塑料配方设计.ppt

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1、第十七章 塑料选材及配方设计,17.1 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40100。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。,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

2、原则,塑料配方设计应注意：制品的使用功能；加工性能；加工及使用时的环保问题；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，需要的性能也不相同。,以塑料瓶而言，装油需要耐油性；装碳酸饮料需要具有阻隔性；装光敏性药

3、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PTFE为例，用作活塞环、轴承、滑块、密封环等零件时，需要有低的摩擦系数和自润滑性；用作绝缘材料时，需要不受温度、湿度和频率的影响，电绝缘性优异；用作防腐材料时，需优异的化学稳定性。,加工性能,配方设计时需考虑加工性能。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。

4、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,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,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。,配方设计

5、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。,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

6、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

7、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

8、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：聚四氟乙烯(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

9、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：增韧 添加弹性体、热塑性弹性体

10、和刚性增韧材料；增强 添加玻璃纤维、碳纤维、晶须和有机纤维；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；抗静电 添加各类抗静电剂；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,磁性 添加铁氧体磁粉，稀土磁粉包括钐钴类(SmCo5 或Sm2Co17)、钕(nv)铁硼类(NdFeB)、钐(shan)铁氮类(SmFeN)，铝镍钴类磁粉三大类；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；耐热 添加玻璃纤维、无机填料、耐热剂如取代马来酰

11、亚胺类和晶型成核剂；,透明 添加成核剂，对PP而言，晶型成核剂的山梨醇衍生物系列产品Millad 3988效果最好；耐磨 添加PTFE、石墨、二硫化钼、铜粉等；电绝缘 添加煅烧高岭土等；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。(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 纤维状填料的增强效果好。纤维的形状可用

12、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。,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,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

13、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45m 的三氧化二锑与加入1%粒度为0.03m 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0.1m，酞菁类着色剂的上限粒度尺寸为0.05m。

14、对遮盖力而言，着色剂的上限粒度尺寸为0.05m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

15、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

16、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。,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。,配方中一些组分的负面影响,设计配方时要全面考虑，加入的助剂在满足塑料的某种性能同时。应尽可能不影响其他性能。如高填充配方对复合材料的力学性能和加工性能影响很大，使其冲击强度和拉伸强度大幅度下降，加工流动性变差。如果制品对复合材料的某项性能有影响，在配方设计中要考虑补偿措施，如加入弹性体以减少对冲击性能的影响，加入润滑剂以改善加工性

17、能。,抗冲击性 大部分无机材料和部分有机材料都降低材料的抗冲击性。为了降低对冲击强度的影响，设计配方时可以考虑加入弹性体或增韧剂。,透明性 大多数无机材料对透明性都有影响，折光指数与树脂相近的无机材料对透明性的影响较小。对主要用于HDPE塑料袋的透明填充母料，可选择对透明性影响较小的特殊品种的滑石粉。有些有机化合物也影响塑料的透明性，如在PVC的增韧剂中，除MBS外，CPE、EVA、ACR都影响制品的透明性。在无机阻燃材料中，只有胶体五氧化二锑不影响制品的透明性。,颜色 配方设计，一定要注意助剂本身的颜色及其变色性。有些助剂本身颜色很深，这会影响制品的颜色，难以制备浅色制品。如炭黑为黑色，只能

18、制备深色制品；其他如石墨、红磷、二硫化钼、金属粉末及工业矿渣等本身都有颜色，选用时要注意。还有些助剂本身为白色，但在加工中因高温会变色，如硅灰石本身为白色，但填充到树脂中加工后就成浅灰色。,其他性能 塑料的导热改性一般为加入金属类和碳类导热剂，但此类导热剂又是导电剂，在提高导热性同时会提高导电性，从而影响绝缘性。对于同时要求绝缘和导热的塑料，不能加入具有导电性的导热剂，只能加入绝缘类导热剂，如陶瓷类金属氧化物。,配方应考虑加工性,配方要保证材料适当的加工性，并对加工设备和使用环境无不良影响。助剂必须具有良好的流动性及耐热性。此外，助剂对树脂的加工性影响要小；对设备的磨损和腐蚀应尽可能小，加工时

19、不放出有毒气体，损害加工人员的健康。,流动性大部分无机填料都影响加工性，在加入量大时，需要相应加入加工助剂以补偿损失的流动性，如加入润滑剂等。有机助剂一般都能改善塑料的加工性，如十溴二苯醚、四溴双酚A阻燃剂都可改善塑料的加工流动性，尤其四溴双酚A的效果更明显。一般的PVC改性配方都需加入适量的润滑剂。,耐热性 除发泡剂、引发剂、交联剂因功能要求必须分解外，应保证助剂在加工温度不分解。(1)氢氧化铝因分解温度低，不适合用于PP，只能用于PE中。(2)四溴双酚A因分解温度低，不适合于ABS的阻燃改性。(3)大部分有机染料分解温度低，不适合高温加工的工程塑料。(4)改性塑料配方在加工过程中，都需要加

20、入抗氧剂，以防止因螺杆的强烈剪切作用使其热分解而导致材料变黄。,卫生及环保要求 配方中的各类助剂应对操作者无害、对设备无害、对使用者无害、对环境无害。卫生性：树脂和所选助剂应该无毒，或有害物含量在控制规定的范围内。,塑料配方设计中各组分的相容性,对于一个好的配方，除了配方组分选择合理、用量搭配得当外，配方中各组分之间还要具有良好的相容性，这样，才能充分发挥不同组分的应尽作用。,判断不同组分的相容性如何，一条根本的原则，即相似相容，可分为以下几个方面：溶度参数相近原则、极性相近原则、结构相近原则、结晶能力相近原则、表面张力相近原则、粘度相近原则。,提高相容性的方法有：添加偶联剂、添加相容剂、交联

21、技术和IPN技术。,塑料配方中各组分的关系,大多数塑料配方中都不只含有一种添加剂，而是含有两种或两种以上添加剂。这些不同的添加剂之间往往会产生一定的相互作用，从而影响整个配方的性能发挥。配方中各组分的相互关系有如下三类，即协同作用、对抗作用和加和作用。,17.2 塑料配方设计方法,一、塑料配方的表示方法以树脂基体为100份的配方表示方法。这种表示方法是以树脂基体100份为基准配方中其他组分以相对树脂基体的用量份数来表示。由于计量容易，广泛用于工业生产和科学研究中。以混合料总量为100份的配方表示方法。即以配方中组分总用量为100份，配方中各组分以其所占的分数来表示。这种表示方法利于进行原料消耗

22、量和生产成本的核算。,在对配方中各组分用量进行计量时，一般多用质量来表示。当配方中含有少量液体时，配方中含量大的固体组分用质量来表示，而为了配料 方便，液体组分可用体积来表示。如在塑料着色配方中，会用到少量的白油等液体分散剂，一般即用体积来表示。,配方设计方法,一、单因素变量配方设计方法这种方法要找出问题的关键，抓住主要矛盾，在试验中只考虑一个因素，而将其他因素作为不变量，以期得这一变量的最佳值。然后以此最佳值为该变量的固定值，再考察其他变量，依此类推，直至找到理想的配方。在用此种方法确定配方时，必须保证生产工艺条件和测试条件的一致，否则无法取舍。,用单因素法来安排试验，常用的方法有以下几种：

23、逐步提高法、黄金分割法、平分法、分批试验法。,1.逐步提高法此法俗称爬山法，其关键是首先要确定起点位置和试验范围，起点位置和试验范围选得好，试验的次数就会少一些。起点位置确定后，在试验范围内，向原料增加和减少方向各选一点，这点距起点的距离称为步长，步长的选择一般先大后小。试验过程中需经反复试验和取舍来确定原料用量的增减和步长 的大小，直至达到变量的最佳值。这种方法适合于对配方进行微调，优点是比较稳妥，缺点是对经验依赖性大，试验次数较多。,2、黄金分割法 此法又称0.618法，只需确定试验范围，而无须确定起点位置和步长。在试验过程中先在试验范围内的0.618处及0.382处分别做一次试验，而后比

24、较试验结果，进行取舍，缩小试验范围。在新确定的试验范围内重复上述过程，直至达到目标点。这种方法的优点是试验量相对较少，但欠稳妥。,3.平分法此法又称对分法，与黄金分割法有些类似，不同在于步长的选择固定为0.5，但此法应用较少一般要在已知制品所需性能指标和所考察的变量对相关性能指标影响规律的情况下，才能使用。,4、分批试验法可分为均分分批试验法和比例分批试验法两种，两者的区别在于前者先在试验范围内均匀安排一批试验，根据试验结果，确定新的试验范围，再重复上述过程，直至得到最好的结果。此法的缺点在于试验次数较多。而后者是按一定比例一次性把所有可能的试验都安排下去，此法主要适用于原料少量变化就能引起较

25、大的性能指标变化的场合。,多因素变量配方设计方法,当配方设计中同时存在两个以上自变量影响因变量（制品性能）时，就需采用多因素试验法。多因素试验方法很多，其中以正交试验用得最多。,正交设计法,正交试验法是在优选的试验范围内，首先确定试验的因素数和水平数，而后一次性布置一批试验，再用直观分析法和方差分析法对试验结果进行分析和整理缩小 优选范围，分析出各因素对指标影响的主次，各因素中最好的水平。此法只需做少量试验就可判断出较优的配方。,正交设计法正交表的组成,正交设计的核心是一个正交设计表，简称正交表。一个典型的正交表可由下式表达：LM（bK）式中 L为正交表的符号 K为实验中变量的数目，习惯称其为

26、因素或因子 b为每个因素所取的几个实验值数目，称为水平，水平值同经验确定，要求各水平值之间要有合理的差距,M为实验次数，一般由经验确定，但大致规律如下：对于二水平实验 M=K+1 对于三水平实验 M=b（K-1）上述规律并不全部适用，也有例外，如 L27（313）。,指标，正交表的最后一项为实验目的，即指标，它为衡量实验结果好坏的参数，如产品合格率、硬度、耐热温度、冲击强度、氧指数及体积电阻率等。,常用的典型正交表有：二水平：L4（23）、L8（27）、L12（211）等三水平：L6（33）、L9（34）、L18（37）等四水平：L16（45）等,二水平L4（23）正交表,二水平L8（27）正

27、交表,二水平L12（211）正交表,三水平L9（34）正交表,四水平L16（45）正交表,正交设计实验结果分析法,实验分析可以解决如下三个方面的问题：1.对指标的影响，哪个因素主要，哪个因素次要，分清主次关系；2.各个因素以哪个水平为最好；3.各个因素用什么样的水平组合下来指标值最好。常用的分析方法有两种，即直观分析法和方差分析法。,直观分析法,计算每个水平几次实验取得指标的平均值，进行比较，找出每个因素的最佳水平；几个因素的最佳水平组合起来，即为最佳配方或工艺条件；另外，计算每个因素不同水平所取得不同指标值差，何种因素不同水平之间指标差大，即为对指标最有影响的因素。直观分析法直观、简便，但不

28、能区分因素与水平的作用差异。,方差分析法,其方法为通过偏差的平方和及自由度等一系列计算，将因素和水平的变化引起实验结果间的差异与误差的波动区分开来，这样来分析正交实验的结果，对下一步或投入生产的可靠性很大。,正交设计法举例,热固性塑料压制成型配方及工艺条件的确定。1.设计正交表 指标：硬度合格率。因素：模板温度、交联时间及交联剂用量三因素K=3。水平：每个因素取二水平b=2,实验次数：M=K+1=3+1=4次正交表选L4（23）2.按正交表做实验，并将结果填入L4（23）正交表中,三因素二水平L4（23）正交表,3.试验结果分析 采用直观分析法计算每一个因素不同水平二次试验的平均值，如下：A1

29、=1/2（90+85）=87.5 A2=1/2（45+70）=57.5 B1=1/2（90+45）=67.5 B2=1/2（85+70）=77.5 C1=1/2（90+70）=80 C2=1/2（85+45）=65 比较A1和A2，B1和A2，C1和C2，可以找出优化条件为A1、B2、C1,还有一个比较三个因素哪一个对指标影响大的问题，可以通过计算极差（Rj）找出，极差值Rj=|A1-A2|=|87.5-57.5|=30，将计算结果列于表中，可以看出R1最大，说明模板温度对硬度合格率影响最大。,最终所设计的配方正确与否，要经过实验来筛选。一般按配方制成母料，检测其加工性，然后制成试样，检测其使用性能。需要重复试验才能得到最佳的实用配方。,