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塑料配方設(shè)計(jì)十大要點(diǎn)
時(shí)間：2019-11-18 10:03
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PA66塑膠原料物性
配方設(shè)計(jì)的關(guān)鍵為選材、搭配、用量、混合四大要素，表面看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但其實(shí)包含了很多內(nèi)在聯(lián)系，要想設(shè)計(jì)出一個(gè)高性能、易加工、低價(jià)格的配方也并非易事，需要考慮的因素很多，作者積多年的配方設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提供如下幾個(gè)方面的因素供讀者參考。 1、樹(shù)脂的選擇
（1）樹(shù)脂品種的選擇 樹(shù)脂要選擇與改性目的性能最接近的品種，以節(jié)省加入助劑的使用量。如耐磨改性，樹(shù)脂要首先考慮選擇三大耐磨樹(shù)脂PA、POM、UHMWPE；再如透明改性，樹(shù)脂要首先考慮選擇三大透明樹(shù)脂PS、PMMA、PC。 （2）樹(shù)脂牌號(hào)的選擇 同一種樹(shù)脂的牌號(hào)不同，其性能差別也很大，應(yīng)該選擇與改性目的性能最接近的牌號(hào)。如耐熱改性PP，可在熱變形溫度100～140℃的PP牌號(hào)范圍內(nèi)選擇，我們要選用本身耐熱140℃的PP牌號(hào)，具體如大韓油化的PP-4012。 （3）樹(shù)脂流動(dòng)性的選擇 配方中各種塑化材料的粘度要接近，以保證加工流動(dòng)性。對(duì)于粘度相差懸殊的材料，要加過(guò)渡料，以減小粘度梯度。如PA66增韌、阻燃配方中常加入PA6作為過(guò)渡料，PA6增韌、阻燃配方中常加入HDPE作為過(guò)渡料。 不同加工方法要求流動(dòng)性不同。 不同品種的塑料具有不同的流動(dòng)性。由此將塑料分成高流動(dòng)性塑料、低流動(dòng)性塑料和不流動(dòng)性塑料，具體如下： 高流動(dòng)性塑料——PS、HIPS、ABS、PE、PP、PA等。 低流動(dòng)性塑料——PC、MPPO、PPS等。 不流動(dòng)性塑料——聚四氟乙烯、UHMWPE、PPO等。 同一品種塑料也具有不同的流動(dòng)性，主要原因?yàn)榉肿恿?、分子鏈分布的不同，所以同一種原料分為不同的牌號(hào)。不同的加工方法所需用的流動(dòng)性不同，所以牌號(hào)分為注塑級(jí)、擠出級(jí)、吹塑級(jí)、壓延級(jí)等，具體見(jiàn)表1所示。 |
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表1 不同加工方法與熔體流動(dòng)指數(shù)的關(guān)系
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不同改性目的要求流動(dòng)性不同，如高填充要求流動(dòng)性好，如磁性塑料、填充目料、無(wú)鹵阻燃電纜料等。
（4）樹(shù)脂對(duì)助劑的選擇性 如PPS不能加入含鉛和含銅助劑，PC不能用三氧化銻，這些都可導(dǎo)致解聚。同時(shí)，助劑的酸堿性，應(yīng)與樹(shù)脂的酸堿性要一致，否則會(huì)起兩者的反應(yīng)。 2、助劑的選擇
（1）按要達(dá)到的目的選用助劑 按要達(dá)到的目的選擇合適的助劑品種，所加入助劑應(yīng)能充分發(fā)揮其預(yù)計(jì)功效，并達(dá)到規(guī)定指標(biāo)。規(guī)定指標(biāo)一般為產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，或客戶提出的性能要求。助劑的具體選擇范圍如下： 增韌——選彈性體、熱塑性彈性體和剛性增韌材料。 增強(qiáng)——選玻璃纖維、碳纖維、晶須和有機(jī)纖維。 阻燃——溴類（普通溴系和環(huán)保溴系）、磷類、氮類、氮/磷復(fù)合類膨脹型阻燃劑、三氧化二銻、水合金屬氫氧化物。 抗靜電——各類抗靜電劑。 導(dǎo)電——碳類（炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管）、金屬纖維和金屬粉、金屬氧化物。 磁性——鐵氧體磁粉、稀土磁粉包括釤鈷類（SmCo5或Sm2Co17）、釹鐵硼類(NdFeB)、釤鐵氮類(SmFeN)、鋁鎳鈷類磁粉三大類。 導(dǎo)熱——金屬纖維和金屬粉末、金屬氧化物、氮化物和碳化物；碳類材料如炭黑、碳纖維、石墨和碳納米管；半導(dǎo)體材料如硅、硼。 耐熱——玻璃纖維、無(wú)機(jī)填料、耐熱劑如取代馬來(lái)酰亞胺類和β晶型成核劑。 透明——成核劑，對(duì)PP而言α晶型成核劑的山梨醇系列Millad 3988效果最好。 耐磨——石墨、二硫化鉬、銅粉等。 絕緣——煅燒高嶺土。 阻隔——云母、蒙脫土、石英等。 （2）助劑對(duì)樹(shù)脂具有選擇性 紅磷阻燃劑對(duì)PA、PBT、PET有效；氮系阻燃劑對(duì)含氧類有效，如PA、PBT、PET等；成核劑對(duì)共聚聚丙烯效果好；玻璃纖維耐熱改性對(duì)結(jié)晶性塑料效果好，對(duì)非晶型塑料效果差；炭黑填充導(dǎo)電塑料，在結(jié)晶性樹(shù)脂中效果好。 3、助劑的形態(tài)
同一種成分的助劑，其形態(tài)不同，對(duì)改性作用的發(fā)揮影響很大。 （1）助劑的形狀 纖維狀助劑的增強(qiáng)效果好。助劑的纖維化程度可用長(zhǎng)徑比表示，L/D越大、增強(qiáng)效果越好，這就是為什么我們加玻璃纖維要從排氣孔加入。熔融狀態(tài)比粉末狀有利于保持長(zhǎng)徑比，減小斷纖幾率。 圓球狀助劑的增韌效果好、光亮度高。硫酸鋇為典型的圓球狀助劑，因此高光澤PP的填充選用硫酸鋇，小幅度剛性增韌也可用硫酸鋇。 （2）助劑的粒度 |
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表2 粒度的兩種表達(dá)方法
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注：目數(shù)為每平方英寸篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)目。
A．助劑粒度對(duì)力學(xué)性能的影響 粒度越小，對(duì)填充材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度越有益。例如，不同粒度的20%硅灰石填充對(duì)PA6力學(xué)性能的影響見(jiàn)表3。 |
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表3 不同粒度的20%硅灰石填充對(duì)PA6力學(xué)性能的影響
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再如，就沖擊強(qiáng)度而言, 三氧化二銻的粒徑每減少1μm，沖擊強(qiáng)度就會(huì)增加1倍。
B．助劑粒度對(duì)阻燃性能的影響 阻燃劑的粒度越小，阻燃效果就越好。例如水合金屬氧化物和三氧化二銻的粒度越小，達(dá)到同等阻燃效果的加入量就越少。 例如，在LDPE中加入80份不同粒度的氫氧化鋁的阻燃效果見(jiàn)表4。 |
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表4 LDPE中加入80份不同粒度的氫氧化鋁的阻燃效果
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再如，ABS中加入4%粒度為45μm的三氧化二銻與加入1%粒度為0.03μm的三氧化二銻阻燃效果相同。
C．助劑粒度對(duì)配色的影響 著色劑的粒度越小，著色力越高、遮蓋力越強(qiáng)、色澤越均勻。但著色劑的粒度不是越小越好，存在一個(gè)極限值，而且對(duì)不同性能的極限值不同。對(duì)著色力而言，偶氮類著色劑的極限粒度為0.1μm，酞箐類著色劑的極限粒度為0.05μm。對(duì)遮蓋力而言，著色劑的極限粒度為0.05μm左右。 D．助劑粒度對(duì)導(dǎo)電性能的影響 以炭黑為例，其粒度越小，越易形成網(wǎng)狀導(dǎo)電通路，達(dá)到同樣的導(dǎo)電效果加入炭黑的量降低。但同著色劑一樣，粒度也有一個(gè)極限值，粒度太小易于聚集而難于分散，效果反倒不好。 （3）助劑的表面處理 助劑與塑膠原料樹(shù)脂的相容性要好，這樣才能保證助劑與樹(shù)脂按預(yù)想的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分散，保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的完成，保證在使用壽命內(nèi)其效果持久發(fā)揮，耐抽提、耐遷移、耐析出。如大部分配方要求助劑與樹(shù)脂均勻分散，對(duì)阻隔性配方則希望助劑在樹(shù)脂中層狀分布。除表面活性劑等少數(shù)助劑外，與樹(shù)脂良好的相容性是發(fā)揮其功效和提高添加量的關(guān)鍵。因此，必須設(shè)法提高或改善其相容性，如采用相容劑或偶聯(lián)劑進(jìn)行表面活化處理等。 所有無(wú)機(jī)類添加劑的表面經(jīng)過(guò)處理后，改性效果都會(huì)提高。尤其以填料最為明顯，其它還有玻璃纖維、無(wú)機(jī)阻燃劑等。 表面處理以偶聯(lián)劑和相容劑為主，偶聯(lián)劑具體如硅烷類、鈦酸酯類和鋁酸酯類，相容劑為樹(shù)脂對(duì)應(yīng)的馬來(lái)酸酐接枝聚合物。 4、助劑的合理加入量
（1）有的助劑加入量越多越好 具體如阻燃劑、增韌劑、磁粉、阻隔等，加入量越多越好。 （2）有的助劑加入量有最佳值 如導(dǎo)電助劑，形成到電通路后即可，再加入無(wú)效果；再如偶聯(lián)劑，表面包覆即可，再加無(wú)用；又如抗靜電劑，在制品表面形成泄電荷層即可。 5、助劑與其它組分關(guān)系
配方中所選用的助劑在發(fā)揮自身作用的同時(shí)，應(yīng)不劣化或最小限定地影響其他助劑功效的發(fā)揮，最好與其他助劑有協(xié)同作用。在一個(gè)具體配方中，為達(dá)到不同的目的可能加入很多種類的助劑，這些助劑之間的相互關(guān)系很復(fù)雜。有的助劑之間有協(xié)同作用，而有的助劑之間有對(duì)抗作用。 5.1協(xié)同作用 協(xié)同作用是指塑料配方中兩種或兩種以上的添加劑一起加入時(shí)的效果高于其單獨(dú)加入的平均值。 ?。?）在抗老化的配方中，具體協(xié)同作用有： 兩種羥基鄰位取代基位阻不同的酚類抗氧劑并用有協(xié)同效果； 兩種結(jié)構(gòu)和活性不同的胺類抗氧劑并用有協(xié)同效果； 抗氧化性不同的胺類和酚類抗氧劑復(fù)合使用有協(xié)同效果； 全受阻酚類和亞磷酸酯類抗氧劑有協(xié)同作用； 半受阻酚類與硫酯類抗氧劑有協(xié)同作用，主要用于戶內(nèi)制品中； 受阻酚類抗氧劑和受阻胺類光穩(wěn)定劑； 受阻胺類光穩(wěn)定劑與磷類抗氧劑； 受阻胺類光穩(wěn)定劑與紫外光吸收劑。 ?。?）在阻燃配方中，協(xié)同作用的例子也很多，主要有： 在鹵素/銻系復(fù)合阻燃體系中，鹵系阻燃劑可于Sb2O3發(fā)生反應(yīng)而生成SbX3，SbX3可以隔離氧氣從而達(dá)到增大阻燃效果的目的。 在鹵素/磷系復(fù)合阻燃體系中，兩類阻燃劑也可以發(fā)生反應(yīng)而生成PX3、PX2、POX3等高密度氣體，這些氣體可以起到隔離氧氣的作用。另外，兩類阻燃劑還可分別在氣相、液相中相互促進(jìn)，從而提高阻燃效果。 5.2對(duì)抗作用 對(duì)抗作用是指塑料配方中兩種或兩種以上的添加劑一起加入時(shí)的效果低于其單獨(dú)加入的平均值。 （1）在防老化塑料配方中，對(duì)抗作用的例子很多，主要有： HALS類光穩(wěn)定劑不與硫醚類輔抗氧劑并用，原因?yàn)榱蛎杨愖躺乃嵝猿煞忠种屏薍ALS的光穩(wěn)定作用。 芳胺類和受阻酚類抗氧劑一般不與炭黑類紫外光屏蔽劑并用，因?yàn)樘亢趯?duì)胺類或酚類的直接氧化有催化作用抑制抗氧效果的發(fā)揮。 常用的抗氧劑與某些含硫化物，特別是多硫化物之間，存在對(duì)抗作用。其原因也是多硫化物有助氧化作用。 如HALS不能與酸性助劑共用，酸性助劑會(huì)與堿性的HALS發(fā)生鹽化反應(yīng)，導(dǎo)致HALS失效；在酸性助劑存在時(shí)，一般只能選用紫外光吸收劑。 ?。?）在阻燃塑料配方中，也有對(duì)抗作用的例子，主要有： 鹵系阻燃劑與有機(jī)硅類阻燃劑并用，會(huì)降低阻燃效果；紅磷阻燃劑與有機(jī)硅類阻燃劑并用，也存在對(duì)抗作用。 （3）其它對(duì)抗作用的例子有： 鉛鹽類助劑不能與含硫化合物的助劑一起使用，否則引起鉛污染。因此在PVC加工配方中，硬脂酸鉛潤(rùn)滑劑和硫醇類有機(jī)錫千萬(wàn)不要一起加入；硫醇錫類穩(wěn)定劑不能用于銅電纜的絕緣層中，否則引起銅污染；又如在含有大量吸油性填料的填充配方中，油性助劑如DOP、潤(rùn)滑劑的加入量要相應(yīng)增大，以彌補(bǔ)被吸收部分。 6、配方各組分混合要均勻
（1）有些組分要分次加入 對(duì)于填料加入量太大的配方，填料最好分兩次加入。第一次在加料斗，第二次在中間側(cè)加料口。如PE加入150份氫氧化鋁的無(wú)鹵阻燃配方，就要分兩次加入，否則不能造粒。 對(duì)于填料的偶聯(lián)劑處理，一般要分三次噴入方可分散均勻，偶聯(lián)效果好。 （2）合理排布加料順序 在PVC或填充母料的配方中，各種料的加料順序很主要。填充母料配方中，要先加填料，混合后升溫后可除去其中的水份，利于后續(xù)的偶聯(lián)處理。在PVC配方中，外潤(rùn)滑劑要后加，以免影響其它物料的均勻混合。 7、配方對(duì)其它性能的負(fù)面影響
所設(shè)計(jì)的配方應(yīng)該不劣化或最小限定地影響樹(shù)脂的基本物理機(jī)械性能，最起碼要保留原有的性能，最好能順便提高原樹(shù)脂的某些性能。但客觀存在的事實(shí)是，任何事物都具有兩面性，在改善某一性能時(shí)，可能降低其他性能，可謂顧此失彼。因此在設(shè)計(jì)配方時(shí)，一定要全面考慮，盡可能不影響其它性能。如高填充配方對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能和加工性能影響很大，沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都大幅度下降，加工流動(dòng)性變差。如果制品對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有具體要求，在配方中要做具體補(bǔ)償，如加入彈性體材料彌補(bǔ)沖擊性能，加入潤(rùn)滑劑改善加工性能。 下面舉幾個(gè)經(jīng)常受影響的性能。 （1）沖擊性 大部分無(wú)機(jī)材料和部分有機(jī)材料都降低配方的沖擊性能。為了補(bǔ)償沖擊強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)配方時(shí)需要加入彈性體。如在填充體系的PP/滑石粉/POE配方，在阻燃體系A(chǔ)BS/十溴/三氧化二銻/增韌劑配方。 （2）透明性 大多數(shù)無(wú)機(jī)材料對(duì)透明性都有影響，選擇折光指數(shù)與樹(shù)脂相近的無(wú)機(jī)材料對(duì)透明性影響會(huì)小些。近來(lái)，透明填充母料比較流行，主要針對(duì)HDPE塑膠袋，加入特殊品種的滑石粉對(duì)透明性影響小，但不是絕對(duì)沒(méi)有影響。 有機(jī)材料也對(duì)透明性有影響，如PVC增韌，只有MBS不影響透明性，而CPE、EVA、ACR都影響其透明性。 在無(wú)機(jī)阻燃材料中，膠體五氧化二銻不影響透明性。 （3）顏**** 有些樹(shù)脂本身為深色，如酚醛樹(shù)脂本身為棕色、導(dǎo)電樹(shù)脂如聚苯胺等本身為黑色。有些助劑本身也具有顏****，如炭黑、碳納米管、石墨、二硫化鉬都為黑色，紅磷為深紅色，各類著色劑為五顏六色。 在配方設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意助劑本身的顏色及變****，有些助劑本身顏色很深，這會(huì)影響制品的顏色，難以加工淺色制品。如炭黑為黑色，只能加工深色制品；其他如石墨、紅磷、二硫化鉬、金屬粉末及工業(yè)礦渣等本身都帶有顏色，選用時(shí)要注意。還有些助劑本身為白色，但在加工中因高溫反應(yīng)而變色，如硅灰石本身為白色，但填充到樹(shù)脂中加工后就成淺灰色了。 （4）其它性能 塑料的導(dǎo)熱改性一般為加入金屬類和碳類導(dǎo)熱劑，但此類導(dǎo)熱劑又是導(dǎo)電劑，在提高導(dǎo)熱性同時(shí)會(huì)提高導(dǎo)電性，從而影響絕緣性。而導(dǎo)熱很多用于要求絕緣的材料如線路板、接插件、封裝材料等。為此要絕緣導(dǎo)熱不能加入具有導(dǎo)電性的導(dǎo)熱劑，只能加入絕緣類導(dǎo)熱劑，如陶瓷類金屬氧化物。 8、配方應(yīng)具有可加工性
配方要保證適當(dāng)?shù)目杉庸ば阅?，以保證制品的成型，并對(duì)加工設(shè)備和使用環(huán)境無(wú)不良影響。復(fù)合材料中助劑的耐熱性要好，在加工溫度下不發(fā)生蒸發(fā)、分解（交聯(lián)劑、引發(fā)劑和發(fā)泡劑除外）；助劑的加入對(duì)樹(shù)脂的原加工性能影響要?。凰尤胫鷦?duì)設(shè)備的磨損和腐蝕應(yīng)盡可能小，加工時(shí)不放出有毒氣體，損害加工人員的健康。 （1）流動(dòng)性 大部分無(wú)機(jī)填料都影響加工性，如加入量大，需要相應(yīng)加入加工改性劑以補(bǔ)償損失的流動(dòng)性，如加入潤(rùn)滑劑等。 有機(jī)助劑一般都促進(jìn)加工性，如十溴二苯醚、四溴雙酚A阻燃劑都可促進(jìn)加工流動(dòng)性，尤其四溴雙酚A的效果更明顯。 一般的改性配方都需加入適量的潤(rùn)滑劑。 （2）耐熱性 保證助劑在加工過(guò)程中不要分解，除發(fā)泡劑、引發(fā)劑、交聯(lián)劑因功能要求必須要分解外。還要注意以下幾點(diǎn)： 氫氧化鋁因分解溫度低，不適合于PP中使用，只能用于PE中。 四溴雙酚A因分解溫度低，不適合于ABS的阻燃。 大部分有機(jī)染料分解溫度低，不適合高溫加工的工程塑料。 香料的分解溫度都低，一般在150℃以下，只能用EVA等低加工溫度的樹(shù)脂為載體。 改性塑料配方因加工過(guò)程中剪切作用強(qiáng)烈，都需要加入抗氧劑，以防止熱分解發(fā)生，而導(dǎo)致原料變黃。 9、塑料配方組分的環(huán)保性
具體要求為配方中的各類助劑對(duì)操縱者無(wú)害、對(duì)設(shè)備無(wú)害、對(duì)使用者無(wú)害、對(duì)接觸環(huán)境無(wú)害。以前環(huán)保的要求范圍小，只是對(duì)食品、藥品等與人體接觸要無(wú)毒即可。現(xiàn)在的要求高了，與人體間接接觸的也不行，要對(duì)環(huán)境無(wú)污染，如土、水、大氣層等。 （1）人體衛(wèi)生性 樹(shù)脂和所選助劑應(yīng)該絕對(duì)無(wú)毒，或其含量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。 （2）對(duì)環(huán)境污染 所選組分不能污染環(huán)境。如：鉛鹽不能用于上水管和電纜護(hù)套，因?yàn)榻M分會(huì)從埋地的上水管、架空的電纜護(hù)套經(jīng)雨淋滲入土壤中，農(nóng)作物吸收后人食用。 幾種增塑劑DOA、DOP不能用于玩具、食品包裝膜。 鉛、鎘、六價(jià)鉻、汞重金屬不能用，污染土壤。 多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚不能用，產(chǎn)生二噁英，污染大氣層。 10、助劑的價(jià)格和來(lái)源
在滿足配方的上述要求基礎(chǔ)上，配方的價(jià)格越低越好。在具體選用助劑時(shí)，對(duì)同類助劑一定要選低價(jià)格的種類。如在PVC穩(wěn)定配方中，能選鉛鹽類穩(wěn)定劑就不要選有機(jī)錫類穩(wěn)定劑；在阻燃配方中，能選硼酸鋅則不選三氧化二銻或氧化鉬。具體應(yīng)遵循以下原則： 盡可能選擇低價(jià)格原料——降低產(chǎn)品成本 盡可能選庫(kù)存原料——不用購(gòu)買。 盡可能選當(dāng)?shù)禺a(chǎn)原料——運(yùn)輸費(fèi)低，可減少庫(kù)存量，節(jié)省流動(dòng)資金 盡可能選國(guó)產(chǎn)原料——進(jìn)口原料受外匯、貿(mào)易政策、運(yùn)輸時(shí)間等因素影響大。 盡可能選通用原料——新原料經(jīng)銷單位少，不易買到，而且性能不穩(wěn)定。 |
