолекулярного полимера в низкомолекулярной жидкости может иметь консистенцию студня. В случае преобладающего содержания полимерного компонента раствор сохраняет достаточно высокие деформационно-прочностные свойства. Понятно, что набухание полимера в жидкости приводит к повышению его эластичности и снижению жесткости. Такое воздействие жидкости нашло широкое практическое применение для регулирования свойств полимерных материалов и получило название пластификация.

10.1 Основы пластификации полимеров

Смещение температуры стеклования полимеров в область более низких температур под действием введенных веществ называется пластификацией. Пластификаторы – вещества, способные смещать температуру стеклования полимеров в область более низких температур.

Однако пластификаторы вводят не только для снижения температуры стеклования, но и для снижения модуля упругости, температуры текучести, вязкости полимеров, повышения эластичности, деформируемости материала при воздействии механических нагрузок во всех трех физических состояниях – стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Но критерием, определяющим наличие явления пластификации и его эффективности, является смещение температуры стеклования полимеров в область более низких температур.

При растворении жидкости в полимере макромолекулы оказываются окруженными молекулами этой жидкости. Это ведет к понижению взаимодействий между макромолекулами. Кроме того, молекулы низкомолекулярной жидкости являются более подвижными и легче обмениваются местами, чем макромолекулы полимера. Снижение межмолекулярного взаимодействия и наличие в системе подвижного низкомолекулярного компонента ведет к повышению молекулярной подвижности всей системы. Это вызывает изменение всего комплекса свойств полимера: изменяются его прочностные, деформационные, температурные, реологические электрические свойства.

С молекулярной точки зрения под пластификацией полимеров понимается увеличение подвижности структурных элементов полимера при введении в него специально подобранных жидкостей – пластификаторов, не взаимодействующих химически с полимером.

Из механизма пластификации следует, что макромолекулы полимера должны быть разделены молекулами пластификатора. Выполнение этого условия предусматривает обязательную растворимость пластификатора в полимере. Кроме того, молекулы пластификатора должны обладать значительно более высокой подвижностью, чем макромолекулы полимера.