第三章 高分子材料的配方设计
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第3章 高分子材料的配方设计
二、配方设计方法
1、单因素变量配方设计方法
适用于制品性能只受一个因素（添加剂）影响的配方。 单因素变量试验采用的搜索方法有： ∗ 爬山法 ∗ 黄金分割法 ∗ 平分法 ∗ 分批试验法 ∗ 抛物线法 ∗ 分数法
2. 多因素变量配方设计方法
适用于制品性能受二个或二个以上因素（添加剂） 影响的配方。 多因素变量试验采用的搜索方法有： (1) 正交设计法 (2) 回归分析法
如原材料、工艺条件等
水平 是指每个因素可能处于的状态
如原材料品种、用量或工艺参数等
一、配方设计时考虑的因素
(1) 配方包括多种原料，存在多因素变量的问题。 (2) 各因素的水平数并不相等，需要活用正交表。 (3) 各原料之间存在显著的交互作用。 (4) 可根据试验情况，将工艺条件作为独立的因素。 (5) 严格控制试验的每一步骤，尽量排除试验误差。 (6) 经验规律和统计数学相结合，发挥最佳效能。
第四节 高分子材料配方实例
基本配方 性能配方 实用配方
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，须全面 考虑。
PVC配方原料−1 PVC配方原料−2
配方的组成：
配 方 组 成 组分数 1～2 4～5 1～2 2～5 1～2 1～2 主体部分 聚合物 交联体系 交联剂、促进剂、活性剂、防焦剂 稳定体系 热稳定剂、抗氧剂 增塑剂、补强剂、增韧剂、防老剂、 性能体系 发泡剂、着色剂 加工体系 增塑剂、润滑剂 成本体系 填充剂
第三章高分子材料的配方设计
3、体积百分数：各组分体积总和为100。 这对于以体积计算成本有利。
4、生产配方：按生产设备每一次投料量计算各组分需多少。 此表示法便于生产操作
表3-3（P107）天然橡胶、丁苯橡胶。顺丁橡胶、异戊橡胶 的配方实例
表3-4（P108）丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶 的配方实例 表3-5（P109）几种橡胶的基本配方
稳定体系 热稳定剂、抗氧剂
1~2
性能体系 加工体系
增塑剂、补强剂、增韧剂、防老剂、 2~5
发泡剂、着色剂
增塑剂、润滑剂
1~2
成本体系 填充剂
1~2
四、配方的表示法
1、重量比：以聚合物的量为基准（100份）。 此表示法最常用（论文、科研）
2、重量百分数：以配方的总重量为100，各种份占多少。 便于配料，计算成本
2、性能配方：基本配方 + 性能体系
针对某种性能要求：往往提高某一（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 采用传统使用量，并且尽可能简单。
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； 现在已发展到用计算机进行配方设计
二、配方制定过程
基本配方
性能配方
实用配方
1、基本配方：主体 + 交联剂 + 稳定体系
实验所添加的配合剂的合理性，包括种类、用量（要 求用量稳妥）。
例：橡胶基本配方： 生胶：100phr；硫：0.5~3.5phr；促进剂：0.5~1.5phr ZnO：1~10phr；Hst：0.5~2.0phr；防老剂：0.25~1.5phr
4、生产配方：按生产设备每一次投料量计算各组分需多少。 此表示法便于生产操作
表3-3（P107）天然橡胶、丁苯橡胶。顺丁橡胶、异戊橡胶 的配方实例
表3-4（P108）丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶 的配方实例 表3-5（P109）几种橡胶的基本配方
稳定体系 热稳定剂、抗氧剂
1~2
性能体系 加工体系
增塑剂、补强剂、增韧剂、防老剂、 2~5
发泡剂、着色剂
增塑剂、润滑剂
1~2
成本体系 填充剂
1~2
四、配方的表示法
1、重量比：以聚合物的量为基准（100份）。 此表示法最常用（论文、科研）
2、重量百分数：以配方的总重量为100，各种份占多少。 便于配料，计算成本
2、性能配方：基本配方 + 性能体系
针对某种性能要求：往往提高某一（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 采用传统使用量，并且尽可能简单。
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； 现在已发展到用计算机进行配方设计
二、配方制定过程
基本配方
性能配方
实用配方
1、基本配方：主体 + 交联剂 + 稳定体系
实验所添加的配合剂的合理性，包括种类、用量（要 求用量稳妥）。
例：橡胶基本配方： 生胶：100phr；硫：0.5~3.5phr；促进剂：0.5~1.5phr ZnO：1~10phr；Hst：0.5~2.0phr；防老剂：0.25~1.5phr
第三章 高分子材料的配方设计
第三章 高分子材料的配方设计1、 高分子材料制品设计的一般程序是什么？画图说明。
2、 配方常用的表示方法有几种？简述每种方法的具体含义？二种。
3、 配方设计中因素和水平的概念是什么？4、 单因素变量的配方设计方法有哪些？爬山法的关键问题是什么？5、 多因素变量配方设计方法有哪些？写出正交表的表示方法，说明正交表L 4（23）中各符号的物理意义。
6、 高分子材料密度的估算。
无定形高分子的密度()()3/298cm g V M igi g ∑=ρ 式中 M ——重复结构单元的摩尔质量，g/mol——组成重复结构单元各个基团摩尔体 积之和，cm 3/mol 。
结晶性高分子的密度ρc (298)=1.13ρg (298)7、 高分子材料的T g 、T m 估算。
M Y i gig ∑=T式中 ∑i gi Y——摩尔玻璃化转变函数之和，K·g / mol• 在熔点（T m ）估算时要考虑的因素与估算T g 时基本一致，但基团的贡献值不同。
8、 高分子材料熔体的热膨胀率及其在挤出温度时的密度估算。
摩尔热膨胀可表示为：低于T g 时 E g ≈4.5×10-4V ω（cm 3/mol·K ）高于T g 时 E l ≈10×10-4V ω（cm 3/mol·K ）式中 V ω ——分子的范德华体积贡献值，cm 3/mol 。
热膨胀率： e g =E g (298) /M (cm 3/g·K)e l =E l (298) /M (cm 3/g·K)因此，温度T 时的摩尔体积为：V l (T )=V g (298)+E g (T g -298)＋E l (T-T g )ρ (T)=M/V(T)。
高分子材料的配方设计
3.3 高分子材料配方表示方法
（1）相对质量份数表示法
以主体成分树脂的加入量为基准(100质量份)， 配方中其他组分以树脂的含量为参照，以其占树脂 质量的百分比来表示（phr: per hundred resin）。
（2）质量百分含量表示法 将整个配方各组分的总质量定为100分，配方中
各他组分以总质量为参照，以其占总质量的百分比 来表示。
（2）改善成型加工性能
有些树脂加工性能不好，需要加入加工助剂
如PVC，其熔点和分解温度接近，加工时容易分解， 加入增塑剂，降低熔点，加入稳定剂提高其分解温度， 拓宽加工温度。
如LLDPE，熔体粘度大，导致难以加工出合格制品， 常加入有机含氟弹性体，低分子蜡等加工助剂，以改 善其加工性能。
（3）降低成本
塑料配方的计量表示法比较实例
原材料
⑧助剂的毒性
大部分助剂都有毒性或低毒性。对于同食品及药品 接触的塑料制品，要求无毒或低毒时，选择的助剂也 应无毒。如对稳定剂而言，要选择无毒时，一般选 Ca/Zn等无毒稳定剂品种。
环保：镉(CLeabharlann )：＜100ppm ；铅(Pb)：＜1000ppm ；汞(Hg)：
＜1000ppm； 六价铬(Cr6+)：＜1000ppm 溴含量＜1000ppm
• 配方设计是制品设计的核心部分，只有好的配方设 计，再加上结构设计、工艺设计等要素的配合，才 能获得好的制品。
3.2.2 配方设计目的 （1）改善树脂的内在性能
功能化：阻燃性；抗静电性；导电性；阻隔性； 高性能化：降解改性；增强；增韧；耐老化性；
耐磨；耐热； 改善外观； 发泡：降低成本，降低比重，隔音，隔热
• 制品设计必须贯彻 “实用、高效、经济” 的原则， 即制品的实用性应强、 成型加工工艺性应好、生产 效率要高、成本要低，可满足人类持续发展的要求。
高分子成型加工原理第三章成型用的物料及其配制
芳基仲胺类：Ar2NH结构，大多数有颜色。深色制品，橡 胶工业。
O C OR
C OR O
用作主增塑剂，DOP最常用。
②二元脂肪酸酯
辅助增塑剂，低温性能较好，并可对塑料起一定 的润滑作用，与PVC相容性较差，且价格较贵。
O
O
RO C (CH2)4-8 C OR
③磷酸酯
(RO)3 P O
脂肪族的磷酸酯如：TBP、TOP与PVC相容性很 好，耐寒性、阻燃性很好，但热稳定性较差，常用 于低温使用或需阻燃的PVC制品中。磷酸与酚类缩 合成的磷酸酯TCP，耐寒性较差，但电气绝缘性良 好。
1.分子量大小及其分布
直接影响制品的性能、配料和加工性能。
2.颗粒结构和粒度
疏松型：易于吸收增塑剂，配制时所需温度较低， 时间较短；
紧密型：不易吸收增塑剂，配制时所需温度较高， 时间较长。
粒度主要影响混合的均匀性，粒度大与其它添加剂 接触少，容易造成混合不匀现象，颗粒大，不易塑 化或塑化不完全。过细的粒子易造成粉尘飞扬和容 积计量的困难。
（3）化学稳定性高，对光、热稳定性好；
（4）无色、无臭、无毒、不燃、吸水量低； （5）水、油、溶剂等中的溶解度和迁移性小，介
电性好； （6）制品外观和手感好，耐霉菌、污染、价廉等。 相容性和低挥发性是最基本的要求。 2.增塑剂的损失 （1）挥发度； （2）游移；
增塑剂从已增塑的聚合物中向与它接触的另一种 聚合物中迁移的现象。
DOP 100 DBP 81 DOIP 103 DOA 97 TXP 102 TCP 112 氯化石腊（40％Cl）220
6.PVC常用的增塑剂 几乎都是酯类。 邻苯二甲酸酯类，成本低，性能均衡。
三、稳定剂 在成型加工和使用期间为了有助于材料性能
第三章高分子制品配方设计
12
2012-12-20
（5）着色剂
能赋予塑料颜色的物质称为着色剂，着色剂可分为颜料和染 料两类。 颜料是一种不溶的、以不连续的细小颗粒分散于树脂中而使 之上色的着色剂。颜料分有机颜料和无机颜料两类，常用的 无机颜料有二氧化钛、硫化锌、氧化铁、铬酸盐、炭黑等， 典型的有机颜料有喹（kui）咩(mie)啶(ding)红、喹咩啶 酮紫等。有机颜料比无机颜料难分散，不同的有机颜料有不 同的光和热稳定性。 染料则是溶解于树脂中的着色剂，它们是一类有机化合物。 用染料着色的高聚物比用颜料着色的高聚物颜色鲜艳、牢固、 透亮，但由于染料的光和热稳定性较差，塑料制品生产中较 少使用，除非需要生产完全透明的制件，如汽车的尾灯等。 2012-12-20 13
2012-12-20 6
⑴增塑剂
增塑剂: 使塑料固有的刚性甚至脆性变为具有挠曲性的添加剂 增塑剂除具有可赋予塑料挠曲性的功能外，还可通过降低 玻璃化温度（Tg）和增加内部润滑作用而降低加工温度。 增塑剂的增塑机理: 减弱聚合物高分子链间的作用力，使高分子链间的相对运动 变得容易。因为增塑剂一般为低分子物质，易于流动，对高 分子链间的相对运动也具有一定的润滑作用 需要增塑的主要有PVC及其共聚物、纤维素等， 约80％的增塑剂用于PVC 使用最多的是邻苯二甲酸二辛酯（DOP）, 邻苯二甲酸二异辛酯（DIOP）
2012-12-20 10
在增强塑料中，存在连续相树脂基体和不连续相增强纤维， 当增强材料受到力的作用时，树脂基体把所施加的力传递 给增强纤维。 增强塑料的性能，除与所用基体树脂有关外，在很大程度 上还与增强剂的性能及基体树脂与增强剂的粘合程度有关 增强塑料中的基体树脂对强度的贡献很小，强度的大小主 要取决于增强纤维的强度及纤维与树脂的粘合程度。为改 善增强效果，除选用高性能的增强纤维外，还要用偶联剂 对其进行表面处理，以提高树脂与纤维的粘合程度。
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（5）着色剂
能赋予塑料颜色的物质称为着色剂，着色剂可分为颜料和染 料两类。 颜料是一种不溶的、以不连续的细小颗粒分散于树脂中而使 之上色的着色剂。颜料分有机颜料和无机颜料两类，常用的 无机颜料有二氧化钛、硫化锌、氧化铁、铬酸盐、炭黑等， 典型的有机颜料有喹（kui）咩(mie)啶(ding)红、喹咩啶 酮紫等。有机颜料比无机颜料难分散，不同的有机颜料有不 同的光和热稳定性。 染料则是溶解于树脂中的着色剂，它们是一类有机化合物。 用染料着色的高聚物比用颜料着色的高聚物颜色鲜艳、牢固、 透亮，但由于染料的光和热稳定性较差，塑料制品生产中较 少使用，除非需要生产完全透明的制件，如汽车的尾灯等。 2012-12-20 13
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⑴增塑剂
增塑剂: 使塑料固有的刚性甚至脆性变为具有挠曲性的添加剂 增塑剂除具有可赋予塑料挠曲性的功能外，还可通过降低 玻璃化温度（Tg）和增加内部润滑作用而降低加工温度。 增塑剂的增塑机理: 减弱聚合物高分子链间的作用力，使高分子链间的相对运动 变得容易。因为增塑剂一般为低分子物质，易于流动，对高 分子链间的相对运动也具有一定的润滑作用 需要增塑的主要有PVC及其共聚物、纤维素等， 约80％的增塑剂用于PVC 使用最多的是邻苯二甲酸二辛酯（DOP）, 邻苯二甲酸二异辛酯（DIOP）
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在增强塑料中，存在连续相树脂基体和不连续相增强纤维， 当增强材料受到力的作用时，树脂基体把所施加的力传递 给增强纤维。 增强塑料的性能，除与所用基体树脂有关外，在很大程度 上还与增强剂的性能及基体树脂与增强剂的粘合程度有关 增强塑料中的基体树脂对强度的贡献很小，强度的大小主 要取决于增强纤维的强度及纤维与树脂的粘合程度。为改 善增强效果，除选用高性能的增强纤维外，还要用偶联剂 对其进行表面处理，以提高树脂与纤维的粘合程度。
第三章 高分子材料的配方设计
第三章 高分子材料的配方设计
1
高分子材料制品性能的影响因素
制样条件 ——成型方法 注射成型时，料筒和模具温度越高，试样分 子取向程度越低 ——试样形状 薄的试样，由于表面层所占比例较大，其 对拉伸强度的影响也比厚试样大
2
高分子材料制品性能的影响因素
外界因素 ——温度 ——湿度 ——使用环境
17
单因素变量配方设计方法
平分法 ——适用于在实验范围内制品有一定物理性能 指标，以此标准作为对比条件，并且预先知 道该因素对物理性能的影响规律 ——每次试验都是取在试验范围的中点，然后 根据试验结果去掉试验范围的一半直到逼近 最佳点
18
单因素变量配方设计方法
分批试验法 ——均分分批试验 ---在试验范围内均匀安排每批试验，比较结果， 留下好的试验范围，再做下一批试验，找到 理想试验范围 ---试验总时间短且快，但试验次数多 ——比例分割试验 ---试验点按照一定比例安排
作为包装袋薄膜原料配方 应该如何变化？
作为透明的微波炉饭盒配 方应该如何变化？
作为阻燃的装饰材料配方 应该如何变化？
抗氧剂1010 0.5 碳酸钙 30
22
高分子制品设计
婴儿奶瓶 ——无毒，耐热，热传导性低，透明 塑料拖鞋 ——轻便，耐磨，柔软，便宜 药用胶囊 ——软胶囊 ——硬胶囊
16
单因素变量配方设计方法
黄金分割法 ——分已知线段为两部分，使其中一部分是全 线段与另一部分的比例中项，若用G来表示 它，G 被称为黄金比或黄金分割数 ——在试验范围内的0.618处及对应点0.382 分别做实验 ——比较结果，舍去坏点以外的部分 ——每次可去掉试验范围的0.382，用较少的 试验迅速找出最佳变量范围
1
高分子材料制品性能的影响因素
制样条件 ——成型方法 注射成型时，料筒和模具温度越高，试样分 子取向程度越低 ——试样形状 薄的试样，由于表面层所占比例较大，其 对拉伸强度的影响也比厚试样大
2
高分子材料制品性能的影响因素
外界因素 ——温度 ——湿度 ——使用环境
17
单因素变量配方设计方法
平分法 ——适用于在实验范围内制品有一定物理性能 指标，以此标准作为对比条件，并且预先知 道该因素对物理性能的影响规律 ——每次试验都是取在试验范围的中点，然后 根据试验结果去掉试验范围的一半直到逼近 最佳点
18
单因素变量配方设计方法
分批试验法 ——均分分批试验 ---在试验范围内均匀安排每批试验，比较结果， 留下好的试验范围，再做下一批试验，找到 理想试验范围 ---试验总时间短且快，但试验次数多 ——比例分割试验 ---试验点按照一定比例安排
作为包装袋薄膜原料配方 应该如何变化？
作为透明的微波炉饭盒配 方应该如何变化？
作为阻燃的装饰材料配方 应该如何变化？
抗氧剂1010 0.5 碳酸钙 30
22
高分子制品设计
婴儿奶瓶 ——无毒，耐热，热传导性低，透明 塑料拖鞋 ——轻便，耐磨，柔软，便宜 药用胶囊 ——软胶囊 ——硬胶囊
16
单因素变量配方设计方法
黄金分割法 ——分已知线段为两部分，使其中一部分是全 线段与另一部分的比例中项，若用G来表示 它，G 被称为黄金比或黄金分割数 ——在试验范围内的0.618处及对应点0.382 分别做实验 ——比较结果，舍去坏点以外的部分 ——每次可去掉试验范围的0.382，用较少的 试验迅速找出最佳变量范围
高分子材料加工原理 第3章 混合
2
V H
1 2
增加时，2 下降
黏度比大，变形速率小，混合质量下降
共混体系各组分选择时的黏度相近原则
高黏度的少组分混合到低黏度的多组分中——比较困难 低黏度的少组分混合到高黏度的多组分中——相对容易
二、分散混合
定义：将呈现出屈服点的物料混合在一起时,要将它们分散， 应使结块和液滴破裂，这种混合称为分散混合。
一、添加剂的属性 1. 添加剂的形态
指添加剂颗粒的形状。 添加剂的不同形态，具有不同程度的混合与改性效果。 例:添加剂颗粒纤维状对增强改性有利。
2. 添加剂的粒度 指其颗粒的具体尺寸。 添加剂的粒度大小不同，对混合物体系的改性效果大不
相同。
例 1: 对 于 冲 击 改 性 ， 作 为 分 散 相 橡 胶 平 均 粒 子 为
各组分流变性不均匀，即少组分的黏度与多组分的黏度有差异。
流变性不均匀流体在平行平板混和器中的混合
11 22 13
2
V H
1
1
2
1
少组分的剪切速率是黏度比和少组分占据的间隔分数 的函数。
<<1 2
当 1
(一) 统计学上的混合指标
(1)平均粒径 (2)总体均匀度 (3)分离尺度 (4)分离强度
(二) 视觉检测法(对比样本法)
ASTM推荐的方法，是定性的视觉法。
将观察到的试样切口情况与一组标准照片比较，评定炭 黑分散等级，其结果可用数值来表示。 将炭黑的分散情况与5张标准照片相比较，然后评定等 级。 共有5个视觉等级。等级为5时表示这样的分散状态使某些重
高分子材料配方设计分析
工艺设计
结构设计及模具设计
样品试制
如 不 合 格， 反 馈， 修 改 设 计
性能测试
成本核算
产出合格制品，编写设计说明书等技 术文件
高分子材料的配方设计方法
(1) 配方中用量的表示方法 (2)配方设计方法 单因素变量配方设计方法 多因素变量配方设计方法
典型配方
影响橡胶、塑料配方的性能因素
经过交联，材料的物理机械性能，如拉伸强度、 抗撕裂强度、回弹性、定伸强度等上升，伸长 率、永久变形下降，耐热性、高温下的尺寸稳 定性和耐化学药品性能提高。
品种与选择
(2) 偶联剂
偶联剂——将性质差异很大的材料，通过化学或物理 的作用偶联（结合）起来的物质。有时也用来处理玻 璃纤维的表面使其与树脂形成良好的结合，故也称为 表面处理剂。 有机硅烷类 钛酸酯类 偶联剂 有机铬类偶联剂
锆类偶联剂
其他偶联剂（高级脂肪酸、醇、酯、 多异氰酯酯等）
其它助剂
着色剂 (色料): 使塑料着色的一种添加剂 防静电剂
阻燃剂
其它
发泡剂
开口剂
防雾剂
再生活化剂
塑炼（素炼）促进剂
根据制品用途，确定制品应 具有的性能、参数指标
形状造型设计
配方设计
制品设计的一般流程
原料选择
样品初步设计
配方设计
自由基捕捉剂
(3) 抗氧剂
抗氧剂——可抑制或延缓高分子材料自动氧
化速度，延长其使用寿命的物质。在橡胶工业 中抗氧剂也被称为防老剂。 用量：塑料 0.1％～1％，橡胶1～5份
类型
链终止型
预防型
(4) 生物抑制剂
生物抑制剂或防生物剂——聚合物制品在贮存、 使用过程中，可能遭受老鼠、昆虫、细菌、霉 菌等的危害，抵御、避免和消灭这类情况发生 的物质。 用量一般为0.1％～5％ 抑菌剂（杀菌剂）
高分子材料的配方设计
第五节 高分子材料配方实例
配方的指定过程
几种橡胶的基本配方单位：质量份
天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶的配ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ实例
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
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即以高分子化合物质量为100份，其他组分 则以相对于高分子化合物的质量份数表示。
————应用广泛，适于工业生产， 也是大多数科研论文和报告巾的配方表示方法。 • 2、以混合料为100份的配方表示法
即以高分子化合物及各种添加剂的混合料总 质量为100份，各组分以质量分数表示。
————便于成本核算，计算材料消耗
• 除此之外，还有： 1)以混合料体积为100份表示的配方。 当己知各种组分密度时，可以高分子化合物 为l00份的配方很方便地换算出来，然后归一即可。 ————常于按体积计算成本 2)生产配方。 即按设备的生产能力，计算出各组分每次的 投料质量数。
————便于生产操作
阻燃PVC制品配方的两种表示方法
• (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。
• (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。
高分子材料的配方设计
• 教学目的：掌握高分子材料制品设计的一 般原则和程序，高分子材料的主要性能， 配方设计步骤及配方的指定过程，配方的 常见表示方法。
• 重点内容：配方设计的原则及步骤，基本 配方、性能配方及实用配方的关系。
《高分子材料加工工艺》复习资料习题答案
高分子材料加工工艺第一章绪论1.材料的四要素是什么？答：材料的四要素是：材料的制备(加工)、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。
2.什么是工程塑料？区分“通用塑料”和“工程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”。
答：按用途和性能分，又可将塑料分为通用塑料和工程塑料。
工程塑料是指拉伸强度大于50MPa，冲击强度大于6kJ/m2，长期耐热温度超过100℃的、刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀性优良等的、可替代金属用作结构件的塑料。
但这种分类并不十分严格，随着通用塑料工程化(亦称优质化)技术的进展，通过改性或合金化的通用塑料，已可在某些应用领域替代工程塑料。
热塑性塑料一般是线型高分子，在溶剂可溶，受热软化、熔融、可塑制成一定形状，冷却后固化定型；当再次受热，仍可软化、熔融，反复多次加工。
热固性塑料一般由线型分子变为体型分子，在溶剂中不能溶解，未成型前受热软化、熔融，可塑制成一定形状，在热或固化剂作用下，一次硬化成型；一当成型后，再次受热不熔融，达到一定温度分解破坏，不能反复加工。
3.与其它材料相比，高分子材料具有那些特征（以塑料为例）？答：与其他材料相比，高分子材料有以下特性(以塑料为例)。
(1)质轻。
(2)拉伸强度和拉伸模量较低，韧性较优良。
(3)传热系数小，可用作优良的绝热材料。
(4)电气绝缘性优良。
(5)成型加工性优良。
(6)减震、消音性能良好。
(7)某些塑料具有优良的减磨、耐磨和自润滑性能。
(8)耐腐蚀性能优良。
(9)透光性良好可作透明或半透明材料。
(10)着色性良好。
(11)可赋予各种特殊的功能如透气性、难燃性、粘结性、离子交换性、生物降解性以及光、热、电、磁等各种特殊性能。
(12)使用过程中易产生蠕变、疲劳、冷流、结晶等现象，长期使用性能较差。
(13)热膨胀系数大。
(14)耐热性（熔点、玻璃化转变温度）较低，使用温度不高。
(15)易燃烧。
4.获取高分子的手段有那些？答：高分子化合物的制造：获取高分子化合物的方法大致可分为三种；聚合反应、利用高分子反向和复合化。
高分子材料的制备ppt课件
28
2）非晶态结构 聚合物凝固时，分子不能规则排列，呈
长程无序、近程有序状态。非晶态聚合物分子链的活动
能力大，弹性 和塑性较好。
非晶区
材料的性能呈 各向同性。
晶区
29
结晶高聚物和非晶高聚物区别
性能参数 结晶高聚物 非晶高聚物
熔点
高
硬度
大
密度
大
韧性
差
耐热性
好
强度
高
化学稳定性
好
低 小 小 好
较差 低 差
1. 线形高分子（linear polymer） 分子长链可以蜷曲成团。线形的分子间没有化学建键结合，
在受热或者受力的情况下分子间可以相互移动，因此线型高聚 物可以在适当的溶剂中溶解，加热时可以熔融，易于加工成型。
2. 支化高分子（branching polymer） 与线形高分子的化学性质相似，但物理机械性能不同，线
10 80~100 5
13 120 5
---- 135 -
用途： 1. LDPE ：薄膜材料、软制品
2. HDPE ：硬制品、管材
3.交联聚乙烯：海底电缆、电工器材
24
eg: 橡胶硫化
未硫化:分子间容易滑动,受力后不能恢复原状 硫化后: 不易滑动, 有可逆的弹性形变 注意:交联度不同,性能也不相同; 如交联度小的橡胶(含硫量
形分子易于结晶，故密度，熔点，结晶度和硬度方面都高于 前者。
支化破坏了分子的规整性，故结晶度大大降低。
21
3. 交联（ network polymer） 高分子链之间通过支链连接成一个空间三维网状结构
形成条件：若在缩聚反应过程中有三个以上的官能度的单 体存在；或在加聚过程中有自由基的链转移反应；或双烯 类单体中第二键的活化等都能生成的高分子。
2）非晶态结构 聚合物凝固时，分子不能规则排列，呈
长程无序、近程有序状态。非晶态聚合物分子链的活动
能力大，弹性 和塑性较好。
非晶区
材料的性能呈 各向同性。
晶区
29
结晶高聚物和非晶高聚物区别
性能参数 结晶高聚物 非晶高聚物
熔点
高
硬度
大
密度
大
韧性
差
耐热性
好
强度
高
化学稳定性
好
低 小 小 好
较差 低 差
1. 线形高分子（linear polymer） 分子长链可以蜷曲成团。线形的分子间没有化学建键结合，
在受热或者受力的情况下分子间可以相互移动，因此线型高聚 物可以在适当的溶剂中溶解，加热时可以熔融，易于加工成型。
2. 支化高分子（branching polymer） 与线形高分子的化学性质相似，但物理机械性能不同，线
10 80~100 5
13 120 5
---- 135 -
用途： 1. LDPE ：薄膜材料、软制品
2. HDPE ：硬制品、管材
3.交联聚乙烯：海底电缆、电工器材
24
eg: 橡胶硫化
未硫化:分子间容易滑动,受力后不能恢复原状 硫化后: 不易滑动, 有可逆的弹性形变 注意:交联度不同,性能也不相同; 如交联度小的橡胶(含硫量
形分子易于结晶，故密度，熔点，结晶度和硬度方面都高于 前者。
支化破坏了分子的规整性，故结晶度大大降低。
21
3. 交联（ network polymer） 高分子链之间通过支链连接成一个空间三维网状结构
形成条件：若在缩聚反应过程中有三个以上的官能度的单 体存在；或在加聚过程中有自由基的链转移反应；或双烯 类单体中第二键的活化等都能生成的高分子。
成型用助剂及配方设计 PPT
成型用的物料及其配制第四节 成型用助剂及配方设计第三章常州 材料科学与工程高分子材料成型工艺学 邹国享主讲 教师在高分子材料的生产或使用过程中，为改善高分子材料某一方面的性能而加入到材料中的化学品称为高分子助剂。
由于大部分助剂是在加工过程中添加于材料或产品中，因此，助剂也常被称为“添加剂”或“配合剂”。
助剂的主要作用⏹改善聚合物的加工工艺，优化工艺条件，提高加工效率；⏹改进制品的性能，提高使用价值，延长使用寿命。
高分子合成助剂 高分子加工助剂高分子助剂塑料加工助剂 橡胶加工助剂主要可分为加工改性助剂、稳定化助剂和功能化助剂等。
选用助剂的基本原则（1）助剂与树脂间的相容性（2）助剂的耐久性（3）助剂对加工条件及制品用途的适应性（4）助剂配合中的协同作用和对抗作用增塑剂增加塑料的可塑性，改善在成型加工时树脂的流动性，提高制品柔韧性的物质。
它通常是一些高沸、难以挥发的粘稠液体或低熔点的固体，一般不与塑料发生化学反应。
增塑剂的作用DOP 、多元醇酯或多元酸酯、环氧大豆油类、聚酯等增加塑料的可塑性改善在成型加工时树脂的流动性提高制品柔韧性润滑剂能降低塑料熔体粘度或熔体与加工设备之间摩擦系数的添加剂称为润滑剂。
润滑剂分为内润滑剂和外润滑剂两大类。
●内润滑剂通过降低聚合物内部分子间的摩擦，降低成型加工中聚合物的熔体粘度并减少能量消耗。
●外润滑剂的作用是减少聚合物与加工设备之间的摩擦或粘附。
常用的润滑剂有：金属皂类、脂肪酸及酯类、烃类和有机硅化合物类等。
稳定化助剂稳定剂的主要功能是阻缓或停止塑料在物理的（如热、光）和化学的（氧、微生物）因素作用下的降解。
主要有热稳定剂、光稳定剂和抗氧剂等。
稳定剂主要包括：热稳定剂光稳定剂抗氧剂阻燃剂阻止或延缓塑料燃烧的物质叫阻燃剂。
通常阻燃剂可分为添加型和反应型两类。
添加型阻燃剂能分散在塑料母体中，但与聚合物不发生化学反应。
常用的添加型阻燃剂有：三氧化二锑（锑白）、氢氧化铝、十溴二苯醚、氯化石蜡（含氯量70％）、磷酸三苯酯。
高分子材料的配方设计
第三章
高分子材料的配方设计
制品的性能是受制样条件，测试条件及 外界因素等影响的绝对值。掌握高分子材 料制品设计的一般原则的程序、配方设计 原则和步骤。掌握正交设计法。
高分子材料制品设计的一般原则和 程序p101图3-1：实用、高效、经济 样品的初步设计：配方、工艺、结构、 模具 高分子材料配方设计 • 高分子材料制品的主要性能p102 表3-1 • 配方表示方法的类型和作用
1
1
2
7
8 9 Ⅰ Ⅱ
1
2 3 1.2204 1.5246
3
3 3 1.2744 2.0819
3
1 2 1.8594 2.0014
2
3 1 1.7444 1.8418
0.5531
0.9541 5.2178
Ⅲ R 较优水平 因素主次
2.4728 1.2524 3 MAH量6%
1.8615 0.8075 2
1.3507 0.6507 2
1.6316 0.2102发剂用量0.4% 100 ℃
PP电缆：
PP 100 抗氧剂 0.5 抗紫外剂 0.5 CaCO3 5 190℃，挤出---〉拉伸
鞋底：
SBS 100 PS 50 改性剂、提高强度、耐磨性、耐撕裂 CaCO3 20降低成本、提高耐磨性、拉伸强度、 硬度 防老剂 SP 1.0 抗氧剂164 1.0 7#机油 35 ——软化剂 ZnSt 0.5 ——稳定剂、润滑剂 着色剂 2
?配方设计方法单因素变量多因素变量?配方设计方法单因素变量?爬山法?黄金分割法?平分法?分批试验法?抛物线法?分数法多因素变量?正交设计法?中心复合试验计算法位级mah用量引发剂用量反应温度反应时间min12029040??配方设计实例2404100603606110804808120100实验号mah用量引发剂用量反应温度反应时间min接枝率11111029362212204748331330506041223057255223104967632121012771332035438231305531933210954112204127441859417444521781524620819200141841824728186151350716316r12524080750650702102较优水平3222因素主次mah量6引发剂用量04反应温度100反应时间60min?pp电缆
高分子材料的配方设计
制品的性能是受制样条件，测试条件及 外界因素等影响的绝对值。掌握高分子材 料制品设计的一般原则的程序、配方设计 原则和步骤。掌握正交设计法。
高分子材料制品设计的一般原则和 程序p101图3-1：实用、高效、经济 样品的初步设计：配方、工艺、结构、 模具 高分子材料配方设计 • 高分子材料制品的主要性能p102 表3-1 • 配方表示方法的类型和作用
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8 9 Ⅰ Ⅱ
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2 3 1.2204 1.5246
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3 3 1.2744 2.0819
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1 2 1.8594 2.0014
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3 1 1.7444 1.8418
0.5531
0.9541 5.2178
Ⅲ R 较优水平 因素主次
2.4728 1.2524 3 MAH量6%
1.8615 0.8075 2
1.3507 0.6507 2
1.6316 0.2102发剂用量0.4% 100 ℃
PP电缆：
PP 100 抗氧剂 0.5 抗紫外剂 0.5 CaCO3 5 190℃，挤出---〉拉伸
鞋底：
SBS 100 PS 50 改性剂、提高强度、耐磨性、耐撕裂 CaCO3 20降低成本、提高耐磨性、拉伸强度、 硬度 防老剂 SP 1.0 抗氧剂164 1.0 7#机油 35 ——软化剂 ZnSt 0.5 ——稳定剂、润滑剂 着色剂 2
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2.1 配方设计应考虑的问题
配方设计
经验
理论
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；
现在已发展到用计算机进行配方制定。 2.2 配方制定过程 基本配方 性能配方 实用配方
2.2 配方制定过程
○ 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。 ○ 性能配方：基本配方+性能体系
2.5 配方设计实验方法
配方设计实验方法是指通过实验确定配方 中各种添加剂加入量的方法，涉及实验步骤安 排、变量选择和变量范围的确定。 2.5.1 配方设计时考虑的因素 因素（又称因子）和水平（位级）是配 方设计中最频繁使用的两个术语。 因素是指材料影响材料性能指标的因子。 水平是指每个因素可能处于的状态。
针对某种性能要求：往往专门提高某一 （些）性能。 ○ 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。
2.2 配方制定过程
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种配合剂及其基本用 量，一般采用传统使用量，并且尽可能简单。 例如：橡胶基本配方：
根据制品的使用目的和用途，确定制品功能特点、 载荷条件、环境条件、成本限制、适应标准等 形状造型设计 合理选材 样品初步设计 配方设计 工艺设计 结构设计及模具设计 如不合格，反馈，修改设计
样品试样
性能测试
定额测算并核算成本
产品合格制品，编写设计说明书等技术文件
图3-2 高分子材料制 品设计程序
2. 配方设计 2.1 配方设计应考虑的问题 ○ 加什么？选什么？ ○ 加多少？ ○ 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。
2.5 配方设计实验方法
2.5.2 单因素变量配方设计法 在单因素变量设计所考虑的问题是，在 所讨论的变量区间内，确定哪一个变量的性 能最优。常用的寻优方法主要有两类：消去 法和近似法。
消去法原理
假定f(x)是物理性能指标，它是变量区 间中单峰函数，即f(x)在变量区间[a，b]中只 有一个极值点，这个点就所寻找的物理性能 最佳点。
第三章 高分子材料的配方设计
高分子新材料的研制、开发、产业化是一 个系统工程，涉及的问题很多，有配方设计、 工艺设计、设备选型、制品造型设计、 结构 设计、模具设计。其中配方设计是核心。 配方设计——就是根据产品的性能要求和 工艺条件合理地选用原材料，确定各种原材料 的用量配比关系。
1. 高分子材料制品设计的原则和程序 1.1 制品设计 选用 高分 子材 料 制定 生产 工艺
消去法原理
○ 若x1、x2 在x*的两侧，则不论消去[a0， x2]还是[x2，b0] ，最小点必在留下的部分内， 如图3-4（c）所示。
图3-4 搜索区间的缩短
消去法原理
搜索的方法很多，如黄金分割法、爬山 法、平分法（对分法）等。 2.5.3 多因素变量配方设计法
在实际的配方设计中，常常要同时考虑 几个因素，首先要对各个因素进行分析，找 出主要因素，略去次要因素。若经过分析， 仍需同时考虑若干因素，就必须使用多因素 方法。多因素试验设计方法很多，正交试验 设计法和中心复合试验设计法用得最多。
图3-3 在[a0，b0]搜 索区间内因素取值与
目标函数f(x)的关系
消去法原理
设函数f(x)如图3-3所示，起始的搜索区 间为[a0，b0]，x*为所寻求目标函数最小点 （最佳值）。 在搜索区间[a0，b0]内任取两点x1、x2， 且x1<x2，将两点的函数值进行比较，可能有 下列3种情况：
Hale Waihona Puke 消去法原理判定制品
形状 结构 性能
配方
1.1 制品设计
产品研究开发机构
产品设计师
生产工程师 材料设计师 试样制造者 材料供应商 模具设计师
模具制造者
设备制造者
图3-1 高分子材料产品开发支持链
1.2 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 1.3 设计程序
组分数
1~2 4~5 1~2
2~5 1~2
1~2
2.4 配方的表示法
○ 重量比：以聚合物的量基准（100份）。 此表示法最常用（论文、科研） ○ 重量百分数：以配方的总重量为100。 便于备料，计算成本。 ○ 体积百分数：各组分体积总和为100。 这对于以体积计算成本有利。 ○ 生产配方：按生产设备每一次投料量计算各 组分需多少。 此表示法便于生产操作。
实例 在实际生产中，配合剂往往以母炼胶的 形式加入，因此使用母炼胶的配方应进行换 算。 现有下列配方： 天然橡胶 100.0 硬脂酸 3.00 硫磺 2.75 防老剂 1.00 促进剂M 0.75 炭黑 45.00 氧化锌 5.00 合计 157.50
实例 其中促进剂以母炼胶的形式加入。母炼 胶的配方为： 天然橡胶 90.00 促进剂 10.00 合计 100.00
○ f(x1)<f(x2):若x1、x2 在x*的右侧，则必 然f(x1)<f(x2)，在这种情况下，可消去:[x2， b0]部分，最小点必在区间[a0，x2]内，如图 3-4（a）所示。 ○ f(x1)>f(x2):若x1、x2 在x*的左侧，则必 然f(x1)>f(x2)，在这种情况下，可消去:[a0， x1]部分，最小点必在区间[x1，b0]内，如图 3-4（b）所示。
生胶:100 phr; 硫磺:0.5~3.5 phr; 促进剂:0.5~1.5phr ZnO: 1~10 phr; Hst:0.2~2.0 phr；防老剂：0.25~1.5 phr
2.3 配方的组成
配 方 组 成
主体部分 聚合物 交联体系 交联剂量、促进剂、活性剂、防焦剂 稳定体系 热稳定剂、抗氧剂 增塑剂、补强剂、增韧剂、防老剂、 性能体系 发泡剂、着色剂 加工体系 增塑剂、润滑剂 成本体系 填充剂