第四章 高分子材料的配方设计

高分子材料加工工艺 Polymer Processing Engineering
青岛科技大学材料科学与工程学院 材料物理教研室
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高分子材料加工工艺
第四章 高分子材料的配方设计
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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
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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。
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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。
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♣ 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。
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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。
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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：
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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。
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(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。
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(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。
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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。
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(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。
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