聚合物在化学介质的作用下,力学性能和化学性能会发生变化。这是由于在特定介质条件(介质种类、温度、时间及应力)作用下,大分子结构(主价键、分子间力)或材料结构(填料、增强材料、增塑剂)发生变化。
当固体聚合物材料与介质(包括气体、蒸气或液体)接触时,由于大分子热运动,材料内部的自由体积(空隙)发生迁移,使介质分子向内部渗透、扩散。因此,凡是对大分子运动过程及介质分子运动有影响的因素,均对介质的渗透、扩散有影响。首先是聚合物材料结构的影响,其次是介质、温度、压力等的影响。
凡阻碍聚合物大分子链运动的因素(如结晶,交联)都会使聚合物渗透系数减小,结晶性聚合物的渗透系数随结晶度的增大而降低。聚合物渗透系数越小其耐溶剂性越好。
化学介质的极性对介质在聚合物中的渗透、扩散影响很大。两者极性相似时,化学介质对聚合物有增塑作用,削弱了大分子间的作用力,有利于大分子链段的运动,加速了化学介质在材料中的扩散。反之,化学介质与聚合物的极性相差较大时,则对介质的渗透和扩散很不利。例如,聚乙烯为非极性聚合物,一般极性的酸、碱和盐的水溶液及有机溶剂醇类在聚乙烯中渗透量就很小;而极性小的芳烃、汽油、卤代烃的渗透性相对就较大。极性高分子如聚乙烯醇、聚醚和大多数纤维素衍生物,则能受极性介质(如水和醇等)溶胀和溶解,但耐非极性有机溶剂。
对于聚合物材料,环境温度高,大分子链活动能力强,透气率k增大。k与温度的关系符合阿伦尼乌斯方程:
k= Aе-E /(RT)
式中 k——透气率
A——常数
E——渗透活化能,其单位为J·mol-1
R——摩尔气体常数,约为8.314J/mol·K
T——热力学温度,单位K
渗透活化能E随介质和极性的增大而增大,随聚合物的内聚能密度增大而增大。当温度升高时,聚合物对气体和水蒸气的透过率增大。由此可见温度越高,聚合物材料耐化学性越差。
由环境相对湿度的变化而引起聚合物透气率的改变只发生在含有羟基或酰胺基的聚合物中,表现为随着相对湿度的增加,聚合物的透气率增加,如乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚乙烯醇(PVA)、聚酰胺(PA)都为阻气性材料。当环境的相对湿度提高后,含有亲水基团的材料含水率增加,使它们的阻气性急剧下降。出现这种现象的原因是水分子与包装材料中的羟基或酰胺基形成氢键,造成主链松弛,使阻气性下降。