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塑料配方設計十大要點
時間：2019-11-18 10:03
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來源：互聯(lián)網(wǎng)
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PA66塑膠原料物性
配方設計的關鍵為選材、搭配、用量、混合四大要素，表面看起來很簡單，但其實包含了很多內在聯(lián)系，要想設計出一個高性能、易加工、低價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計經(jīng)驗提供如下幾個方面的因素供讀者參考。 1、樹脂的選擇
（1）樹脂品種的選擇 樹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，樹脂要首先考慮選擇三大耐磨樹脂PA、POM、UHMWPE；再如透明改性，樹脂要首先考慮選擇三大透明樹脂PS、PMMA、PC。 （2）樹脂牌號的選擇 同一種樹脂的牌號不同，其性能差別也很大，應該選擇與改性目的性能最接近的牌號。如耐熱改性PP，可在熱變形溫度100～140℃的PP牌號范圍內選擇，我們要選用本身耐熱140℃的PP牌號，具體如大韓油化的PP-4012。 （3）樹脂流動性的選擇 配方中各種塑化材料的粘度要接近，以保證加工流動性。對于粘度相差懸殊的材料，要加過渡料，以減小粘度梯度。如PA66增韌、阻燃配方中常加入PA6作為過渡料，PA6增韌、阻燃配方中常加入HDPE作為過渡料。 不同加工方法要求流動性不同。 不同品種的塑料具有不同的流動性。由此將塑料分成高流動性塑料、低流動性塑料和不流動性塑料，具體如下： 高流動性塑料——PS、HIPS、ABS、PE、PP、PA等。 低流動性塑料——PC、MPPO、PPS等。 不流動性塑料——聚四氟乙烯、UHMWPE、PPO等。 同一品種塑料也具有不同的流動性，主要原因為分子量、分子鏈分布的不同，所以同一種原料分為不同的牌號。不同的加工方法所需用的流動性不同，所以牌號分為注塑級、擠出級、吹塑級、壓延級等，具體見表1所示。 |
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表1 不同加工方法與熔體流動指數(shù)的關系
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不同改性目的要求流動性不同，如高填充要求流動性好，如磁性塑料、填充目料、無鹵阻燃電纜料等。
（4）樹脂對助劑的選擇性 如PPS不能加入含鉛和含銅助劑，PC不能用三氧化銻，這些都可導致解聚。同時，助劑的酸堿性，應與樹脂的酸堿性要一致，否則會起兩者的反應。 2、助劑的選擇
（1）按要達到的目的選用助劑 按要達到的目的選擇合適的助劑品種，所加入助劑應能充分發(fā)揮其預計功效，并達到規(guī)定指標。規(guī)定指標一般為產品的國家標準、國際標準，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——選玻璃纖維、碳纖維、晶須和有機纖維。 阻燃——溴類（普通溴系和環(huán)保溴系）、磷類、氮類、氮/磷復合類膨脹型阻燃劑、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；半導體材料如硅、硼。 耐熱——玻璃纖維、無機填料、耐熱劑如取代馬來酰亞胺類和β晶型成核劑。 透明——成核劑，對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）助劑對樹脂具有選擇性 紅磷阻燃劑對PA、PBT、PET有效；氮系阻燃劑對含氧類有效，如PA、PBT、PET等；成核劑對共聚聚丙烯效果好；玻璃纖維耐熱改性對結晶性塑料效果好，對非晶型塑料效果差；炭黑填充導電塑料，在結晶性樹脂中效果好。 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 纖維狀助劑的增強效果好。助劑的纖維化程度可用長徑比表示，L/D越大、增強效果越好，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．助劑粒度對力學性能的影響 粒度越小，對填充材料的拉伸強度和沖擊強度越有益。例如，不同粒度的20%硅灰石填充對PA6力學性能的影響見表3。 |
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表3 不同粒度的20%硅灰石填充對PA6力學性能的影響
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再如，就沖擊強度而言, 三氧化二銻的粒徑每減少1μm，沖擊強度就會增加1倍。
B．助劑粒度對阻燃性能的影響 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．助劑粒度對配色的影響 著色劑的粒度越小，著色力越高、遮蓋力越強、色澤越均勻。但著色劑的粒度不是越小越好，存在一個極限值，而且對不同性能的極限值不同。對著色力而言，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。對遮蓋力而言，著色劑的極限粒度為0.05μm左右。 D．助劑粒度對導電性能的影響 以炭黑為例，其粒度越小，越易形成網(wǎng)狀導電通路，達到同樣的導電效果加入炭黑的量降低。但同著色劑一樣，粒度也有一個極限值，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 助劑與塑膠原料樹脂的相容性要好，這樣才能保證助劑與樹脂按預想的結構進行分散，保證設計指標的完成，保證在使用壽命內其效果持久發(fā)揮，耐抽提、耐遷移、耐析出。如大部分配方要求助劑與樹脂均勻分散，對阻隔性配方則希望助劑在樹脂中層狀分布。除表面活性劑等少數(shù)助劑外，與樹脂良好的相容性是發(fā)揮其功效和提高添加量的關鍵。因此，必須設法提高或改善其相容性，如采用相容劑或偶聯(lián)劑進行表面活化處理等。 所有無機類添加劑的表面經(jīng)過處理后，改性效果都會提高。尤其以填料最為明顯，其它還有玻璃纖維、無機阻燃劑等。 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，相容劑為樹脂對應的馬來酸酐接枝聚合物。 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 如導電助劑，形成到電通路后即可，再加入無效果；再如偶聯(lián)劑，表面包覆即可，再加無用；又如抗靜電劑，在制品表面形成泄電荷層即可。 5、助劑與其它組分關系
配方中所選用的助劑在發(fā)揮自身作用的同時，應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。在一個具體配方中，為達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系很復雜。有的助劑之間有協(xié)同作用，而有的助劑之間有對抗作用。 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的效果高于其單獨加入的平均值。 （1）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； 兩種結構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。 （2）在阻燃配方中，協(xié)同作用的例子也很多，主要有： 在鹵素/銻系復合阻燃體系中，鹵系阻燃劑可于Sb2O3發(fā)生反應而生成SbX3，SbX3可以隔離氧氣從而達到增大阻燃效果的目的。 在鹵素/磷系復合阻燃體系中，兩類阻燃劑也可以發(fā)生反應而生成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，從而提高阻燃效果。 5.2對抗作用 對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的效果低于其單獨加入的平均值。 （1）在防老化塑料配方中，對抗作用的例子很多，主要有： HALS類光穩(wěn)定劑不與硫醚類輔抗氧劑并用，原因為硫醚類滋生的酸性成分抑制了HALS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，因為炭黑對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，酸性助劑會與堿性的HALS發(fā)生鹽化反應，導致HALS失效；在酸性助劑存在時，一般只能選用紫外光吸收劑。 （2）在阻燃塑料配方中，也有對抗作用的例子，主要有： 鹵系阻燃劑與有機硅類阻燃劑并用，會降低阻燃效果；紅磷阻燃劑與有機硅類阻燃劑并用，也存在對抗作用。 （3）其它對抗作用的例子有： 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，硬脂酸鉛潤滑劑和硫醇類有機錫千萬不要一起加入；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、潤滑劑的加入量要相應增大，以彌補被吸收部分。 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，第二次在中間側加料口。如PE加入150份氫氧化鋁的無鹵阻燃配方，就要分兩次加入，否則不能造粒。 對于填料的偶聯(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，外潤滑劑要后加，以免影響其它物料的均勻混合。 7、配方對其它性能的負面影響
所設計的配方應該不劣化或最小限定地影響樹脂的基本物理機械性能，最起碼要保留原有的性能，最好能順便提高原樹脂的某些性能。但客觀存在的事實是，任何事物都具有兩面性，在改善某一性能時，可能降低其他性能，可謂顧此失彼。因此在設計配方時，一定要全面考慮，盡可能不影響其它性能。如高填充配方對復合材料的力學性能和加工性能影響很大，沖擊強度和拉伸強度都大幅度下降，加工流動性變差。如果制品對復合材料的力學性能有具體要求，在配方中要做具體補償，如加入彈性體材料彌補沖擊性能，加入潤滑劑改善加工性能。 下面舉幾個經(jīng)常受影響的性能。 （1）沖擊性 大部分無機材料和部分有機材料都降低配方的沖擊性能。為了補償沖擊強度，在設計配方時需要加入彈性體。如在填充體系的PP/滑石粉/POE配方，在阻燃體系ABS/十溴/三氧化二銻/增韌劑配方。 （2）透明性 大多數(shù)無機材料對透明性都有影響，選擇折光指數(shù)與樹脂相近的無機材料對透明性影響會小些。近來，透明填充母料比較流行，主要針對HDPE塑膠袋，加入特殊品種的滑石粉對透明性影響小，但不是絕對沒有影響。 有機材料也對透明性有影響，如PVC增韌，只有MBS不影響透明性，而CPE、EVA、ACR都影響其透明性。 在無機阻燃材料中，膠體五氧化二銻不影響透明性。 （3）顏**** 有些樹脂本身為深色，如酚醛樹脂本身為棕色、導電樹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。 在配方設計時，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，選用時要注意。還有些助劑本身為白色，但在加工中因高溫反應而變色，如硅灰石本身為白色，但填充到樹脂中加工后就成淺灰色了。 （4）其它性能 塑料的導熱改性一般為加入金屬類和碳類導熱劑，但此類導熱劑又是導電劑，在提高導熱性同時會提高導電性，從而影響絕緣性。而導熱很多用于要求絕緣的材料如線路板、接插件、封裝材料等。為此要絕緣導熱不能加入具有導電性的導熱劑，只能加入絕緣類導熱劑，如陶瓷類金屬氧化物。 8、配方應具有可加工性
配方要保證適當?shù)目杉庸ば阅埽员ＷC制品的成型，并對加工設備和使用環(huán)境無不良影響。復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）；助劑的加入對樹脂的原加工性能影響要小；所加入助劑對設備的磨損和腐蝕應盡可能小，加工時不放出有毒氣體，損害加工人員的健康。 （1）流動性 大部分無機填料都影響加工性，如加入量大，需要相應加入加工改性劑以補償損失的流動性，如加入潤滑劑等。 有機助劑一般都促進加工性，如十溴二苯醚、四溴雙酚A阻燃劑都可促進加工流動性，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滑劑。 （2）耐熱性 保證助劑在加工過程中不要分解，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： 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等低加工溫度的樹脂為載體。 改性塑料配方因加工過程中剪切作用強烈，都需要加入抗氧劑，以防止熱分解發(fā)生，而導致原料變黃。 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操縱者無害、對設備無害、對使用者無害、對接觸環(huán)境無害。以前環(huán)保的要求范圍小，只是對食品、藥品等與人體接觸要無毒即可。現(xiàn)在的要求高了，與人體間接接觸的也不行，要對環(huán)境無污染，如土、水、大氣層等。 （1）人體衛(wèi)生性 樹脂和所選助劑應該絕對無毒，或其含量控制在規(guī)定的范圍內。 （2）對環(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套，因為組分會從埋地的上水管、架空的電纜護套經(jīng)雨淋滲入土壤中，農作物吸收后人食用。 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，產生二噁英，污染大氣層。 10、助劑的價格和來源
在滿足配方的上述要求基礎上，配方的價格越低越好。在具體選用助劑時，對同類助劑一定要選低價格的種類。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。具體應遵循以下原則： 盡可能選擇低價格原料——降低產品成本 盡可能選庫存原料——不用購買。 盡可能選當?shù)禺a原料——運輸費低，可減少庫存量，節(jié)省流動資金 盡可能選國產原料——進口原料受外匯、貿易政策、運輸時間等因素影響大。 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。 |
