聚合物共混複合改性簡明教程（簡體書）

聚合物共混復合改性是拓展聚合物功能、降低成本、提高性價比，並獲得新材料的重要方法。本書從聚合物共混改性熱力學出發，在闡述共混物相容性、相形態和界面結構等基本概念和基本知識的基礎上，重點介紹形態和結構的調控手段及其對性能的影響，以及共混物的制備方法和加工工藝，幫助讀者建立高分子材料加工-結構-性能三者之間的緊密聯繫；在此基礎上，進一步介紹聚合物復合材料相關知識，涵蓋填料的類型和表面改性、界面設計及性能調控等，並以兩類典型的復合材料體系（連續纖維增強和無機粉體改性）為例，深入淺出地介紹聚合物復合材料的結構設計方法和性能調控手段。由於聚合物共混復合材料的多尺度和多層次結構調控及定制是共混復合改性的核心，因此本書力求將“定構”的思想融入各部分內容。本書既包含有最基本的理論知識，又介紹了共混復合改性的最新研究進展，可以作為一本基礎與應用緊密結合的教學和科研參考書。本書可作為高等院校高分子專業及其相關專業的本科生教材，或碩士研究生的參考書，也可供從事高分子材料研究、成型加工、復合材料設計及新產品開發等領域的科研技術人員閱讀參考。

傅強，四川大學教授，國務院學科評議組（材料科學與工程）成員、四川省本科教學指導委員會-材料類專業教學指導委員會主任委員；長江學者特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、國家自然科學基金委創新研究群體項目團隊帶頭人、四川省學術和技術帶頭人，入選國家百千萬人才工程。講授《聚合物共混改性原理》《高分子材料的環境與可持續發展》兩門本科生專業核心課程。從教30多年來，始終堅持在教學科研一線，積極投身教學改革與學科建設，搭建了高水平的教學團隊，將科研成果與本科教學緊密結合在一起，以科研促教學，推動科研成果進講義（教材）、進課堂，引 領本科教學從基礎走向學術與應用前沿。在多年的教改實踐過程中，努力探索新工科教育的新途徑，積極實踐新課程標準，將理論與實踐教學相結合，精心設計實用性、創新性強的教學案例，既拓寬同學們的視野，又增強他們思考、分析和解決問題的能力，形成了“活、實、新、趣”的教學風格。有許多學生已成長為國內高校和世界知名企業的骨幹。組織和參與了一系列本科教學改革項目，獲得了第六屆中國石油和化工教育教學優秀成果一等獎（2022年）、四川大學教學成果獎特等獎（2021年）等教學獎勵，並多次受邀在國內會議上分享“四川大學高分子材料與工程專業教學改革與成效”。科研方面，長期從事高分子材料成型加工和聚合物共混改性與納米復合材料的研究，將高分子加工與高分子物理相結合，深入研究高分子加工過程的物理化學問題，在高分子共混復合材料的形態控制和定構加工方面，取得了水平較高、創新性強的學術成就與貢獻。承擔並完成了國家自然科學基金重點項目、重大儀器基金項目、重大國際合作項目、創新群體項目、面上項目以及科技部973/863、、四川省等多項縱向科技項目。同時，積極與國內外多家企業開展合作，解決了大量工程技術問題。累計發表學術論文600余篇，其中SCI收錄400余篇，SCI他引15000余次；獲準國家發明專利50余項。獲得獲國家技術發明二等獎等獎勵和榮譽。

聚合物共混改性主要是指通過物理的方法，將不同種類的聚合物或聚合物與無機粒子、有機物等混合，以改進原聚合物的各種性能，如成型加工性能、力學性能，或賦予原聚合物所沒有的新的功能特性，如導電、導熱、阻隔、形狀記憶、自修復等，從而制備新型聚合物材料以滿足各種應用需求的有效手段。聚合物共混改性既涉及共混過程中各組分之間的相互作用和調控以及最終產物的結構與性能關係的構建，也包含共混改性所必需的成型加工設備、混合工藝的設計和選擇等，已發展成為聚合物材料與工程領域的一個重要分支。通過共混改性手段制備的各類聚合物材料，包括各種共混物或復合材料，已在航空航天、汽車、電子電器、食品包裝、紡織、機械、建築等諸多行業領域獲得廣泛應用，並推動了這些行業的快速發展。
我國在聚合物共混改性領域的研究起步相對較晚，20 世紀80 年代這個領域才逐漸引起國內學者和工程技術人員的重視，並出現了一些具有針對性的專業教材，大大推動了共混改性技術的發展和應用。隨著科技的發展以及聚合物材料應用領域的逐步擴大，新的共混理論、加工設備和共混新材料不斷出現，聚合物共混改性這門學科近年來也獲得了快速發展，得到越來越多的重視。目前，全國設立高分子材料與工程專業的高校接近130 所，年均招收聚合物相關專業本科生近萬人；如果加上從事與聚合物共混改性相關工作的研究所、工程中心以及企業研發人員，則數量巨大。高校所設置的高分子材料與工程專業培養計劃中，大多數設有與聚合物共混改性相關的課程。然而，現有教材的內容尚不能很好地反映聚合物共混改性這門學科所取得的最新成果以及發展趨勢。根據聚合物共混改性的實質和所涉及的知識要點，將影響聚合物共混物和復合材料的相容性、形態、界面結構、理化性能、成型工藝等內容有機整合，編寫一本能夠充分反映材料加工-結構-性能三者關係和聚合物共混改性的最新進展的專業教材，十分必要。
本教材是在四川大學高分子科學與工程學院為高分子材料專業本科生開設的“ 聚合物共混改性原理”這門課程的教學內容基礎上，經整理而成的，書中的部分圖表為授課時所用講稿修改完善而成。眾所周知，四川大學高分子材料學科是我國的品牌和優勢學科，是國內規模最大的人才培養基地之一，也是全球四大高分子研究和教學中心之一。參與編寫本書的各位人員均長期從事與聚合物共混改性相關的教學和科學研究工作，對聚合物共混改性具有一定的見解。本書的編寫分工如下：第1 章緒論由傅強編寫；第2 章由楊其、黃亞江、牛艷華等編寫；第3 章、第4 章由王柯編寫；第5 章由白紅偉編寫；第6 章由陳軍編寫；第7 章由任顯誠編寫；第8 章由蔡緒福編寫；第9 章由張琴、吳凱編寫；由西南交通大學化學學院王勇對全書進行修改，傅強進行最後統稿並定稿。
與其他涉及共混改性的教材或專業圖書相比，本教材的特點主要表現在如下幾個方面：①內容編排更為全面，從影響共混物性能的最基本要素（相容性、形態結構、界面結構等）出發，再到共混物及其復合材料制備的共混工藝和技術，最後過渡到共混復合材料的制備、結構調控及功能化等內容；②突出了成型加工在聚合物共混物（或復合材料）制備中的作用，通過大量案例分析，有意識地強化對聚合物加工-結構-性能關係的理解；③除了基本的概念和基礎知識外，盡可能引用目前國內外有關聚合物共混改性研究的最新成果作為案例；④通過設置大量啟發性、開放性的思考題，鼓勵讀者思考高性能多功能聚合物共混物及復合材料的制備方法、結構調控手段，並預測材料的性能。
盡管我們作了很大的努力，但囿於編者的學識水平，書中不足及疏漏之處在所難免，敬請讀者不吝賜教。
本書編寫過程中得到了很多同仁的幫助，例如四川大學楊鳴波教授和李忠明教授、杭州師範大學李勇進教授、北京化工大學寧南英教授等，同時采納了眾多學者或工程技術人員的思想與成果，對此深表感謝。

傅強
於四川成都

第1章 緒論 001
1.1 聚合物共混復合改性的重要性 001
1.2 聚合物共混復合的基本概念 005
1.3 聚合物共混復合材料的發展趨勢 006
參考文獻 008

第2章 聚合物共混物的相容性理論 009
2.1 聚合物共混物的熱力學相容性概述 009
2.1.1 基本概念 009
2.1.2 相的熱力學穩定性 010
2.1.3 影響聚合物共混物相容性的因素 012
2.2 聚合物共混物相容性的熱力學理論 015
2.2.1 Flory-Huggins 平均場理論 015
2.2.2 EOS 理論 017
2.2.3 兩種相容性理論的比較 018
2.2.4 其他相容性理論 018
2.3 聚合物共混物相分離機理及動力學 019
2.3.1 成核與生長機理 019
2.3.2 不穩分相機理 021
2.3.3 相分離後結構的粗大化機理 022
2.4 特殊條件下聚合物共混體系的相行為 022
2.4.1 黏彈相分離 022
2.4.2 剪切流動對相分離的影響 024
2.5 聚合物共混物相容性研究方法 025
2.5.1 濁度法 025
2.5.2 光學顯微鏡法 026
2.5.3 電子顯微鏡法 026
2.5.4 玻璃化轉變溫度測定法 027
2.5.5 散射法 027
2.5.6 動態流變學方法 028
思考題 031
參考文獻 031

第3章 聚合物共混物的形態結構 032
3.1 聚合物共混物的形態結構 033
3.1.1 共混物相形態的類型 033
3.1.2 二元共混物的典型相形態 034
3.1.3 共混物的相反轉行為 038
3.1.4 含結晶組分共混物的形態結構 040
3.1.5 三元共混物的複雜形態結構 042
3.1.6 共混物相形態的表征技術 044
3.2 加工中共混物的形態發展與調控 046
3.2.1 影響共混物相形態的因素 046
3.2.2 加工過程中共混物形態調控新技術 051
思考題 056
參考文獻 056

第4章 聚合物共混物的界面設計與增容 057
4.1 聚合物共混物界面的基本概念及性質 057
4.1.1 界面的形成 057
4.1.2 界面層厚度 058
4.1.3 界面層的性質 059
4.2 聚合物共混物的界面增容改性 060
4.2.1 聚合物共混體系界面設計方法 060
4.2.2 增容劑及其種類 060
4.2.3 增容劑的作用 061
4.2.4 共混物非反應型增容的實例 064
4.3 聚合物共混物的反應型增容改性 067
4.3.1 反應型增容的類型及特點 067
4.3.2 反應性加工及其在共混物增容改性中的運用 070
思考題 077
參考文獻 077

第5章 聚合物共混物的性能 078
5.1 聚合物共混物的力學性能 078
5.1.1 共混物的熱-力學性能 078
5.1.2 共混物的彈性模量和機械強度 079
5.1.3 共混物的屈服 081
5.1.4 共混物的衝擊性能 084
5.2 共混物的其他性能 091
5.2.1 光學性能 091
5.2.2 氣體阻隔性能 091
5.3 聚合物共混物性能的預測 092
5.3.1 並聯與串聯模型關係式 092
5.3.2 共混物性能-組分關係的Nielsen公式 093
5.4 高性能聚合物共混物的設計：向大自然學習 094
思考題 096
參考文獻 096

第6章 聚合物共混物的工藝實現與加工設備 097
6.1 聚合物共混物制備技術 097 6.1.1 發展歷史 097
6.1.2 共混方法在聚合物共混改性中的重要性 098
6.1.3 聚合物共混方法的分類 100
6.2 聚合物物理共混的工業實施 103
6.2.1 固態粒（粉）共混 103
6.2.2 熔體共混 104
6.2.3 新型熔體共混方法 112
6.3 物理-化學共混方法 115
思考題 118
參考文獻 119

第7章 聚合物粉體填充改性 120
7.1 粉體填料的基本性質 121
7.2 填料分類、特點及用途 123
7.2.1 常用粉體填料品種及特性 123
7.2.2 主要功能性填料品種及特性 126
7.3 粉體填料的表面處理 130
7.3.1 填料表面作用機理和表面處理劑 130
7.3.2 表面處理劑的分散包覆技術 134
7.3.3 粉體填料的其他表面改性方法 135
7.3.4 聚合物基體的增容改性 135
7.4 填充聚合物的結構與性能 137
7.4.1 填充聚合物的構成 137
7.4.2 粉體填料在聚合物中的形態 138
7.4.3 填料與樹脂的界面 139
7.4.4 填料對熱塑性塑料的綜合影響 141
7.5 典型的填料改性舉例 144
7.5.1 無機剛性粒子增韌聚合物基復合材料 144
7.5.2 導電復合材料 145
7.5.3 導熱復合材料 147
7.5.4 阻燃聚合物復合材料 149
思考題 149
參考文獻 150

第8章 非連續纖維增強改性熱塑性聚合物 151
8.1 概述 151
8.1.1 纖維增強熱塑性聚合物的原材料及其特點 151
8.1.2 纖維增強熱塑性復合材料分類 153
8.1.3 非連續纖維增強熱塑性復合材料的結構形式 154
8.2 非連續纖維增強熱塑性塑料的增強機理 155
8.2.1 連續纖維增強復合材料的模量和強度 156
8.2.2 非連續纖維增強復合材料的應力傳遞理論 158
8.2.3 單向短纖維復合材料的彈性模量和強度 161
8.2.4 空間隨機取向短纖維增強復合材料的彈性模量和強度 162
8.3 短纖維增強聚合物基復合材料制備技術 163
8.3.1 短纖維增強熱塑性塑料制備方法概述 163
8.3.2 制備短纖維增強熱塑性塑料的雙螺桿擠出機結構特點 164
8.4 長纖維增強熱塑性復合材料制備技術 166
8.4.1 概述 166
8.4.2 長纖維增強熱塑性復合材料造粒技術 167
8.4.3 長纖維增強在線配混並直接成型技術 171
思考題 174
參考文獻 174

第9章 聚合物納米復合材料 175
9.1 用於制備聚合物納米復合材料的填料種類 175
9.1.1 零維納米填料 176
9.1.2 一維納米填料 176
9.1.3 二維納米填料 178
9.1.4 雜化納米填料 181
9.2 納米復合材料的制備方法 181
9.2.1 溶膠-凝膠法 182
9.2.2 原位聚合法 182
9.2.3 共混法 183
9.2.4 插層法 183
9.3 納米復合材料的性能 184
9.3.1 力學性能 184
9.3.2 熱穩定性 187
9.3.3 阻燃性能 187
9.3.4 氣體阻隔性 188
9.3.5 導電性能 189
9.3.6 介電性能 190
9.3.7 導熱性能 193
9.3.8 相變儲熱性能 195
9.3.9 形狀記憶性能 197
9.3.10 力學或功能的自修復性能 198
9.4 結語 199
思考題 199
參考文獻 200