塑料配方设计(PPT116页)

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；
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。
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；
(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；
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：
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。
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。
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。
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。
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。
(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；
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
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。
(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
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)。
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
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ห้องสมุดไป่ตู้时进行的。
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。
(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。
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。
(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Millad 3988 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：
（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。