Нередко у нас возникает желание получить материал, который будет обладать свойствами двух разных материалов.
И кажется, что взять и смешать 2 полимера - гораздо проще, чем синтезировать новый материал, который обладал бы свойствами обоих.
Но взгляните на ПЭ и ПП: мы все помним правило «подобное растворяется в подобном», перед нашими глазами - неполярные углеводороды, но конфуз ситуации в том, что подавляющее большинство полимеров - не смешиваются.
И причина этого кроется во Втором законе термодинамики, про который, держу пари, многие из вас слышали, но мало кто помнит. Суть его в том, что в любая изолированная система естественным образом двигается в сторону увеличения энтропия.
Представьте, что вы потратили субботу на то, чтобы привести детскую комнату в идеальный порядок, а потом запустили туда детей и прикрыли за собой дверь ( запретив им играть в телефоны). Если вы загляните в комнату через полчаса - вы точно увидите 2 закон термодинамики в действии. Система стремится к беспорядку. И развернуть этот процесс вспять очень сложно.
Вещества, которые смешиваются - в смеси находятся в большем беспорядке, чем по отдельности, что делает их совместное пребывание весьма комфортным. Проблема полимеров в том, что они и так весьма и весьма разупорядочены и представляют собой клубок запутанных постоянно двигающихся молекул, энтропия их не слишком-то возрастает от смешивания, поэтому и происходит неохотно.
Чтобы получить смесь полимеров, придется напрячь память и вспомнить еще и Первый закон термодинамики, который говорит нам о том, что изменения происходят из состояния с большей энергией в состояние с меньшей (камню гораздо легче катиться с горы, чем на нее взбираться) - а значит, чтобы получить смесь, нужно чтобы она обладала меньшей энергией, чем каждый полимер в отдельности.
Такое случается в 2 случаях:
- если у полимеров наблюдается сродство структуры. Например, полистирол и полифениленоксид имеют в составе бензольные кольца, которые «любят» укладываться стопочками - и действительно смешиваются.
2. Ввиду взаимодействия стуктурных сегментов между собой.
Например, введение в цепь мономера с какими-то сильно электроотрицательными атомами (например, фтором), может сделать его более склонным к образованию смесей, потому такие атомы притягивают к себе электроны всех соседних атомов.
Иногда сегменты сополимера так сильно «не любят» друг друга, что предпочитают смешаться с третьим полимером. Например, полистирол и полиакрилонтрил сами по себе не смешиваются с полиметилметакрилатом, а сополимер - смешивается, потому что сильно полярным сегментам акрилонитрила и совершенно не полярным стирольным проще провзаимодействовать с ПММА, чем друг с другом.
Смешать не смешиваемое.
Существуют 2 способа приготовления «смесей»:
- Растворить 2 полимера в одном растворителе и подождать, пока он выпарится ( так себе идея)
- Использовать компаундер ( или говоря простым языком, экструдер) - то есть нагреть полимеры до температуры выше температуры их стеклования и перемешать буквально как тесто для пирога. Именно этим мы и занимаемся в отделе компаундирования
При этом мы помним, что большинство полимеров не смешиваются в классическом понимании этого слова, а значит «смесь» из таких полимеров можно образно представить как куриный бульон, в котором капли жира плавают в воде. Это несмешивающаяся смесь, 2 компонента которой вынуждены быть в виде одного твердого тела - именно это нечно мы и привыкли называть словом «компаунд».
И свойства компаундов очень любопытны. Немаловажную роль при этом играет морфология:
Например, под микроскопом фазовое распределение полибутадиена в полистироле выглядит примерно так:
Маленькие «резиновые» шарики удерживают хрупкий полистирол от разрушения и создают известный всем нам HIPS (скорее всего именно из него сделан поддон в шкафу для сушки посуды на вашей кухне).
Другая хорошо известная нам несмешивающаяся смесь - это ПЭТ и ПВС имеет другую морфологию:
Если бы бутылки для колы были сделаны из чистого ПЭТ, то при открывании вы не услышали бы знакомого «пшшш» - именно ПВС обеспечивает барьерные свойства и препятствует проникновению СО2 из бутылки наружу.
Поскольку такой компаунд - не истинная смесь, на термограмме образца мы увидим 2 перехода плавления и/или стеклования - это самый легкий способ отличить истинную смесь от компаунда.
Как правило механические свойства компаунда ниже, чем чистого полимера. Их увеличение достигается несколькими способовами:
- Путем изменения соотношения компонентов ( создание рецептуры)
- Путем корректировки режимов переработки (=компаундирования).
Кстати, наши технологи с удовольствием изобретут для вас компаунд, особенно если вы работаете с полиолефинами.
- Использованием компатибилизаторов - веществ, которые связывают несмешивающиеся фазы, уменьшают энергию раздела фаз.
Про добавки и наполнители к полимерам мы обязательно расскажем вам в следующий раз.
А пока, пользуясь случаем, напоминаю, что услугу по компаундированию и изготовлению опытных партий ваших образцов вы всегда можете заказать на нашем сайте: https://www.test-polymer.ru/