第057篇｜相分離
第057篇｜相分離
Phase Separation
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一句話定義
相分離（Phase Separation）是指高分子系統中因熱力學不相容、極性差異或分子結構差異，使材料內部形成兩個或多個不同組成區域（Phase）的現象，其直接影響材料強度、韌性、透明性、耐熱性與接著性能。
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為什麼重要
在傳統材料觀念中。
人們常認為材料混合後。
應該形成均勻系統。
然而高分子世界並非如此。
許多高分子即使完全混合。
最終仍會自發性分離。
形成不同區域。
例如：
• PU
• TPU
• SBS
• SEBS
• Acrylic PSA
• Polymer Blend
皆可能發生相分離。
有趣的是。
相分離不一定代表缺陷。
相反地。
許多高性能材料。
正是建立於受控制的相分離結構之上。
因此Phase Separation不只是高分子現象。
更是材料設計的重要工具。
⸻
基本原理
高分子鏈之間。
存在不同程度相容性。
當兩種結構差異較大時。
彼此混合所需能量增加。
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系統為降低自由能（Free Energy）。
可能產生區域分離。
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形成：
Phase A
與
Phase B
⸻
這種由均勻狀態轉變為多相結構的過程。
即稱為：
Phase Separation。
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簡單來說。
材料中的不同成分。
開始聚集到各自偏好的區域。
形成不同相（Phase）。
⸻
相分離的熱力學基礎
高分子混合行為。
主要受到：
Gibbs Free Energy
控制。
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其關係可表示為：
Delta G=Delta H-TDelta S
⸻
其中：
ΔG = 自由能變化
ΔH = 混合焓
ΔS = 混合熵
⸻
當：
ΔG < 0
系統傾向混合。
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當：
ΔG > 0
系統傾向分離。
⸻
由於高分子分子量極大。
混合熵通常偏低。
因此高分子容易發生相分離。
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相分離主要類型
Macro Phase Separation
巨觀相分離。
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尺度：
1 μm
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肉眼可能可見。
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通常造成：
• 白化
• 混濁
• 強度下降
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Microphase Separation
微相分離。
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尺度：
1–100 nm
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常見於：
• PU
• TPU
• SBS
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可同時提升：
• 強度
• 韌性
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Nanophase Separation
奈米相分離。
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尺度：
<100 nm
⸻
廣泛應用於高性能材料。
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微相分離（Microphase Separation）
在高分子工程中。
最具價值的通常是微相分離。
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例如PU系統：
Soft Segment
↓
形成Soft Phase
⸻
Hard Segment
↓
形成Hard Phase
⸻
兩者形成奈米尺度分布。
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使材料同時具備：
• 柔軟性
• 強度
• 耐熱性
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這也是PU成功的重要原因之一。
⸻
相分離與相容性關係
相容性（Compatibility）越高。
⸻
相分離傾向越低。
⸻
相容性越差。
⸻
相分離越明顯。
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因此：
Phase Separation
與
Polymer Compatibility
具有高度關聯。
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重要數據
不同尺度相分離
類型 尺度
Macro Phase Separation >1000 nm
Microphase Separation 1–1000 nm
Nanophase Separation <100 nm
⸻
相分離對性能影響
相分離增加 趨勢
強度 視系統而定
韌性 ↑
透明性 ↓
耐熱性 ↑
應力集中 ↑
相容性 ↓
⸻
相分離與透明性
光線波長約：
400–700 nm
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若相分離尺寸接近此範圍。
⸻
光散射增加。
⸻
材料可能變白。
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因此：
透明材料通常要求：
極低相分離尺寸。
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例如：
光學級TPU。
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相分離與機械性能
適當相分離可形成補強效果。
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例如：
TPU
SBS
SEBS
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硬相區域。
提供強度。
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軟相區域。
提供韌性。
⸻
形成性能平衡。
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但若相分離過度。
則可能造成：
• 脆裂
• 分層
• 應力集中
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與接著工程的關係
Phase Separation直接影響：
Wetting
潤濕能力。
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Cohesion
內聚力。
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Tack
初黏力。
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Peel Strength
剝離強度。
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Durability
耐久性。
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例如：
PSA系統中。
適度相分離可提升持黏力。
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過度相分離。
則可能造成界面不穩定。
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因此接著工程中。
控制相分離程度十分重要。
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TPU典型案例
TPU最典型結構：
Soft Phase
• ●
Hard Phase
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形成微相分離。
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硬相提供：
• 強度
• 耐磨性
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軟相提供：
• 彈性
• 韌性
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兩者共同形成高性能材料。
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SBS典型案例
SBS屬於Block Copolymer。
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Styrene區形成硬相。
⸻
Butadiene區形成軟相。
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形成典型微相分離結構。
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也是熱塑性彈性體的重要基礎。
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相分離分析方法
TEM
穿透式電子顯微鏡。
⸻
AFM
原子力顯微鏡。
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SAXS
小角X光散射。
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WAXD
廣角X光繞射。
⸻
DMA
動態機械分析。
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DSC
熱分析。
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常見應用
TPU
熱塑性聚氨酯。
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PU Adhesive
聚氨酯接著劑。
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Acrylic PSA
感壓膠。
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SBS／SEBS
熱塑性彈性體。
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Polymer Blend
高分子共混系統。
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Electronic Materials
功能材料設計。
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相關名詞
• Polymer Morphology
• Polymer Compatibility
• Polymer Blend
• Soft Segment
• Hard Segment
• Crystallinity
• Glass Transition
• Network Structure
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FAQ
Q1：相分離一定是缺陷嗎？
不一定。
許多高性能材料正是利用受控制相分離獲得性能提升。
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Q2：PU為何會產生相分離？
Soft Segment與Hard Segment極性差異較大。
因此形成微相分離。
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Q3：相分離會影響透明性嗎？
會。
相尺寸接近可見光波長時。
容易產生光散射。
⸻
APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，相分離是高性能接著系統中極具價值的結構設計工具。
許多工程人員將相分離視為不均勻現象。
實際上適度微相分離往往能同時提升內聚力與柔韌性。
例如PU與TPU系統。
正是透過Soft Phase與Hard Phase共存獲得優異性能。
然而相分離尺度若失去控制。
則可能導致透明性下降、脆裂風險增加或接著界面不穩定。
因此實務開發時，建議同步評估 Phase Separation（相分離）、Polymer Morphology（高分子形態學）、Polymer Compatibility（高分子相容性）與 Soft Segment／Hard Segment比例。
材料性能的形成，往往來自不同相之間的協同作用。
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延伸閱讀
• Polymer Morphology（高分子形態學）
• Polymer Compatibility（高分子相容性）
• Polymer Blend（高分子共混）
• Soft Segment（軟鏈段）
• Hard Segment（硬鏈段）
• Crystallinity（結晶度）
• Glass Transition（玻璃轉移現象）
• Network Structure（網路結構）
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參考文獻
1. Sperling L.H., Introduction to Physical Polymer Science.
2. Paul D.R., Polymer Blends.
3. Strobl G., The Physics of Polymers.
4. Rubinstein M., Polymer Physics.
5. Polymer.
6. Macromolecules.
7. Progress in Polymer Science.
8. Journal of Applied Polymer Science.
Phase Separation
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一句話定義
相分離（Phase Separation）是指高分子系統中因熱力學不相容、極性差異或分子結構差異，使材料內部形成兩個或多個不同組成區域（Phase）的現象，其直接影響材料強度、韌性、透明性、耐熱性與接著性能。
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為什麼重要
在傳統材料觀念中。
人們常認為材料混合後。
應該形成均勻系統。
然而高分子世界並非如此。
許多高分子即使完全混合。
最終仍會自發性分離。
形成不同區域。
例如：
• PU
• TPU
• SBS
• SEBS
• Acrylic PSA
• Polymer Blend
皆可能發生相分離。
有趣的是。
相分離不一定代表缺陷。
相反地。
許多高性能材料。
正是建立於受控制的相分離結構之上。
因此Phase Separation不只是高分子現象。
更是材料設計的重要工具。
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基本原理
高分子鏈之間。
存在不同程度相容性。
當兩種結構差異較大時。
彼此混合所需能量增加。
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系統為降低自由能（Free Energy）。
可能產生區域分離。
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形成：
Phase A
與
Phase B
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這種由均勻狀態轉變為多相結構的過程。
即稱為：
Phase Separation。
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簡單來說。
材料中的不同成分。
開始聚集到各自偏好的區域。
形成不同相（Phase）。
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相分離的熱力學基礎
高分子混合行為。
主要受到：
Gibbs Free Energy
控制。
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其關係可表示為：
Delta G=Delta H-TDelta S
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其中：
ΔG = 自由能變化
ΔH = 混合焓
ΔS = 混合熵
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當：
ΔG < 0
系統傾向混合。
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當：
ΔG > 0
系統傾向分離。
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由於高分子分子量極大。
混合熵通常偏低。
因此高分子容易發生相分離。
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相分離主要類型
Macro Phase Separation
巨觀相分離。
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尺度：
1 μm
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肉眼可能可見。
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通常造成：
• 白化
• 混濁
• 強度下降
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Microphase Separation
微相分離。
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尺度：
1–100 nm
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常見於：
• PU
• TPU
• SBS
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可同時提升：
• 強度
• 韌性
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Nanophase Separation
奈米相分離。
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尺度：
<100 nm
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廣泛應用於高性能材料。
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微相分離（Microphase Separation）
在高分子工程中。
最具價值的通常是微相分離。
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例如PU系統：
Soft Segment
↓
形成Soft Phase
⸻
Hard Segment
↓
形成Hard Phase
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兩者形成奈米尺度分布。
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使材料同時具備：
• 柔軟性
• 強度
• 耐熱性
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這也是PU成功的重要原因之一。
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相分離與相容性關係
相容性（Compatibility）越高。
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相分離傾向越低。
⸻
相容性越差。
⸻
相分離越明顯。
⸻
因此：
Phase Separation
與
Polymer Compatibility
具有高度關聯。
⸻
重要數據
不同尺度相分離
類型 尺度
Macro Phase Separation >1000 nm
Microphase Separation 1–1000 nm
Nanophase Separation <100 nm
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相分離對性能影響
相分離增加 趨勢
強度 視系統而定
韌性 ↑
透明性 ↓
耐熱性 ↑
應力集中 ↑
相容性 ↓
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相分離與透明性
光線波長約：
400–700 nm
⸻
若相分離尺寸接近此範圍。
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光散射增加。
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材料可能變白。
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因此：
透明材料通常要求：
極低相分離尺寸。
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例如：
光學級TPU。
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相分離與機械性能
適當相分離可形成補強效果。
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例如：
TPU
SBS
SEBS
⸻
硬相區域。
提供強度。
⸻
軟相區域。
提供韌性。
⸻
形成性能平衡。
⸻
但若相分離過度。
則可能造成：
• 脆裂
• 分層
• 應力集中
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與接著工程的關係
Phase Separation直接影響：
Wetting
潤濕能力。
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Cohesion
內聚力。
⸻
Tack
初黏力。
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Peel Strength
剝離強度。
⸻
Durability
耐久性。
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例如：
PSA系統中。
適度相分離可提升持黏力。
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過度相分離。
則可能造成界面不穩定。
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因此接著工程中。
控制相分離程度十分重要。
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TPU典型案例
TPU最典型結構：
Soft Phase
• ●
Hard Phase
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形成微相分離。
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硬相提供：
• 強度
• 耐磨性
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軟相提供：
• 彈性
• 韌性
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兩者共同形成高性能材料。
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SBS典型案例
SBS屬於Block Copolymer。
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Styrene區形成硬相。
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Butadiene區形成軟相。
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形成典型微相分離結構。
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也是熱塑性彈性體的重要基礎。
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相分離分析方法
TEM
穿透式電子顯微鏡。
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AFM
原子力顯微鏡。
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SAXS
小角X光散射。
⸻
WAXD
廣角X光繞射。
⸻
DMA
動態機械分析。
⸻
DSC
熱分析。
⸻
常見應用
TPU
熱塑性聚氨酯。
⸻
PU Adhesive
聚氨酯接著劑。
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Acrylic PSA
感壓膠。
⸻
SBS／SEBS
熱塑性彈性體。
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Polymer Blend
高分子共混系統。
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Electronic Materials
功能材料設計。
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相關名詞
• Polymer Morphology
• Polymer Compatibility
• Polymer Blend
• Soft Segment
• Hard Segment
• Crystallinity
• Glass Transition
• Network Structure
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FAQ
Q1：相分離一定是缺陷嗎？
不一定。
許多高性能材料正是利用受控制相分離獲得性能提升。
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Q2：PU為何會產生相分離？
Soft Segment與Hard Segment極性差異較大。
因此形成微相分離。
⸻
Q3：相分離會影響透明性嗎？
會。
相尺寸接近可見光波長時。
容易產生光散射。
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APLC觀點
根據亞瑪里高分子於接著工程與界面工程領域之實務經驗，相分離是高性能接著系統中極具價值的結構設計工具。
許多工程人員將相分離視為不均勻現象。
實際上適度微相分離往往能同時提升內聚力與柔韌性。
例如PU與TPU系統。
正是透過Soft Phase與Hard Phase共存獲得優異性能。
然而相分離尺度若失去控制。
則可能導致透明性下降、脆裂風險增加或接著界面不穩定。
因此實務開發時，建議同步評估 Phase Separation（相分離）、Polymer Morphology（高分子形態學）、Polymer Compatibility（高分子相容性）與 Soft Segment／Hard Segment比例。
材料性能的形成，往往來自不同相之間的協同作用。
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延伸閱讀
• Polymer Morphology（高分子形態學）
• Polymer Compatibility（高分子相容性）
• Polymer Blend（高分子共混）
• Soft Segment（軟鏈段）
• Hard Segment（硬鏈段）
• Crystallinity（結晶度）
• Glass Transition（玻璃轉移現象）
• Network Structure（網路結構）
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參考文獻
1. Sperling L.H., Introduction to Physical Polymer Science.
2. Paul D.R., Polymer Blends.
3. Strobl G., The Physics of Polymers.
4. Rubinstein M., Polymer Physics.
5. Polymer.
6. Macromolecules.
7. Progress in Polymer Science.
8. Journal of Applied Polymer Science.
