聚合物共混改性中分散相的分散过程与集聚过程

在聚合物共混过程中，同时存在着分散过程与集聚过程这一对互逆的过程。

首先，共混体系中的分散相物料在剪切力作用下发生破碎，由大颗粒经破碎逐渐变为小粒子。由于在共混过程的初始阶段，分散相物料的颗粒尺度通常是较大的，即使是粉末状原料，其粒径也远远大于所需的分散相粒径，所以这一破碎过程是必不可少的。

在共混的初始阶段，由于分散相粒径较大，而分散相粒子数目较少，所以破碎过程占主要地位。但是，在破碎过程进行的同时，分散相粒子互相之间就会发生碰撞，并有机会重新集聚成较大的粒子。这就是与破碎过程逆向进行的集聚过程。破碎过程与集聚过程的示意图如下图所示。

破碎过程是界面能增大的过程，需在外力的作用下才能完成。而集聚过程则是界面能降低的过程，是可以自发进行的。

影响破碎过程的因素，主要来自两个方面，其一是外界作用于共混体系的剪切能，对于简单的剪切流变场而言，单位体积的剪切能可由下式表示：

E=τγ=ηγ²

式中 E --单位体积的剪切能；

τ--剪切应力；

η--共混体系粘度；

γ--剪切速率。

影响破碎过程的另一个方面的因素，是来自分散相物料自身的破碎能。分散相物料的破碎能可由下式表示：

E_Db=E_DK+E_Df

式中 E_Db--分散相物料的破碎能；

E_DK--分散相物料的宏观破碎能；

E_Df --分散相物料的表面能。

其中，表面能E_Df与界面张力σ和分散相的粒径都有关系。宏观破碎能则取决于分散相物料的粘滞力，包括其熔体粘度、粘弹性等。

很显然，增大剪切能E可使破碎过程加速进行，可采用的手段包括增大剪切应力τ或增大共混体系的粘度。而降低分散相物料的破碎能（包括降低宏观破碎能E_DK，或降低分散相物料的表面能），也可使破碎过程加速。

作为破碎过程逆过程的集聚过程，是因分散相粒子的相互碰撞而实现的。因此，集聚过程的速度就决定于碰撞次数和碰撞的有效率。所谓碰撞的有效率，就是分散相粒子相互碰撞而导致集聚成大粒子的几率。而碰撞次数则决定于分散相的体积分数、分散相粒子总数，以及剪切速率等因素。

在共混过程中，初始阶段占主导地位的是破碎过程，而随着分散相粒子的粒径变小，分散相粒子数目增多，集聚过程的速度就会增大。反之，对于破碎过程而言，由于小粒子比大粒子难以被破碎，所以随着分散相粒子的粒径变小，破碎过程的速度会逐渐降低。于是，在破碎过程与集聚过程之间，就可以达到一个平衡值，即被称为平衡粒径。

有研究人员根据上述关于破碎过程与集聚过程的影响因素，提出一个关于分散相平衡粒径与共混体系粘度、剪切速率、界面张力、分散体积分数、分散相物料宏观破碎能、有效碰撞几率的关系式：

R*=12PσΦ_D/π/(ηγ-4PΦ_D E_DK/π)

式中 R*--分散相平衡粒径；

P--有效碰撞几率；

σ--两相间的界面张力；

Φ_D--分散相的体积分数

η--共混物的熔体粘度；

γ--剪切速率；

E_DK--分散相物料的宏观破碎能。

这一关系式，为进一步探讨降低分散相粒径的途径，创造了有利的条件。