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塑料配方設計十大要點(diǎn)
時(shí)間：2019-11-18 10:03
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PA66塑膠原料物性
配方設計的關(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)包含了很多內在聯(lián)系，要想設計出一個(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計經(jīng)驗提供如下幾個(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)脂牌號的選擇 同一種樹(shù)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(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(dòng)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(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(shí)，助劑的酸堿性，應與樹(shù)脂的酸堿性要一致，否則會(huì )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，并達到規定指標。規定指標一般為產(chǎn)品的國家標準、國際標準，或客戶(hù)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(lèi)（普通溴系和環(huán)保溴系）、磷類(lèi)、氮類(lèi)、氮/磷復合類(lèi)膨脹型阻燃劑、三氧化二銻、水合金屬氫氧化物。 抗靜電——各類(lèi)抗靜電劑。 導電——碳類(lèi)（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(lèi)（SmCo5或Sm2Co17）、釹鐵硼類(lèi)(NdFeB)、釤鐵氮類(lèi)(SmFeN)、鋁鎳鈷類(lèi)磁粉三大類(lèi)。 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(lèi)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(wú)機填料、耐熱劑如取代馬來(lái)酰亞胺類(lèi)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(shù)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(lèi)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(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(cháng)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(cháng)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：目數為每平方英寸篩網(wǎng)上的篩孔數目。
A．助劑粒度對力學(xué)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(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PA6力學(xué)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(huì )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(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．助劑粒度對配色的影響 著(zhù)色劑的粒度越小，著(zhù)色力越高、遮蓋力越強、色澤越均勻。但著(zhù)色劑的粒度不是越小越好，存在一個(gè)極限值，而且對不同性能的極限值不同。對著(zhù)色力而言，偶氮類(lèi)著(zhù)色劑的極限粒度為0.1μm，酞箐類(lèi)著(zhù)色劑的極限粒度為0.05μm。對遮蓋力而言，著(zhù)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(zhù)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)脂按預想的結構進(jìn)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(shù)脂均勻分散，對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)機類(lèi)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(lèi)、鈦酸酯類(lèi)和鋁酸酯類(lèi)，相容劑為樹(shù)脂對應的馬來(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，為達到不同的目的可能加入很多種類(lèi)的助劑，這些助劑之間的相互關(guān)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(shí)的效果高于其單獨加入的平均值。 ?。?）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(lèi)抗氧劑并用有協(xié)同效果； 兩種結構和活性不同的胺類(lèi)抗氧劑并用有協(xié)同效果； 抗氧化性不同的胺類(lèi)和酚類(lèi)抗氧劑復合使用有協(xié)同效果； 全受阻酚類(lèi)和亞磷酸酯類(lèi)抗氧劑有協(xié)同作用； 半受阻酚類(lèi)與硫酯類(lèi)抗氧劑有協(xié)同作用，主要用于戶(hù)內制品中； 受阻酚類(lèi)抗氧劑和受阻胺類(lèi)光穩定劑； 受阻胺類(lèi)光穩定劑與磷類(lèi)抗氧劑； 受阻胺類(lèi)光穩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(lèi)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(lèi)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(shí)的效果低于其單獨加入的平均值。 ?。?）在防老化塑料配方中，對抗作用的例子很多，主要有： HALS類(lèi)光穩定劑不與硫醚類(lèi)輔抗氧劑并用，原因為硫醚類(lèi)滋生的酸性成分抑制了HALS的光穩定作用。 芳胺類(lèi)和受阻酚類(lèi)抗氧劑一般不與炭黑類(lèi)紫外光屏蔽劑并用，因為炭黑對胺類(lèi)或酚類(lèi)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(huì )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(shí)，一般只能選用紫外光吸收劑。 ?。?）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(lèi)阻燃劑并用，會(huì )降低阻燃效果；紅磷阻燃劑與有機硅類(lèi)阻燃劑并用，也存在對抗作用。 ?。?）其它對抗作用的例子有： 鉛鹽類(lèi)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(lèi)有機錫千萬(wàn)不要一起加入；硫醇錫類(lèi)穩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(wú)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(shù)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(shù)脂的某些性能。但客觀(guān)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。因此在設計配方時(shí)，一定要全面考慮，盡可能不影響其它性能。如高填充配方對復合材料的力學(xué)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(dòng)性變差。如果制品對復合材料的力學(xué)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(gè)經(jīng)常受影響的性能。 （1）沖擊性 大部分無(wú)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(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ABS/十溴/三氧化二銻/增韌劑配方。 （2）透明性 大多數無(wú)機材料對透明性都有影響，選擇折光指數與樹(shù)脂相近的無(wú)機材料對透明性影響會(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(méi)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(wú)機阻燃材料中，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(lèi)著(zhù)色劑為五顏六色。 在配方設計時(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 塑料的導熱改性一般為加入金屬類(lèi)和碳類(lèi)導熱劑，但此類(lèi)導熱劑又是導電劑，在提高導熱性同時(shí)會(huì )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(xiàn)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(lèi)導熱劑，如陶瓷類(lèi)金屬氧化物。 8、配方應具有可加工性
配方要保證適當的可加工性能，以保證制品的成型，并對加工設備和使用環(huán)境無(wú)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(shù)脂的原加工性能影響要??；所加入助劑對設備的磨損和腐蝕應盡可能小，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(dòng)性，如加入潤滑劑等。 有機助劑一般都促進(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A(yíng)BS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(shù)脂為載體。 改性塑料配方因加工過(guò)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(lèi)助劑對操縱者無(wú)害、對設備無(wú)害、對使用者無(wú)害、對接觸環(huán)境無(wú)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(wú)毒即可?，F在的要求高了，與人體間接接觸的也不行，要對環(huán)境無(wú)污染，如土、水、大氣層等。 （1）人體衛生性 樹(shù)脂和所選助劑應該絕對無(wú)毒，或其含量控制在規定的范圍內。 （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(huì )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(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(mǎn)足配方的上述要求基礎上，配方的價(jià)格越低越好。在具體選用助劑時(shí)，對同類(lèi)助劑一定要選低價(jià)格的種類(lèi)。如在PVC穩定配方中，能選鉛鹽類(lèi)穩定劑就不要選有機錫類(lèi)穩定劑；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(jià)格原料——降低產(chǎn)品成本 盡可能選庫存原料——不用購買(mǎi)。 盡可能選當地產(chǎn)原料——運輸費低，可減少庫存量，節省流動(dòng)資金 盡可能選國產(chǎn)原料——進(jìn)口原料受外匯、貿易政策、運輸時(shí)間等因素影響大。 盡可能選通用原料——新原料經(jīng)銷(xiāo)單位少，不易買(mǎi)到，而且性能不穩定。 |
