塑料配方设计（PPT116页)

塑料配方设计配方设计的重要性塑料因其质轻、易加工、美观实用、价格低等特点广泛应用于日常生活、各行各业及高精尖技术领域。塑料的主要成分是树脂，占总质量的40％～100％。绝大多数塑料制造的第一步是合成树脂的生产，然后根据需要，将树脂（有时加入一定量的助剂）进一步加工成塑料制品。有少数品种（如浇注制品）其树脂的合成和塑料的成型是同时进行的。当今，树脂和助剂的种类繁多，若按其功能、品种、等级、牌号等分类可达数万种，因此塑料配方也是千变万化。塑料配方设计通常是指根据试验数据等资料，恰当地确定可满足产品使用性能、加工性能和成本要求的树脂、助剂的种类及其用量等的一项重要工作。配方设计原则塑料配方设计有以下注意事项：①制品的使用功能；②加工性能；③加工及使用时的环保问题；④成本等。总之，配方工作者一般是在考虑制品的物理机械性能、加工性能和成本三者平衡的前提下进行配方设计的。设计的重点是如何保持制品的使用性能及加工性能的平衡，所以说塑料配方设计不仅是一门科学，而且也包含运用成功经验的技巧。塑料制品使用性能塑料制品使用性能应包括其本身的力学性能和使用时的特殊性能要求。塑料制品的性能要求一般包括拉伸强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、耐热性、电绝缘性、耐化学性、透明性、气密性等。各种制品的使用要求不同，需要的性能亦异。以HDPE瓶而言，装油需要耐油性；装碳酸饮料需要具有阻隔性；装光敏性药品时要有遮光性。以PP注射椅子为例，在北方需要低温抗冲击性强；用于矿井下，需要防静电、阻燃性。以聚四氟乙烯为例，用作活塞环、轴承、轴瓦、滑块、密封环等机械零件时，需要具有低的摩擦系数和自润滑性；用作绝缘材料时，需要其不受温度、湿度和频率的影响，具有优异的电绝缘性；用作防腐材料时，需要有优异的化学稳定性。以聚苯硫醚为例，用作不粘锅、散热器零件和配油器零件时，需要耐热耐油；用作汽车刹车零件、离合器和机械中的齿轮时，需要有较高的刚性和抗蠕变性。再以改性聚酰亚胺为例，用作交通运输包装时，需要耐水性和阻燃性好；用作航空航天工业的高温管和高温涂层时，需要有耐高温、耐湿热和耐辐射性能。加工性能配方设计时需考虑加工性能。例如纯的PVC无法塑化加工，必须加入增塑剂、稳定剂等助剂。加入增塑剂，可以削弱分子间的作用力，增加分子间的移动性，从而降低玻璃化转变温度使熔融加工温度降低，低于PVC的分解温度。加入热稳定剂，可以抑制PVC脱HCl反应，提高PVC热分解温度，使之高于PVC的熔融加工温度。又如PVC薄膜的制造中，吹塑法常选用内润滑剂，压延法则选用外润滑剂。环保要求配方设计需适应环保要求。一般塑料制品着重评价其使用寿命。实际上应从原材料的生产、加工、物质流通、使用乃至废弃整个过程来全面考虑。延长制品使用寿命对节省资源和节约能源有利，对废弃物的再利用和原材料的安全性也需重视。成本问题在配方设计时，除了保证产品能够顺利加工和满足产品标准要求以外，还必须最大限度降低产品的成本。因此，要充分了解原材料的性能价格比以及相互间的作用与禁忌事项，运用先进的科学实验方法选择最佳的性价比。当可以替代使用时，尽量使用来源广、采购方便、成本低的助剂。降低生产成本要考虑包括原材料成本和加工成本在内的总成本。例如，添加能改善加工性能的助剂虽然提高了原材料成本，但能大幅度降低加工成本，那么也就能降低总成本。其它因素配方设计还包括产品设计、生产工艺设计等在内的产品开发。因此，在深入理解配方设计在整个开发过程中的重要性的基础上，还必要考虑其他的相关因素。有了这些基本的原则作指导，我们在进行配方设计时就能做到全面考虑，综合运用。配方设计要点配方设计的关键为选材、搭配、用量、混合四大要素，表面看起来很简单，但其实包含了许多内在联系，要想设计出一个高性能、易加工、低价格的配方也并非易事，需要考虑的因素很多，现提出一些要点供读者参考。树脂的选择品种的选择:树脂要选择与改性目标性能最接近的品种，以节省加入助剂的使用量。如耐磨改性，树脂要首先考虑选择三大耐磨树脂：即聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、超高相对分子质量聚乙烯(UHWPE)；透明改性，树脂要首先考虑选择三大透明树脂：聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及聚碳酸酯(PC)。耐热改性，首先考虑选择聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚苯并咪唑和聚芳砜；耐低温改性，首先考虑选择低分子量聚乙烯、聚碳酸酯和热塑性弹性体类（聚酯类热塑性弹性体、聚烯类热塑性弹性体、聚氨酯类弹性体）；隔热改性，首先考虑选择聚氨酯硬质泡沫塑料、酚醛、脲醛泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料。一般要求树脂成本低、性能高，同时还要考虑外观美及耐久性，所以很难选择一种能满足所有性能要求的合适树脂。例如，用注射成型方法生产透明容器时，在一般情况下可选择聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯两种树脂，但如果要求廉价为首要条件，则选用聚苯乙烯；反之，如果强调耐候性能好时，就要选用聚甲基丙烯酸甲酯；如果还要再加上耐冲击性能好，则就要排除上述两种树脂而选择聚碳酸酯，当然成本要提高。在选择时还应考虑以下内容：所选择的树脂能否承受住使用环境中最高和最低的温度，在这个温度范围内树脂是否变形、发生龟裂、耐冲击性能如何等。若不符合要求，就要改变现有的树脂品种，另选新的品种，或进行改性处理。另外，选择的树脂还需要考虑在使用环境中的其他影响因素。如在要求制品尺寸稳定性能好时，还要考虑到树脂的热膨胀系数、成型初期及成型后期的收缩率变化、吸湿性等因素。一般情况下，不可能满足所有的条件，但应尽可能的满足主要条件。只要满足主要条件就可以了。关于质量标准的掌握，一般按下述条件而定。（1）能否承受使用环境温度的变化、阳光的影响及使用时负荷的变化；（2）制品是否合乎卫生标准及安全性；（3）弯曲强度、拉伸强度、冲击强度、电绝缘性、阻燃性、耐水性、耐油性能、电学性能是否符合产品标准；（4）尺寸稳定性、光学性能、抗毒抗湿抗菌性能如何；（5）外观上及经济成本、特殊要求是否能达到要求。流动性的选择不同品种的树脂具有不同的流动性，按此将塑料分成高流动性、中等流动性和低流动性三类，具体如下：高流动性：聚苯乙烯(PS)，高抗冲聚苯乙(HIPS)，ABS，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺PA等。中等流动性：聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(mPPO)、聚苯硫醚(PPS)等。低流动性：聚四氟化碳(PTFE)、超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)、聚苯醚(PPO)等。流动性的选择配方中各种塑化材料的粘度要接近，以保证加工流动性。对于粘度相差悬殊的材料，要加过渡料，以减小粘度梯度。如阻燃配方中用PA66增韧时，常加入PA6作为过渡料，阻燃配方中用PA6增韧时，常加入HDPE作为过渡料。同一品种树脂也具有不同的流动性。主要原因为相对分子质量及其分布的不同，所以同一种树脂有许多不同的牌号。由于不同加工方法要求的树脂流动性不同．所以树脂又分为注塑级、挤出级、吹塑级、压延级等牌号，具体如下表所示：助剂的选择按改性目标选助剂：按要改性目标选择合适的助剂，加入助剂应能充分发挥其功效，并达到要求的指标。指标一般为产品的国家标准、国际标准，或客户提出的专项指标。以下是为了使塑料具有某种特殊性能需要加入的助剂。助剂选择的参考意见为：(1)增韧添加弹性体、热塑性弹性体和刚性增韧材料；(2)增强添加玻璃纤维、碳纤维、晶须和有机纤维；(3)阻燃添加溴类(普通溴系和环保溴系)、磷类、氮类、氮/磷复合类膨胀型阻燃剂、三氧化二锑、水合金属氧化物等各类阻燃剂；(4)抗静电添加各类抗静电剂；(5)导电添加碳类(炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管)、金属纤维和粉，金属氧化物；(6)磁性添加铁氧体磁粉，稀土磁粉包括钐钴类(SmCo5或Sm2Co17)、钕铁硼类(NdFeB)、钐铁氮类(SmFeN)，铝镍钴类磁粉三大类；(7)导热添加金属纤维和粉末，金属氧化物、氮化物和碳化物，碳类材料如炭黑、碳纤维、石墨和碳纳米管，半导体材料如硅、硼；(8)耐热添加玻璃纤维、无机填料、耐热剂如取代马来酰亚胺类和β晶型成核剂；(9)透明添加成核剂，对PP而言，α晶型成核剂的山梨醇衍生物系列产品Millad3988效果最好；(10)耐磨添加PTFE、石墨、二硫化钼、铜粉等；(11)电绝缘添加煅烧高岭土等；(12)绝热添加云母、蒙脱土、石英等。助剂与树脂要匹配助剂选择时，要有针对性．应选择对树脂改性效果好的品种。例如：(1)红磷阻燃剂适用于PA、聚对苯二甲酸丁酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙酯(PET)。(2)氮系阻燃剂适用于含氧类工程塑料，如PA、PBT、PET等。(3)玻璃纤维对结晶型塑料的耐热改性效果好，对非结晶型塑料效果差。(4)炭黑在结晶型树脂中效果好。助剂的形态助剂的形状(1)纤维状填料的增强效果好。纤维的形状可用长径比(L/D)表示，L/D越大、增强效果越好。树脂在熔融状态时比在粉末状态时有利于保持长径比。减小断纤几率。这就是为什么不从进料口而从中部加料口加入玻璃纤维的原因。(2)球型填料的增韧效果好、并可增加制品的光亮度。硫酸钡为典型的球型填料，因此高光泽PP的填充选用硫酸钡，硫酸钡也可以小幅度提高制品的刚性及韧性。助剂的粒度(1)粒状助剂粒度的表示方法粒状助剂的粒度可用目数或平均粒径表示，通常用的目数与平均粒径的关系见下表。注：目数有多种表示方法．本表中的目数为每平方英寸筛网上的筛孔数目填料粒度对填充塑料的力学性能的影响粒度尺寸越小，对填充材料的拉伸强度和冲击强度提高越大。在用20％(质量分数)硅灰石填充PA6时，粒度对填充PA6的力学性能的影响见下表：粒度对无机阻燃剂阻燃性能的影响无机阻燃剂的粒度越小，阻燃效果越好。例如水合金属氧化物和三氧化二锑的粒度越小，达到同等阻燃效果的用量就越少。在LDPE中加入80份不同粒度的氢氧化铝的阻燃效果见下表在ABS中加入4%粒度为45μm的三氧化二锑与加入1%粒度为0.03μm的三氧化二锑阻燃效果相同。粒度尺寸对着色剂着色力的影响着色剂的粒度越小，着色力越高、遮盖力越强、色泽越均匀。但着色剂的粒度不是越小越好，存在一个上限值，而且对不同性能的上限值不同。对着色力而言，偶氮类着色剂的上限粒度为0.1μm，酞菁类着色剂的上限粒度尺寸为0.05μm。对遮盖力而言，着色剂的上限粒度尺寸为0.05μm左右。粒度尺寸对导电助剂导电性能的影响以炭黑为例，其粒度越小，越易形成网状导电通路，达到同样的导电效果时加入炭黑的量越低。但同着色剂一样，粒度大小也有一个上限值，粒度太小，导电助剂易于团聚而难于分散，效果反而不好。助剂的表面处理与树脂良好的相容性是发挥助剂功效的关键。因此，必须设法提高或改善其与树脂的相容性．如采用表面活性剂、偶联剂或相容剂对其进行表面活化处理。所有无机类添加剂经过表面处理，效果大都提高。尤其以粉末填料最为明显，其他还有玻璃纤维、无机阻燃剂等。表面处理以偶联剂和相容剂为主，偶联剂有硅烷类、钛酸酯类和铝酸酯类，常用相容剂有所用树脂的马来酸酐接枝聚合物。助剂的加入量从改性效果看，有的助剂加入量越多越好，如阻燃剂、增韧剂、磁粉、阻隔材料等，有的助剂加入量有最佳值，如导电助剂形成到电通路后即可，再增加无效果；偶联剂，表面包覆即可；抗静电剂，在制品表面形成泄电荷层即可。在设计配方时，应该在能满足改性效果的前提下，添加量最小，以降低成本。保证配方中各组分混合均匀配方中各组分的均分布是使配方能达到改性要求的保证，可采取下面的方法保证各组分的均匀分布：(1)分次加入对于填料加入量过大的配方。填料最好分两次加入：第一次在加料斗。第二次在中间侧加料口。如加150份氢氧化铝的无卤阻燃PE配方，就要分两次加入。否则不能造粒。填料的偶联剂处理，一般以分三次喷入为佳。这样能达到分散均匀，偶联效果好。(2)合理的加料顺序在PVC或填充母料的配方中，各种料的加料顺序很重要。如填充母料要先加填料。这样有利于在混合后的升温过程中除去其中的水份和后续的偶联处理。外润滑剂要后加，以免影响其他物料的均匀混合。配方