第18卷第4期 科学技术与辩证法 Vol.18 No.4 2001年8月 Science,Technology and Dialectics Aug.,2001 应用辩证法 浅析聚合物共混研究中的哲学原理 温变英，吴刚2 (北京化工大学材料科学与工程学院北京100029) 摘要：运用科学技术哲学的些原理对聚合物共混改性所究中的某些问避进行了分析思黄莪得了些 有益的启示，证明了自然辩证法原理的普适性及对科学研完的播导作用。 关键词：聚合物：共混：原：牌证法：结构：性能 中图分类号：T0311 文献标识码：A 文章编号：1003-56802001)040026-0B 作为现代科技革命的物质基础材料在工农业生产，国 引起广泛重视。大约一百年后，第一侧成功的聚合物共混物 防建设和科学技术各个领域中所占的地位是不可替代的 PVC/NBR在美国投产并申请了专利，特别是1946年作为 一种新材料的问世往往会给人们的生产和生活带来巨大变 PS增韧改性产物的A型一ABS(机械共混物)问世.其性图 化。1920年德国化学家施陶丁格尔发表了其具有划时代意 而韧.克服了PS最突出的特点一性脆此外AS树脂还 义的伟大著作—一《论聚合》，标志着人类对高分子材料的认 具有耐腐蚀性好，易于加工成型、可制造机械零件等优点，才 识和应用从天然走向了合成。合成高分子材料的出现是人 引起人们极大的兴趣和关注通过分析科学工作著们注 类材料研究史上的一次飞跃也是人类认识自然现象， 到ABS之所以具有知此卓越的性能是因为其组分A(丙烯睛 自然规律的 一次飞跃。然面，随着科学技术的不断进步和 )赋子其耐腐蚀性其 组分B(丁 二烯段)赋子其柔韧性其 们物质文化生活水平的提高，人们对材料也提出了越来越高 组分S(苯乙烯段)赋子其好的流动性，AS正是集 三者的 的要求。单一高分子材料在性能上的局限性逐渐满足不了现 处为一身才表现出优良的综合性能，人们通过对现象的分 代科技的需求，聚合物共混与复合应运而生并且成为过去 析提高了对本质的认识并将这些个别现象推广到一般。从 几十年米高分子材料科学与工程的研究热点。所谓共混是 此开拓了聚合物共混改性研究这一新的科学领域.据统 指借助于物理或化学的方法将两种或两种以上的聚合物携 计到，工业化一种新型聚合物.从研制到中试需近两亿美元 合在一起.其日的是取长补短，获得综合性能优良的高分子 的投资.而研究并工业化一种聚合物共混物只需数百方美 材料。下面我们将借助于科学技术哲学的 些思维方式对 元并且一些工程聚合物共混物的力学性能可与铝合金相 聚合物共混研究中的一些现象进行分析】 非均聚物可比拟】 因此聚合物共混物发展十分迅速 1产生一从分析走向综合 80年代塑料工业的年增长率为2 4%而聚合物共混物的 年增长率为9一10%。工程聚合物共混物的年增长率则达13 人类对材科的认识经历了以下阶段山，组成与性质 -17% 结构和功能一组成，结构和功能的综合研究.这一过程传 2性能一非加和性特征 现为从宏观到微观从个别到一般.从单一到复合，从经验到 理论的辩证发展.关于聚合物共混物的历史斗可追潮到 物顺的性能是其内部结构的表现，自然辩证法认为到 1846年，当时Hck将天然校散和古塔波散湿合制成了雨 白然系统具有整体性特征，系统整体性的内在根据在于系 衣这可谓是人类对聚合物共混的初步尝试可惜当时并未 统的结构。当各要素耦合为某一系统时，如果合不改变名 【收稿日期20-03一23 【作者简介们温变英(196一)，女，副教授北京化工大学在读博士，主要从事高分子材料的共混改性研究工作， 吴刚(1952一1男，教授，博士生导师.北京化工大乎材料科学与工程学院院长。主要从事歌向聚合物材料的结 构和性能及整合物的法混欢性研究 2018China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.hup www.cnki.ne
第 18 卷, 第 4 期 科 学 技 术 与 辩 证 法 Vol .18 No .4 2001 年 8 月 Science , Technology and Dialectics Aug ., 2001 ·应用辩证法· 浅析聚合物共混研究中的哲学原理 温变英1 ,吴 刚2 (北京化工大学材料科学与工程学院, 北京 100029) 摘 要:运用科学技术哲学的一些原理, 对聚合物共混改性研究中的某些问题进行了分析思考, 获得了一些 有益的启示, 证明了自然辩证法原理的普适性及对科学研究的指导作用。 关键词:聚合物;共混;原理;辩证法;结构;性能 中图分类号:TQ 311 文献标识码:A 文章编号:1003 -5680(2001)04-0026 -03 作为现代科技革命的物质基础, 材料在工农业生产、国 防建设和科学技术各个领域中所占的地位是不可替代的。 一种新材料的问世往往会给人们的生产和生活带来巨大变 化。1920 年, 德国化学家施陶丁格尔发表了其具有划时代意 义的伟大著作———《论聚合》 , 标志着人类对高分子材料的认 识和应用从天然走向了合成。 合成高分子材料的出现是人 类材料研究史上的一次飞跃, 也是人类认识自然现象、掌握 自然规律的一次飞跃。 然而, 随着科学技术的不断进步和人 们物质文化生活水平的提高, 人们对材料也提出了越来越高 的要求, 单一高分子材料在性能上的局限性逐渐满足不了现 代科技的需求, 聚合物共混与复合应运而生, 并且成为过去 几十年来高分子材料科学与工程的研究热点 。 所谓共混是 指借助于物理或化学的方法, 将两种或两种以上的聚合物掺 合在一起, 其目的是取长补短, 获得综合性能优良的高分子 材料。 下面我们将借助于科学技术哲学的一些思维方式对 聚合物共混研究中的一些现象进行分析。 1 产生 ———从分析走向综合 人类对材料的认识经历了以下阶段[ 1] :组成与性质——— 结构和功能———组成、结构和功能的综合研究。 这一过程体 现为从宏观到微观, 从个别到一般, 从单一到复合, 从经验到 理论的辩证发展。 关于聚合物共混物的历史[ 2] 可追溯到 1846 年, 当时 Hancook 将天然橡胶和古塔波胶混合制成了雨 衣, 这可谓是人类对聚合物共混的初步尝试, 可惜当时并未 引起广泛重视 。大约一百年后, 第一例成功的聚合物共混物 PVC/NBR 在美国投产并申请了专利, 特别是 1946 年, 作为 PS 增韧改性产物的 A 型-ABS(机械共混物)问世, 其性坚 而韧, 克服了 PS 最突出的特点——— 性脆, 此外, ABS 树脂还 具有耐腐蚀性好、易于加工成型、可制造机械零件等优点, 才 引起人们极大的兴趣和关注。 通过分析, 科学工作者们注意 到 ABS 之所以具有如此卓越的性能是因为其组分 A(丙烯腈 段)赋予其耐腐蚀性, 其组分 B(丁二烯段)赋予其柔韧性, 其 组分 S(苯乙烯段)赋予其好的流动性, ABS 正是集三者的长 处为一身才表现出优良的综合性能。 人们通过对现象的分 析提高了对本质的认识, 并将这些个别现象推广到一般, 从 此开拓了聚合物共混改性研究这一新的科学领域。 据统 计[ 3] , 工业化一种新型聚合物, 从研制到中试需近两亿美元 的投资, 而研究并工业化一种聚合物共混物只需数百万美 元, 并且一些工程聚合物共混物的力学性能可与铝合金相媲 美, 远非均聚物可比拟。 因此, 聚合物共混物发展十分迅速。 80 年代, 塑料工业的年增长率为 2 ～ 4 %, 而聚合物共混物的 年增长率为 9～ 10%, 工程聚合物共混物的年增长率则达 13 ～ 17%。 2 性能 ———非加和性特征 物质的性能是其内部结构的表现。 自然辩证法认为[ 4] , 自然系统具有整体性特征。 系统整体性的内在根据在于系 统的结构。当各要素耦合为某一系统时, 如果耦合不改变各 【收稿日期】 2001-03-23 【作者简介】 温变英(1964 -), 女, 副教授, 北京化工大学在读博士。 主要从事高分子材料的共混改性研究工作。 吴刚(1952 -), 男, 教授, 博士生导师, 北京化工大学材料科学与工程学院院长 。 主要从事取向聚合物材料的结 构和性能及聚合物的共混改性研究。 26
要素的性能，则系统的性能就呈现加和性特征：如果在摄合 泊)，其冷却后形成的固体粘度更大，并存在屈服应力，这 中要者的性能受利的南和洗择 致使原有的性能减弱， 中亚稳态在宏观上又是可以稳定存在的。 合加工 形成系统小于部分之和：如果在耦合中各要素的性能得到协 程中，流动场诱发形态结构发生变化 共混物熔体遵循教 调和放大.则形成整体大于部分之和，这种非加和性特征表 包使”原则即粘度大的聚合物易于被粘度小的聚合物所包 明物质系统的整体特征既不能归为它的要素的特性，也不是 容.温度在等粘点时有利于均匀分散。除温度以外压力的 其要素的简单堆积它所反映的是某种具有新质的内有 大小和作用方向、口模的形态和大小、浇口的位置和形状 系。作为 个新的有机的物颜系统聚合物共混物具有可 都能影响到聚合物共混物最后的形态， 若在混合和加工 的整体性特征，其整体性能与组分聚合物的性能之间的关系 程中发生了化学反应如剪切氧化、酯交换反应，或剪切诱导 符合上述原理.尽管参与共混的各个组分聚合物在性能上 结品.则共混物的形态将产生新的变化。(4)共混物组分的 是相互独立的，然而其共同形成的共混物的性能却 是其细 配比 如有 AB两种聚合物进行共混 在总量不变的情况 性能的简单算术 均值，聚合物共混物的性能不仪 聚合物A的加入量由少变多，而聚合物B的加入量由多 组分的性能有关，而且与其内部的微观形态结构、界面作用 变少，则共混物AWB可出现的形态变化过程是：A球分散于 等密切相关.具体来说，两相间结合力的大小、界面层厚度 棒分散于B中 A,B形成交错的层状结构 界面层结构两相的连续性。 分散相的相畴尺寸以及分散相 B棒分散于A中 -B球分散于A中 此形态的变化 颗粒的形状等都是影响其性能的重要因素。 因此比起 过程服从于量变质变原理。这种聚合物A或聚合物B从分 聚合物来说。聚合物共混物的结抱吏加复杂.定量恤描术其 散相到连续相的转变称为相逆转，需要指出的是，大多数聚 结物和性能间的关系也更为闲难。从理论上.只有当参上 合物共混物发生相逆转时其组成配比并不是5050从以上 共混的两均聚物 子水平的混合时，其共混物 为性育 可以看出 ,聚合物 内形态是随过程 而变化的其 是两组分性能的算术平均值 事实上由于聚合物分子尺 形态结构具有多层次性且各种形态对性能的影响也是不 的石大，和使是热力学上相容的体系也很难形成直正的均相 样的，欲达到一种理想的形态结构，需要形成过程中各种因 结构.且这种共混物在实用上意义不大，直正使聚合物共混 素的协同作用.因此，它们既相互依存.又相互制约，是一种 物呈现异彩纷呈性能的是那些宏观均匀而微观上呈两相 辩证统一的关系 共混体系，如檬胶以粒子形式分散在型料中的增韧体系 4相容性 实现良好共混的关键因素 如HPS),.一种聚合物以层状形式分散于另一种聚合物中的 阻晒体系（例如PPA共是物）。前者使料基体的韧性大 通过对聚合物共混物性能及形态的分析，我们可以看出 大增加远大于两组分的算术平均值。后者使两 共混物的形态结构对其性能有着至关重要的影响而其形态 具有阻隔性能的聚合物具有了阻隔性能，呈现整体大于部分 结构又首先受参与共混的聚合物之间的相容性的制约。从 之和的非加和性特征。正是这种整体大于部分之和的非加 热力学的角府来看，聚合物之间的相容性就是聚合物之间的 和性特征使聚合物共混物具有了强大的生命力，得到了迅速 相互溶解性.即两种聚合物形成均相体系的能力。聚合物之 的发展 间的相容性存在两种极端情况其一是完全不相容、表现在 两种聚合物链段之间相互扩散的倾向极小，相之何结合力很 3形态 状态与过程的统 弱相界面明显.其结果是混合效果筹.址湿物性能不好，其 如前所述.聚合物共湿物内部的形态结构是影响其性能 是完全相容.表现在两种聚合物相互完全溶解而形成均相 的首要因素，而形态是过程的函数 共混物的形态受诸多因 或相畴极小的微分散体系。 这两种极端情况都不是共混政 素的影响概括起来有下列几个主要方面：(1)热力学因素。 性的日的 ·散而言，我门新需要的是两种展合物有适当的 如聚合物之间的相互作用参数、界面张力等。平衡热力学可 相容性.从而制得相陆大小话宜，相之间结合力较强的复相 用以预期共混物最终的平衡结构是均相还是多相结构：相分 结构的共混产物。根据热力学第二定律，两种液体等温混合 离可形成组成均匀的层或分散结构， (2)动力学因素 相分 时，只有混合自由焰 △G<0混合过程才能自发进行 而△ 离动力学决定平衡结构能香到达或达到的程度。G机理 H一T△S,聚合物分子的结构特点又决定了其△S是很 (即成核增长相分离)一般形成分散结构：SD机理（反相 的.过分提高温度下会导致隆解因此，若使△G之0，我们贝 散)一般形成交错层状的其连续结物由于状态是过程的 有让△H尽可能地小 而大多教聚合物在其共混时吸热.围 函数因此在某一时刻将共混物骤冷.则可保持 当时的状 H 所以真正在热力 学上相容的 取 物对并不多。大多 某一形态结构，骤冷程度越大.聚结的起始尺寸越小 数聚合物之在热力学上不相容或只有分相容性。为 例如由100m隆至10m。相态的结构尺，十随时间的延长 性能上互补而相容性不佳的两种聚合物实现良好的共混 而趋于平衡热力学所预期的最终值，由加工条件和时间的 在共混研究的过程中生了增容技术且体方法有加入增 限制，这种平衡结构 般难于达到 所以大多 容剂 加入大分子共溶剂、在聚 合物组分之间引入氢键或离 混物的形态是热力学上的亚稳态，采用增容的方法可提高相 子键以及形成互穿网络等，这一技术符合自然层次的稳定 分离力所形成结构的稳定性，事实上，由于聚合物分子之间 性原理。该原理认为：自然尽次的稳定性直接决定于层次 的维结以及分子量的巨大使聚合物熔体的粘度很大(10 结合能的大小，每一特定的系统层次结构都与 ·定的能量相 21994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnk7
要素的性能, 则系统的性能就呈现加和性特征;如果在耦合 中各要素的性能受到约束和选择, 致使原有的性能减弱, 则 形成系统小于部分之和;如果在耦合中各要素的性能得到协 调和放大, 则形成整体大于部分之和 。 这种非加和性特征表 明物质系统的整体特征既不能归为它的要素的特性, 也不是 其要素的简单堆积, 它所反映的是某种具有新质的内在联 系。作为一个新的有机的物质系统, 聚合物共混物具有明显 的整体性特征, 其整体性能与组分聚合物的性能之间的关系 符合上述原理。 尽管参与共混的各个组分聚合物在性能上 是相互独立的, 然而其共同形成的共混物的性能却不是其组 分性能的简单算术平均值。 聚合物共混物的性能不仅与其 组分的性能有关, 而且与其内部的微观形态结构、界面作用 等密切相关。 具体来说, 两相间结合力的大小、界面层厚度、 界面层结构、两相的连续性、分散相的相畴尺寸以及分散相 颗粒的形状等都是影响其性能的重要因素。 因此, 比起单一 聚合物来说, 聚合物共混物的结构更加复杂, 定量地描述其 结构和性能间的关系也更为困难。 从理论上讲, 只有当参与 共混的两均聚物达到分子水平的混合时, 其共混物的性能才 是两组分性能的算术平均值。 事实上, 由于聚合物分子尺寸 的巨大, 即使是热力学上相容的体系也很难形成真正的均相 结构, 且这种共混物在实用上意义不大。 真正使聚合物共混 物呈现异彩纷呈性能的是那些宏观均匀而微观上呈两相的 共混体系, 如橡胶以粒子形式分散在塑料中的增韧体系(例 如 HIPS), 一种聚合物以层状形式分散于另一种聚合物中的 阻隔体系(例如 PE/ PA 共混物)。 前者使塑料基体的韧性大 大增加, 远大于两组分的算术平均值, 后者使两种原先都不 具有阻隔性能的聚合物具有了阻隔性能, 呈现整体大于部分 之和的非加和性特征。 正是这种整体大于部分之和的非加 和性特征使聚合物共混物具有了强大的生命力, 得到了迅速 的发展。 3 形态———状态与过程的统一 如前所述, 聚合物共混物内部的形态结构是影响其性能 的首要因素, 而形态是过程的函数。 共混物的形态受诸多因 素的影响, 概括起来有下列几个主要方面:(1)热力学因素, 如聚合物之间的相互作用参数、界面张力等。 平衡热力学可 用以预期共混物最终的平衡结构是均相还是多相结构 ;相分 离可形成组成均匀的层或分散结构。(2)动力学因素。 相分 离动力学决定平衡结构能否到达或达到的程度。 NG 机理 (即成核增长相分离)一般形成分散结构;SD 机理(反相扩 散)一般形成交错层状的共连续结构[ 2] 。 由于状态是过程的 函数, 因此在某一时刻将共混物骤冷, 则可保持当时的状态 ———某一形态结构。 骤冷程度越大, 聚结的起始尺寸越小, 例如可由 100nm 降至 10nm 。 相态的结构尺寸随时间的延长 而趋于平衡热力学所预期的最终值, 由于加工条件和时间的 限制, 这种平衡结构一般难于达到。 所以, 大多数聚合物共 混物的形态是热力学上的亚稳态, 采用增容的方法可提高相 分离力所形成结构的稳定性。 事实上, 由于聚合物分子之间 的缠结以及分子量的巨大, 使聚合物熔体的粘度很大(10 4 泊)[ 5] , 其冷却后形成的固体粘度更大, 并存在屈服应力, 这 种亚稳态在宏观上又是可以稳定存在的。(3)在混合加工过 程中, 流动场诱发形态结构发生变化。 共混物熔体遵循“ 软 包硬” 原则, 即粘度大的聚合物易于被粘度小的聚合物所包 容, 温度在等粘点时有利于均匀分散。 除温度以外, 压力的 大小和作用方向、口模的形态和大小、浇口的位置和形状等 都能影响到聚合物共混物最后的形态。 若在混合和加工过 程中发生了化学反应如剪切氧化、酯交换反应, 或剪切诱导 结晶, 则共混物的形态将产生新的变化 。(4)共混物组分的 配比。 如有 A、B 两种聚合物进行共混, 在总量不变的情况 下, 聚合物 A 的加入量由少变多, 而聚合物 B 的加入量由多 变少, 则共混物 A/ B 可出现的形态变化过程是:A 球分散于 B 中———A 棒分散于 B 中———A、B 形成交错的层状结构 ———B 棒分散于 A 中———B 球分散于 A 中。 此形态的变化 过程服从于量变质变原理。 这种聚合物 A 或聚合物 B 从分 散相到连续相的转变称为相逆转。 需要指出的是, 大多数聚 合物共混物发生相逆转时其组成配比并不是 50/50。 从以上 分析可以看出, 聚合物共混物的形态是随过程而变化的, 其 形态结构具有多层次性, 且各种形态对性能的影响也是不一 样的 , 欲达到一种理想的形态结构, 需要形成过程中各种因 素的协同作用, 因此, 它们既相互依存, 又相互制约, 是一种 辩证统一的关系。 4 相容性 ———实现良好共混的关键因素 通过对聚合物共混物性能及形态的分析 , 我们可以看出 共混物的形态结构对其性能有着至关重要的影响, 而其形态 结构又首先受参与共混的聚合物之间的相容性的制约。 从 热力学的角度来看, 聚合物之间的相容性就是聚合物之间的 相互溶解性, 即两种聚合物形成均相体系的能力。 聚合物之 间的相容性存在两种极端情况, 其一是完全不相容, 表现在 两种聚合物链段之间相互扩散的倾向极小, 相之间结合力很 弱, 相界面明显, 其结果是混合效果差, 共混物性能不好;其 二是完全相容, 表现在两种聚合物相互完全溶解而形成均相 或相畴极小的微分散体系。 这两种极端情况都不是共混改 性的目的。 一般而言, 我们所需要的是两种聚合物有适当的 相容性, 从而制得相畴大小适宜、相之间结合力较强的复相 结构的共混产物。 根据热力学第二定律, 两种液体等温混合 时, 只有混合自由焓 ΔG<0 , 混合过程才能自发进行。 而 ΔG =ΔH -TΔS , 聚合物分子的结构特点又决定了其 ΔS 是很小 的, 过分提高温度 T 会导致降解, 因此, 若使 ΔG <0 , 我们只 有让 ΔH 尽可能地小。 而大多数聚合物在其共混时吸热, 即 ΔH >0, 所以真正在热力学上相容的聚合物对并不多, 大多 数聚合物之间在热力学上不相容或只有部分相容性。 为了 使性能上互补而相容性不佳的两种聚合物实现良好的共混, 在共混研究的过程中产生了增容技术。 具体方法有加入增 容剂 、加入大分子共溶剂、在聚合物组分之间引入氢键或离 子键以及形成互穿网络等。 这一技术符合自然层次的稳定 性原理。 该原理认为[ 4] :自然层次的稳定性直接决定于层次 结合能的大小, 每一特定的系统层次结构都与一定的能量相 27
对应在 定结合能的阀值内层次性质是稳定的， 且超更 近客观科学事实的 其结合能的阀值，层次性质就会发生突变，且结合能大的程 定性高。增容正是通过提高相界面处的结合能而增加了共 6发展 一继承与创新 混物相态结构的稳定性，从以上分析可以看出。良好的相容 科学的发展需要我们一方而继承前人的成果.一方而进 性是实现良好共混的前提。两种聚合物的相容性越好就 行新的发现和创造 继承可以使科学知识延续，扩大和加 容易相互扩散而达到均匀混合，其过渡区也就越广，相界面 深是科学连续发展的纽带。但它只是科学发展中的量变.只 越模糊，相畴越细两相间的结合力也越大，共混物的性能也 有在维承的基础上讲一步突破和创新，木能造成科学发居中 就越好4，所以影响共混效果的关键因素是聚合物之间的 的质变和飞跃，科学发展中的创新一般是较正确的理论代 相容性，认识到这 点就把提住 “矛盾的主要方面 替了错误的或不完善的理 例如在聚合物共混物界面 人们 5增韧理论一从定性到定量 结的问愿上最初曾认为是越强越好随着研究的深入 才认识到适当的界面脱粘可以耗敢共混物吸收的外部能量 由于聚合物共混最初以增韧为目的.所以增切理论的牙 对共混物强度和韧性的提高是有利的。正是这种继承与包 展代表了聚合物共混理论的研究水平 早期的增韧理论 新的反复交替推动着科学水无止境地前进， 在科学发展的 如能量吸收理论，裂纹核心理论等从唯象的观点对橡胶增韧 过程中，各门学科都有自己的研究对象（即物质世界的不同 翅料的机理进行了有限的解释，这些林孝的思想给增韧机理 层次).也各有自己的理论体系和研究方法，但是在科学技术 的研究奠定了基础。现今的增韧理论较前已经有了很大的 和现代工业发展中又在互相靠近，互相交叉和互相渗透 进步，如银 剪切带理论认为：橡胶增加塑料的韧性不 聚合物共混改性研究在众多研究者的努力下 虽然取得了很 但与橡胶相有关而且与树脂连续相有关，增韧的主要原因 大的成功.但在增容技术、界面性能，形态结构及共混理论等 是银纹或剪切带的大量产生和银纹与剪切带的相互作用 方面还有许许多多的课题有待我们进行更深入的探索和研 橡胶颗粒在体系中具有两个作用。其一是作为应力集中中心 究件随着固体物理，固体化学，材料化学及地球化学等其它 诱发大量银纹或剪切带，其二是控制银纹的发展并及时 学科的发展。聚合物共混改性研究必将结出更丰硕的成果 银纹而防止其成为破坏性的裂纹，大量银纹或剪切带的 综上分析，自然辩证法原理蕴涵于聚合物共混改性研究 需消耗大量的能量因而可以大大提高材料的冲击强度。 中的许多方面。云用刮学书术哲学的分析方法村骤会物共湿 外银纹或剪切带所占的比例与基体的性质有关 的韧 改性研究领域中的问题进行思考，将有助于我们正确认识这 性越大 剪切带所 占的比例越高：同时也与形变速率有 新型物质系统的内部组 关系以及结构和 变速率增加时，银纹化所占的比例提高 生论由于成 性能之间的关系，在研究中少走弯路，促进其研究和发展， 解释了一系列实验事实而被广泛接受，但仍处于定性阶段 增韧理论研究的 个新突破是S.Wu将耗散结构理论应用 【参考文就 于增初体系而提出的 渗模型理论 耗散结构理论议 刂中国自然辩证法研究会化学化工专业组.化学哲学基础 个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与 IM.北京：科学出版社，1986.499. 量.在外界条件的变化达到一定的圆值时.可能从原米混神 】吴培起，张留诚.聚合物共混改性出，北京：中国轻工业 无序的杂乱状态变成一种时间、空间或功能上的有序 出是1006 耗散结构 S.Wu的逾渗模型认 为：橡胶以球形 3 L A.V cki Polymer A lloys and Blends Thermodynamic 散于基体塑料中时.每个橡胶粒子都是一个应力集中点 and Rhelogv.Hanser Publishers.Munich Vienna New 应力作用范用可用一个平面应力球来表示，每个粒子产华的 York.Chapter L 1990 应力杨可以相百加.相影 出馋胶粒子的 直径或料 盛维勇，张明国。王东梅.科学技术哲学教程M北京 距达到 临界值（即逾渗阀值）时，整个体系将形成 中国环境科学出版社2000 渗通道，此时材料发生脆韧转变 对照耗散结构理论，即 9贺子如。高聚物粘弹性模型化研究过程中的排证法』】 形成了功能上的有序状态.S.Wu将这一模型应用于PA6 自然排证法研完.1993(9).30 DN增韧体系.获得了满意的解释并进而给出了临界有 日温变英聚甲醛与增初改性剂的相客性研究】.塑料 子间距普适判据的数学表达式 尽管上述理论还存在 19993).1 陷.例如没有考虑粒子形状及粒径分布，并把立体的应力场 [7温交夹.增初理论概划刀.塑轩.1999(4).7. 简化为平面应力场.但其贡献在于将增韧理论从定性推到了 18苏勉曾.材料化学展月.大学化学.19953.6 定量的高度 作者认为.增韧理论的量化是理论指导实践的 一次成功尝试 类对自然科学规律的认识总是从实 (青任编辑般杰) 一认识 再实践 -再认识的循环中得以提高.进而通 2894-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All riahts reserved
对应, 在一定结合能的阈值内层次性质是稳定的, 一旦超过 其结合能的阀值, 层次性质就会发生突变, 且结合能大的稳 定性高。 增容正是通过提高相界面处的结合能而增加了共 混物相态结构的稳定性。 从以上分析可以看出, 良好的相容 性是实现良好共混的前提。 两种聚合物的相容性越好就越 容易相互扩散而达到均匀混合, 其过渡区也就越广, 相界面 越模糊, 相畴越细, 两相间的结合力也越大, 共混物的性能也 就越好[ 6] 。 所以, 影响共混效果的关键因素是聚合物之间的 相容性, 认识到这一点就把握住了矛盾的主要方面。 5 增韧理论———从定性到定量 由于聚合物共混最初以增韧为目的, 所以增韧理论的发 展代表了聚合物共混理论的研究水平。 早期的增韧理论[ 7] 如能量吸收理论、裂纹核心理论等从唯象的观点对橡胶增韧 塑料的机理进行了有限的解释, 这些朴素的思想给增韧机理 的研究奠定了基础。 现今的增韧理论较前已经有了很大的 进步, 如银纹———剪切带理论认为:橡胶增加塑料的韧性不 但与橡胶相有关, 而且与树脂连续相有关。 增韧的主要原因 是银纹或剪切带的大量产生和银纹与剪切带的相互作用。 橡胶颗粒在体系中具有两个作用, 其一是作为应力集中中心 诱发大量银纹或剪切带, 其二是控制银纹的发展并及时终止 银纹而防止其成为破坏性的裂纹, 大量银纹或剪切带的产生 需消耗大量的能量, 因而可以大大提高材料的冲击强度。 此 外, 银纹或剪切带所占的比例与基体的性质有关, 基体的韧 性越大, 剪切带所占的比例越高;同时也与形变速率有关, 形 变速率增加时, 银纹化所占的比例提高。 该理论由于成功地 解释了一系列实验事实而被广泛接受, 但仍处于定性阶段。 增韧理论研究的一个新突破是 S .Wu 将耗散结构理论应用 于增韧体系而提出的逾渗模型理论。 耗散结构理论认为[ 4] , 一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能 量, 在外界条件的变化达到一定的阈值时, 可能从原来混沌 无序的杂乱状态变成一种时间、空间或功能上的有序状态 ———耗散结构。S .Wu 的逾渗模型认为:橡胶以球形粒子分 散于基体塑料中时, 每个橡胶粒子都是一个应力集中点, 其 应力作用范围可用一个平面应力球来表示, 每个粒子产生的 应力场可以相互叠加、相互影响, 当橡胶粒子的直径或粒间 距达到某一临界值(即逾渗阈值)时, 整个体系将形成一条逾 渗通道, 此时材料发生脆韧转变———对照耗散结构理论, 即 形成了功能上的有序状态。 S .Wu 将这一模型应用于 PA6/ EPDM 增韧体系, 获得了满意的解释, 并进而给出了临界粒 子间距普适判据的数学表达式[ 7] 。 尽管上述理论还存在缺 陷, 例如没有考虑粒子形状及粒径分布, 并把立体的应力场 简化为平面应力场, 但其贡献在于将增韧理论从定性推到了 定量的高度。 作者认为, 增韧理论的量化是理论指导实践的 一次成功尝试。 人类对自然科学规律的认识总是从实践 ———认识———再实践———再认识的循环中得以提高, 进而逼 近客观科学事实的。 6 发展 ———继承与创新 科学的发展需要我们一方面继承前人的成果, 一方面进 行新的发现和创造。 继承可以使科学知识延续、扩大和加 深, 是科学连续发展的纽带, 但它只是科学发展中的量变, 只 有在继承的基础上进一步突破和创新, 才能造成科学发展中 的质变和飞跃。 科学发展中的创新一般是较正确的理论代 替了错误的或不完善的理论。 例如在聚合物共混物界面粘 结的问题上, 最初曾认为是越强越好, 随着研究的深入, 人们 才认识到适当的界面脱粘可以耗散共混物吸收的外部能量, 对共混物强度和韧性的提高是有利的。 正是这种继承与创 新的反复交替推动着科学永无止境地前进。 在科学发展的 过程中, 各门学科都有自己的研究对象(即物质世界的不同 层次), 也各有自己的理论体系和研究方法, 但是在科学技术 和现代工业发展中又在互相靠近、互相交叉和互相渗透 [ 8] 。 聚合物共混改性研究在众多研究者的努力下 , 虽然取得了很 大的成功, 但在增容技术、界面性能、形态结构及共混理论等 方面还有许许多多的课题有待我们进行更深入的探索和研 究, 伴随着固体物理、固体化学、材料化学及地球化学等其它 学科的发展, 聚合物共混改性研究必将结出更丰硕的成果 。 综上分析, 自然辩证法原理蕴涵于聚合物共混改性研究 中的许多方面, 运用科学技术哲学的分析方法对聚合物共混 改性研究领域中的问题进行思考, 将有助于我们正确认识这 一新型物质系统的内部组成、各组分之间的关系以及结构和 性能之间的关系, 在研究中少走弯路, 促进其研究和发展。 【参 考 文 献】 [ 1] 中国自然辩证法研究会化学化工专业组.化学哲学基础 [ M] .北京:科学出版社, 1986 .499 . [ 2] 吴培熙, 张留诚.聚合物共混改性[ M] .北京:中国轻工业 出版社, 1996. [ 3] L.A.Vtracki, Po lymer Alloys and Blends:Thermodynamics and Rheolo gy , Hanser Publishers, Munich Vienna , New York , Chapter I, 1990. [ 4] 盛维勇, 张明国, 王东梅.科学技术哲学教程[ M] .北京: 中国环境科学出版社, 2000. [ 5] 贺子如.高聚物粘弹性模型化研究过程中的辩证法[ J] . 自然辩证法研究, 1993(9).30 . [ 6] 温变英.聚甲醛与增韧改性剂间的相容性研究[ J] .塑料. 1999(3).1 . [ 7] 温变英.增韧理论概说[ J] .塑料.1999(4).7. [ 8] 苏勉曾.材料化学展望[ J] .大学化学 .1995(3).6. (责任编辑 殷 杰) 28