高分子材料的配方設(shè)計(jì)

第三章高分子材料的配方設(shè)計(jì)深圳大學(xué)材料學(xué)院3.1高分子材料制品設(shè)計(jì)3.2配方設(shè)計(jì)原則和步驟3.3配方表示方法3.4配方設(shè)計(jì)方法3.5配方實(shí)例

3.1高分子材料的制品設(shè)計(jì)制品設(shè)計(jì)是在對(duì)制品形狀、結(jié)構(gòu)和使用性能科學(xué)的預(yù)測(cè)和判定的前提下，通過(guò)充分把握并正確選用高分子材料，制定出一套完整的制品制造過(guò)程的實(shí)施方案和程序。制品設(shè)計(jì)必須貫徹“實(shí)用、高效、經(jīng)濟(jì)”的原則，即制品的實(shí)用性應(yīng)強(qiáng)、成型加工工藝性應(yīng)好、生產(chǎn)效率要高、成本要低，可滿足人類持續(xù)發(fā)展的要求。制品設(shè)計(jì)的一般程序

3.2配方設(shè)計(jì)的原則和步驟

3.2.1配方設(shè)計(jì)的意義配方設(shè)計(jì)是一個(gè)富于挑戰(zhàn)性的、專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)工作。因此，配方設(shè)計(jì)絕不是各種原材料之間簡(jiǎn)單的、經(jīng)驗(yàn)性的組合，而是在對(duì)高分子材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系充分研究基礎(chǔ)上綜合的結(jié)果。配方設(shè)計(jì)是制品設(shè)計(jì)的核心部分，只有好的配方設(shè)計(jì)，再加上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等要素的配合，才能獲得好的制品。（1）改善樹(shù)脂的內(nèi)在性能功能化：阻燃性；抗靜電性；導(dǎo)電性；阻隔性；高性能化：降解改性；增強(qiáng)；增韌；耐老化性；耐磨；耐熱；改善外觀；發(fā)泡：降低成本，降低比重，隔音，隔熱3.2.2配方設(shè)計(jì)目的（2）改善成型加工性能

有些樹(shù)脂加工性能不好，需要加入加工助劑如PVC，其熔點(diǎn)和分解溫度接近，加工時(shí)容易分解，加入增塑劑，降低熔點(diǎn)，加入穩(wěn)定劑提高其分解溫度，拓寬加工溫度。

如LLDPE，熔體粘度大，導(dǎo)致難以加工出合格制品，常加入有機(jī)含氟彈性體，低分子蠟等加工助劑，以改善其加工性能。

（3）降低成本

物美價(jià)廉是每一個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)的首選目標(biāo)，在滿足制品需求性能時(shí)，其價(jià)格越低越好。降低成本的方法主要兩種，即填充法和發(fā)泡法。填充法：簡(jiǎn)單方便，添加量稍大易造成性能下降、比重大；發(fā)泡法：復(fù)雜，難以控制，但可以降低比。

3.2.3配方設(shè)計(jì)的原則（1）制品的性能要求；（2）成型加工性能的要求；（3）選用的原材料來(lái)源容易，產(chǎn)地較近，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，價(jià)格合理；（4）配方成本應(yīng)在滿足上述三條的前提下，盡量選用質(zhì)量穩(wěn)定可靠、價(jià)格低的原材料；必要時(shí)采用不同品種和價(jià)格的原材料復(fù)配；適當(dāng)加入填充劑，降低成本。

制品需要什么性能，相應(yīng)選取何種助劑。以高密度聚乙烯(HDPE）桶而言，用于裝油品，要進(jìn)行耐油改性；用于裝碳酸飲料，要進(jìn)行阻隔改性；用于裝光敏藥品時(shí)，要涂成黑色。再如PP注射椅子，用在北方要進(jìn)行低溫沖擊改性，用在礦井下，要進(jìn)行防靜電、阻燃處理。

（5）充分考慮助劑與樹(shù)脂及多種助劑之間的相互聯(lián)系與作用①助劑與樹(shù)脂的相容性用于配方中的助劑要與樹(shù)脂有良好的相容性，這樣才能均勻地分散于樹(shù)脂中，同樹(shù)脂有機(jī)地結(jié)合在一起，從而發(fā)揮其應(yīng)有的作用。1）助劑發(fā)揮作用的同時(shí)常常會(huì)伴隨有副作用；

2）助劑的使用常受到最終用途的制約②助劑對(duì)制品性能的影響③充分發(fā)揮助劑間的協(xié)同效應(yīng)在穩(wěn)定劑、阻燃劑中特別顯著，通常需要幾種穩(wěn)定劑按一定比例構(gòu)成防老化體系時(shí)才能達(dá)到滿意的結(jié)果與此同時(shí)需要防止配方中出現(xiàn)對(duì)抗效應(yīng)④助劑的耐加工性助劑大都為小分子物質(zhì)，其熱分解溫度不太高，特別是小分子有機(jī)助劑，更易于分解。對(duì)于小分子液體助劑，易在加工中蒸發(fā)。因此，在選擇固體助劑時(shí)，要保證其在加工中不能熱分解(發(fā)泡劑除外)。在選擇液體助劑時(shí)，要保證在加工時(shí)不逸出。⑤根據(jù)加工方法選擇不同的加工方法，要求加入的助劑品種不同。如PVC薄膜，可以用吹塑法和壓延法兩種方法生產(chǎn)。兩種不同的加工方法，對(duì)潤(rùn)滑劑的要求不同。吹塑法常選內(nèi)潤(rùn)滑劑，加入量少；而壓延法常選外潤(rùn)滑劑，且加入量稍大。⑥助劑的來(lái)源與成本對(duì)于一個(gè)配方而言，除考慮其性能外，主要考慮其來(lái)源與成本。在同等性能條件下，要選擇來(lái)源廣、產(chǎn)地近、價(jià)格低的品種。⑦制品的透明性如果制品要求透明，所選助劑應(yīng)不影響其透明性。一般助劑的折光指數(shù)與樹(shù)脂越相近，對(duì)制品的透明性能影響超小。無(wú)機(jī)助劑大都影響制品的透明性。只有云母、硼酸鋅等品種不影響透明性或影響極小。⑧助劑的毒性

大部分助劑都有毒性或低毒性。對(duì)于同食品及藥品接觸的塑料制品，要求無(wú)毒或低毒時(shí)，選擇的助劑也應(yīng)無(wú)毒。如對(duì)穩(wěn)定劑而言，要選擇無(wú)毒時(shí)，一般選Ca/Zn等無(wú)毒穩(wěn)定劑品種。環(huán)保：鎘(Cd)：＜100ppm

；鉛(Pb)：＜1000ppm

；汞(Hg)：＜1000ppm；

六價(jià)鉻(Cr6+)：＜1000ppm

溴含量＜1000ppm3.2.4配方設(shè)計(jì)的步驟①在確定制品性能和用途的基礎(chǔ)上，收集高分子化合物和添加劑等各種原材料的資料，初定產(chǎn)品形狀、尺寸及各部件的作用及成型加工方法。

②初選材料，并進(jìn)行配方設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，先可設(shè)計(jì)若干個(gè)配方，進(jìn)行小樣壓片試驗(yàn)，通過(guò)性能測(cè)試初定合格的配方，再進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)，確定加工性能；

③依獲得的材料性能數(shù)據(jù)或憑經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（壁厚及其他尺寸）；

④制成實(shí)物模型，進(jìn)行實(shí)樣試驗(yàn)或模擬試驗(yàn)；

⑤再設(shè)計(jì)與再試驗(yàn)。如性能不合格，需再篩選配方；

⑥依模型試驗(yàn)和制品成本，進(jìn)行最終選材和配方設(shè)計(jì)；

⑦材料規(guī)范化（原材料規(guī)格、牌號(hào)、產(chǎn)地、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)方法等）。

3.3高分子材料配方表示方法（1）相對(duì)質(zhì)量份數(shù)表示法

以主體成分樹(shù)脂的加入量為基準(zhǔn)(100質(zhì)量份)，配方中其他組分以樹(shù)脂的含量為參照，以其占樹(shù)脂質(zhì)量的百分比來(lái)表示（phr:perhundredresin）。（2）質(zhì)量百分含量表示法

將整個(gè)配方各組分的總質(zhì)量定為100分，配方中各他組分以總質(zhì)量為參照，以其占總質(zhì)量的百分比來(lái)表示。（4）質(zhì)量、體積混合表示法將含量大的固體組分用質(zhì)量表示，含量小的液體組分用體積表示。只用于含少量液體的配方。（3）直接質(zhì)量表示法根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)能力，直接用配方各組分所用質(zhì)量來(lái)表示。直觀、但看不出比例關(guān)系；生產(chǎn)上常用。（5）體積百分含量表示法

如果知道各組分的密度和質(zhì)量，則可以折算成體積百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。塑料配方的計(jì)量表示法比較實(shí)例原材料相對(duì)質(zhì)量份數(shù)法質(zhì)量百分含量法/%直接質(zhì)量法PVCSG-5100phr85.0350g三鹽2.5phr2.131.25g二鹽1.5phr1.280.75g硬脂酸鈣0.8phr0.680.4g硬脂酸單甘油酯0.4phr0.340.2g硬脂酸0.4phr0.340.2gPE-C6phr5.103gCaCO36phr5.103g合計(jì)117.6phr10058.80g塑料配方計(jì)量表示法換算實(shí)例原材料直接質(zhì)量法相對(duì)質(zhì)量份數(shù)法質(zhì)量百分含量法主要作用ABS1000g100phr77.52%主體樹(shù)脂十溴聯(lián)苯醚150g15phr11.63%主阻燃劑Sb2O360g6phr4.65%助阻燃劑/阻燃協(xié)效劑SBS70g7phr5.43%增韌劑氧化劑10102g0.2phr0.16%穩(wěn)定劑/氧化劑EBS3g0.3phr0.23%分散劑/擴(kuò)散劑ZnSt3g0.3phr0.23%內(nèi)潤(rùn)滑劑PE蠟2g0.2phr0.16%外潤(rùn)滑劑總計(jì)1290g129phr100%合計(jì)

3.4高分子材料配方設(shè)計(jì)方法配方設(shè)計(jì)方法是指確定配方中各種添加劑、填充劑加入量的方法，涉及實(shí)驗(yàn)步驟安排、變量選擇和變量范圍的確定。高分子材料制品往往是一個(gè)多組分的體系，各組分之間還可能存在復(fù)雜的化學(xué)作用和物理作用，因此，各組分如何搭配，如何減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省工作量，以低的成本、高的工作效能確定理想的配方，是一項(xiàng)充滿激情的工作。因素（亦稱因子）和水平（亦稱位級(jí)）是配方設(shè)計(jì)中最頻繁使用的兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。因素是指影響材料性能指標(biāo)的因子，如原材料、工藝條件等；水平是指每個(gè)因素可能處于的狀態(tài)。水平可以是原材料的品種、用量或工藝參數(shù)等，水平值可由經(jīng)驗(yàn)確定，也可在確定前先做一些探索性試驗(yàn)。各水平值間應(yīng)有合理的差距（步長(zhǎng)）。單因素變量配方設(shè)計(jì)方法：

逐步提高法：穩(wěn)妥，但接近最佳點(diǎn)的速度較慢平分法事先知道因素的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)速度較快分批試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)均等安排實(shí)驗(yàn)其它方法多因素變量配方設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)法

LM(bk)

當(dāng)b=2，M=k+1;

當(dāng)b＝3，M＝b(k-1);二水平：L4(23)、L8(27)、L12（211）三水平：L6（33）、L9（34）、L18（37）四水平：L16（45）可大幅度減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，因素越多，減少程度越明顯。L—正交表的符號(hào)；

k—因素?cái)?shù)；

b—每個(gè)因素所取的水平數(shù)；

M—實(shí)驗(yàn)次數(shù)，可由經(jīng)驗(yàn)確定。例如:下表可表示為L(zhǎng)9(34)：L是正交表的代號(hào)，9表示表的行數(shù)(試驗(yàn)次數(shù))，4表示表的列數(shù)(最多可安排4個(gè)因子)，3表示表的主體有3個(gè)數(shù)字(代表不同的水平數(shù))，如表1所示。ABCD11052