高分子加工与反应工程.ppt

,高分子加工与反应工程,暨南大学材料科学与工程系,材料加工教研室,第4章 高分子材料的配方设计,Contents,高分子材料制品设计的一般原则和程序,高分子材料配方设计,第四章 高分子材料的配方设计,需求是高分子材料研究、开发的原动力，汽车轻量化、火车提速、宇宙揭秘、海洋开发等都对高分子材料提出了新的要求。,研制新的高分子材料，实现产业化、开发产品的新价值，造福于人类，是高分子材料科学与技术工作者的职责。另一方 面，高分子材料的性能是左右其工业价值的重要因素。,高分子化合物的结构与性能、材料的组成是影响材料性能的主要因素；制造方法对材料性能具有一定的影响。,在配方设计时，需注意以下因素对材料性能的影响：,制样条件(成型方法、成型条件、试样形状等)-例:当采用注射成型、挤出成型和模压成型制作试样时，成型压力依次递减，试样的分子取向程度也依次递减，结果性能也不同；-如:注射成型时，料筒和模具的温度越高，试样分子取向的程度越低。-对于薄的试样，由于表面层所占的比例较大，其对拉伸强度等的影响比厚试样的大。-对于结晶性高分子，成型条件不仅影响分子取向，而且也影响结晶性，对性能的影响较显著。,性能测试条件 如：升温速度、作用力的形式及速度。,外界因素 如：温度、湿度、使用环境及光的波长等，如耐热性受氧 的影响大；耐候性受光，尤其是紫外光的影响显著。,一方面，制品对性能的要求是多方面的，也是干差万别的；另一方面，测定的性能是受制样条件、测试条件及外界 因素等影响的相对值。作为从事高分子材料成型加工技术人员必须了解这些影响因素，并在制品的设计和配方设计时充分考虑到这些影响。,价格和对环境的影响也是两个必须考虑的因素。在满足性能要求的前提下，价格是支配材料制品普及程 度(推广)的决定因素。对环境的影响，事关人类持续发展的 头等大事，同样制约了材料制品的推广应用(为人类社会乐于接受并大量使用)的关键。,配方设计是一个富于挑战性的、专业性很强的技术工作。因此，配方设计决不是各种原材料之间简单的、经验性 的组合，而是在对高分子材料结构与性能关系充分研究基础 上综合的结果。,一个好的制品，决不仅仅局限于配方设计，它还涉及成型加工工艺设计及成型设备的选型，制品的外观设计及结构 设计、模具设计等。,从严格意义上说，实际上是制品设计；而配方设计是其核心部分。只有好的配方设计，再加上其他要素的配合，才 能获得好的制品。4.1 高分子材料制品设计的一般原则和程序 一、制品设计：,二、设计原则：实用-按使用要求 高效-能够成型加工、加工性好、生产效率高 经济-成本低,三、设计程序：由于可选择的高分子品种、牌号多样性，可采用成型加工上艺和成型设备的可变性以及制品应用领域的特殊性，尤其是高分子材料具有与金属材料、无机材料、非金属材料所没有的独特性能，如粘弹性、受使用条件和环境影响的显著性以及静态力学性能与动态力学性能较大的差异性等。制品设计者只有透过现象，抓住本质，深刻认识制品设 计与高分子的性能、成型加工工艺的密切相关性，利用成型加工技术对材料结构与性能的调节手段，才能充分发挥材料的功能，以较小材料和能源消耗，获得优异材料制品。,9,(1)根据制品的使用目的和用途。确定应具备的性能特点、载荷条件、环境条件、成本限制、适用标准等，这是至关重要 的一环。对于零部件，还应考虑与其他组装件之间的内在联系及在整个产品中的地位与影响。同时应做好数据收集(包括高分子性能数据、成型加工工艺的相关数据、应用数据等)，制定质量要求(提出制品性能、分析影响主要性能的因素、使用环境、装配、应用等)、预测需求(需求量和时间、成本水平和市场前景等)。,(2)形状造型设计。主要考虑制品的功能、刚度、强度和成型工艺等，应力求做到形状对称、造型轻巧、结构紧凑。画出 草图，了解哪些件能是必需的，哪些是可选择的；确定哪些尺寸是规定的，哪些尺寸可变。,10,(3)合理选材。在分析制品使用目的和用途对材料性能要求与成型加工特点的基础上，选择多种候选材料，试制出样 品，经性能测试、收集用户使用意见后，通过比较分析，确 定制品最终选用的材料。通常，选择并不是唯一的，而且每种材料各有优缺点，选材时应做到在满足制品性能要求的前提下，“扬长避短、合 理使用”。在选材对应考虑与成型加工工艺的相互适应性。(4)样品的初步设计。包括配方设计、工艺设计、结构设 计和模具设计等，涉及原材料、工艺、成本、质量等诸多因素，务必统筹兼顾。配方设计是根据制品的功能、用途、所处的环境和成型 加工对性能的影响，考虑到成本因素，确定高分子化合物与添加剂的品种、规格和配比以及混合料的制备技术，配制出符合性能要求的混合料。,11,工艺设计是在对多种成型工艺探讨、比较的基础广，确定技术可行、经济合理的成型工艺条件。结构设计及模具设计是按使用要求，利用已有的公式或计算机软件，对制品进行受力分析和结构设计，确定产品结 构形状造型和模具设计，画出模具加工图，确定模具加工工 艺条件。,(5)样品试制。在初步设计的基础上，对试制样品作整体检验，通过试模，检验并分析样品的尺寸精度、粗糙度、成 型时间、成型难易程度、设计的合理性和是否存在应力集中 等，以获得多种不同方案的工艺条件和样品，供测试评价 用。,(6)性能测试、定额测算及成本核算。由此确定技术质量指标、测算班(台)产量及原材料、水电煤的消耗定额、成品率，核定成本，得出理想的设计方案。如不符合制品要求，则返回重新调整设计方案，再试验，一直到符合要求为止。,(7)制品合格后，编制设计说明书及有关技术文件包括原材料标准及检验方法、生产流程、工艺操作规程、制品企业 标准及检验方法、环保及三废处理、车间布置及配套设施 等。,13,高分子材料配方设计,4.2,制品对材料性能的要求,配方设计,配方的组成,配方的表示法,4.2高分子材料配方设计,一、制品对材料性能的要求 制品对性能的要求是多方面的，也是千差万别的，要满 足全部性能的材料是不存在的，也是不必要的，只能抓住主要矛盾，用其所长，避其所短。必要时也可进行共混或复合。下表列出了高分子材料制品的各种主要性能，供选择用。,高分子材料制品的主要性能,二、配方设计,在一个优秀的配方设计中，高分子化合物通过与添加剂的配合，以允许发挥其物理机械性能，改善成型加工性能，降低制品成本，提高经济效益。因此，配方设门必须满足以 下基本原则：1)制品的性能要求；2)成型加工性能的要求；3)选用的原材料来源容易，产地较近，质量稳定可靠，价格合理；4)配方成本应在满足上述三条的前提下，尽量选用质量稳定可靠、价格低的原材料；必要时采用不同品种和价格的 原材料复配；适当加入填充剂，降低成本。,配方设计的一般步骤为：1)在确定制品性能和用途的基础上，收集高分子化合物和添加剂等各种原材料的资料，初定产外形状、尺寸及各部 件的作用及成型加工方法。如能利用已经建成的数据库，则资料将更充整，且获取时也更便捷。2)初选材料，并进行配方设计及试验，先可设计若干个配方，进行小样压片试验过性能测试初定合格的配方，再进行 扩大试验，确定加工性能。3)依获得的材料性能数据或凭经验，进行结构设计(壁厚及其他尺寸)。4)制成实物模型，进行实样试验或模拟试验。5)再设计与再试验。如性能不合格，需再筛选配方。6)依模型试验相制品成本，进行最终选材和配方设计。7)材料规范化(原材料规格、牌号、产地、验收标淮、监测项目和监测方法等)。,配方设计要考虑的问题：,1、加什么？（选什么？）,2、加多少？,3、协同效应。（相互影响）,总之，既要符合使用性能，又要适应加工性能。,配方的制定是一个经验加理论的过程：初始工作人员：要反复修改多次才得到一个配方；经验工作人员：可能一次性得到合理配方；现在已经发展到：计算机进行配方设计。,配方的指定过程：,1、基本配方：主体+交联剂+稳定体系试验所添加的配合剂的合理性，包括种类、用量（要求用量稳妥）。,2、性能配方：基本配方+性能体系针对某种性能要求：往往专门提高某一（些）性能。,3、实用配方：性能配方+加工体系、成本体系要考虑原料的来源、生产的可行性和经济性，要全面考虑。,基本配方、性能配方、实用配方是相互制约、相互影响的。,基本配方首先提出一组配合剂及其基本用量，一般采用传统用量，并且尽可能简单。,三、配方的组成,四、配方的表示法1、以聚合物质量为100份的配方表示法 以聚合物的量为基准（100份），其它组分以相对于聚 合物的质量份数表示。-适用于科研论文和报告2、以混合料质量为100份的配方表示法 以聚合物及各种添加剂的混合料总质量为100份，各组 份以质量分数表示。-便于成本核算、计算材料消耗3、以混合料体积为100份的配方表示法 各组分体积总和为100。-常用于按体积计算成本4、生产配方按设备的生产能力，计算出各组分每次的投料质量数。-便于生产操作,25,26,阻燃PVC制品配方的两种表示方法,天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶的配方实例,28,几种橡胶的基本配方,单位：质量份,聚氯乙烯的配方,单位：质量份,不饱和聚酯树脂的配方实例,单位：质量份,本章作业题：1试分析下列配方，要求：（1）指出各成分在配方中的作用；（2）判断制品基本性能，并说出相应的理由。,PVC树脂（XS-4）100，邻苯二甲酸二辛酯 10，邻苯二甲酸二丁酯 8，环氧脂肪酸辛酯 3，液体钡-镉 2，硬脂酸钡 0.5，硬脂酸镉0.3，硬脂酸 0.3，二氧化钛 3,丁腈橡胶 100，硫磺1.5，促进剂M 1.5，促进剂TMTD 0.2，ZnO 5，硬脂酸 1，防老剂4010NA 1，半补强碳黑 60，陶土 30，沥青 5，石蜡1.5,2在生产宽1200mm，厚0.5mm的聚氯乙烯软膜时，采用以下配方：聚氯乙烯树脂100，三盐基硫酸铅2，硬酯酸钡1.2，硬酯酸铅0.8，邻苯二甲酸二辛酯30，癸二酸二辛酯 10，环氧大豆 油5，氯化石蜡5，硬酯酸0.8，碳酸钙8，钛箐兰0.5 问：配方中各组分的作用？配方中树脂、稳定剂、增塑剂、填充剂、润滑剂、颜料各是什么？,3高分子材料进行配方设计的一般原则和步骤各是什么？,4配方有哪几种表示方法？各有何作用？,34,