(1) 溶解度參數。溶解度參數是由卡查德把內聚能密度概念引入希爾德布蘭德方程中導出的。根據希爾德布蘭德理論,溶質和溶劑的混合熱正比于他們溶解度參數的平方,如方程所示:
式中 :δ———溶劑溶解度參數
φ1 ———溶劑的體積分數
φ2 ———溶質的體積分數
一般來說,熵項有利于溶解,而焓項對溶解起反作用。高聚物的溶解度參數與溶劑小分子的溶解度參數相近時,就容易溶解,即 “相似相溶”,單位時間內吸附到容器表面的溶劑量增多,從而導致滲透量變大。對于非極性高聚物,溶劑與高聚物的溶解度參數差小于 3.5(J/cm 3 )1/2 時可發生溶解。
(2) 玻璃化溫度。液體、固體的宏觀體積從微觀看可分成兩部分:一是分子本身占有體積,是體積的主要部分;二是分子堆砌形成的空隙或未占有的“自由體積”,如具有分子尺寸的空穴和堆砌缺陷等。這種未被占據的自由體積,即是溶劑小分子滲透移動的場所。
在玻璃化轉變溫度以上時,自由體積較大,產生的 “空隙”也較大,材料處于高彈態。在溫度變化過程中,材料體積的變化由分子占有體積和自由體積的共同變化組成。在溫度降低時,自由體積減小,降至玻璃化轉變溫度時,自由體積降到最低值,使分子鏈段被“凍結”,材料處于玻璃態。在玻璃態中,材料體積只取決于分子占有體積的變化,自由體積保持不變。因此,在相同溫度下,較低的玻璃化溫度有較大的自由體積分數,溶劑的滲透作用越強,滲透率越高。
凡是能影響分子鏈柔性的因素,都對玻璃化溫度有影響。減弱分子鏈柔性或增加分子間作用力的因素,如引入剛性基團或極性基團、交聯和結晶都使玻璃化溫度升高,而增加分子鏈柔性的因素,如加入增塑劑、引進柔性基團等都使玻璃化溫度降低。高聚物的剛性 ( 或柔性) 可用剛性系數 D 表示。部分高聚物的玻璃化溫度與剛性系數列于下表。從表中可以看出, D值越小高聚物越柔順,玻璃化溫度就較低。
部分高聚物的玻璃化溫度( Tg) 與剛性系數( D) 的關系
高聚物 |
Tg / ℃ |
D |
聚乙烯 |
-68 |
1. 63 |
聚異丁烯 |
- 20 |
|
聚丙烯 |
-10 ~18
|
|
聚氯乙烯 |
70 ~87
|
2. 3 2 |
聚苯乙烯 |
87 |
2. 3 |
分子的幾何立構對玻璃化溫度也產生影響,分子結構規整有利于分子收斂,使分子內旋轉受到限制,故能提高玻璃化溫度。側基和側鏈對玻璃化溫度的影響較復雜,一般分子鏈帶有龐大側基時,由于空間位阻使內旋轉困難,因而玻璃化溫度增高。
分子鏈間的相互作用降低鏈的活動性,分子鏈間作用力越強,為達到相應的轉變,鏈段運動所需的熱能也越大,因此玻璃化溫度就越高,例如含極性取代基的聚丙烯腈的玻璃化溫度比含非極性取代基的聚丙腈高,而取代基的極性越大,玻璃化溫度也越高。
(3) 結晶性能。結晶度的高低對高聚物的耐油性能有著重要的影響。由于結晶區域形成緊密的分子鏈堆積,油溶劑分子在此區域很難溶解和擴散,因此認為油溶劑分子不能從結晶區域滲透。而對于非晶區域,由于分子鏈堆積相對松散,油溶劑小分子較易通過,因此油溶劑小分子的滲透一般只發生在非晶區或結晶有缺陷的區域。
塑料基材在從熔體冷卻時,分子鏈能有序的排列起來,形成結晶態。這種過程是分子鏈進行三維有規則排列的過程,首先要求分子鏈具有柔性。因此,高聚物的結晶作用只發生于線性、支鏈型或交聯度不高的網狀高聚物中,交聯程度較高的體型結構高聚物如酚醛樹脂、硬橡膠等根本不能結晶。支鏈型高聚物由于支鏈的存在,使分子鏈的柔性降低,規整性也降低,不易進入晶格,因而使結晶度降低。例如,低密度聚乙烯 (LLPE),其結晶度為60%,而高密度聚乙烯(HDPE) 結晶度則為 85%~95%。
結晶時分子鏈力求形成緊密堆砌結構,因此其化學結構越簡單,鏈的對稱性越高,取代基越小,就越容易結晶。例如, PE和PTFE的分子,主鏈上全是碳原子,沒有雜原子,也沒有不對稱碳原子,所以它們能達到很高的結晶度,HDPE 的結晶度可達 95%,而一般結晶態高聚物的結晶度通常在50%左右。如果PE 或 PTFE的重復單元上的一個氫原子被氯原子非對稱地取代,變成PVC和聚三氟乙烯,它們的結晶能力會大大降低。
一般來說,分子鏈柔性大,則易結晶。分子鏈間作用力大的高聚物通常柔性都較差,不利于鏈運動進行有規則的排列,因此不利于結晶。但從另一方面看,分子間作用力大有利于分子收斂緊密,所以一旦結晶,其結晶結構會比較穩定。例如,具有較強極性基團的聚酰胺、聚酯、聚脲、聚氨基甲酸等都有較高的結晶度。
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