高分子材料的配方设计

第三章高分子材料的配方设计深圳大学材料学院3.1高分子材料制品设计3.2配方设计原则和步骤3.3配方表示方法3.4配方设计方法3.5配方实例

3.1高分子材料的制品设计制品设计是在对制品形状、结构和使用性能科学的预测和判定的前提下，通过充分把握并正确选用高分子材料，制定出一套完整的制品制造过程的实施方案和程序。制品设计必须贯彻“实用、高效、经济”的原则，即制品的实用性应强、成型加工工艺性应好、生产效率要高、成本要低，可满足人类持续发展的要求。制品设计的一般程序

3.2配方设计的原则和步骤

3.2.1配方设计的意义配方设计是一个富于挑战性的、专业性很强的技术工作。因此，配方设计绝不是各种原材料之间简单的、经验性的组合，而是在对高分子材料结构与性能关系充分研究基础上综合的结果。配方设计是制品设计的核心部分，只有好的配方设计，再加上结构设计、工艺设计等要素的配合，才能获得好的制品。（1）改善树脂的内在性能功能化：阻燃性；抗静电性；导电性；阻隔性；高性能化：降解改性；增强；增韧；耐老化性；耐磨；耐热；改善外观；发泡：降低成本，降低比重，隔音，隔热3.2.2配方设计目的（2）改善成型加工性能

有些树脂加工性能不好，需要加入加工助剂如PVC，其熔点和分解温度接近，加工时容易分解，加入增塑剂，降低熔点，加入稳定剂提高其分解温度，拓宽加工温度。

如LLDPE，熔体粘度大，导致难以加工出合格制品，常加入有机含氟弹性体，低分子蜡等加工助剂，以改善其加工性能。

（3）降低成本

物美价廉是每一个设计时的首选目标，在满足制品需求性能时，其价格越低越好。降低成本的方法主要两种，即填充法和发泡法。填充法：简单方便，添加量稍大易造成性能下降、比重大；发泡法：复杂，难以控制，但可以降低比。

3.2.3配方设计的原则（1）制品的性能要求；（2）成型加工性能的要求；（3）选用的原材料来源容易，产地较近，质量稳定可靠，价格合理；（4）配方成本应在满足上述三条的前提下，尽量选用质量稳定可靠、价格低的原材料；必要时采用不同品种和价格的原材料复配；适当加入填充剂，降低成本。

制品需要什么性能，相应选取何种助剂。以高密度聚乙烯(HDPE）桶而言，用于装油品，要进行耐油改性；用于装碳酸饮料，要进行阻隔改性；用于装光敏药品时，要涂成黑色。再如PP注射椅子，用在北方要进行低温冲击改性，用在矿井下，要进行防静电、阻燃处理。

（5）充分考虑助剂与树脂及多种助剂之间的相互联系与作用①助剂与树脂的相容性用于配方中的助剂要与树脂有良好的相容性，这样才能均匀地分散于树脂中，同树脂有机地结合在一起，从而发挥其应有的作用。1）助剂发挥作用的同时常常会伴随有副作用；

2）助剂的使用常受到最终用途的制约②助剂对制品性能的影响③充分发挥助剂间的协同效应在稳定剂、阻燃剂中特别显著，通常需要几种稳定剂按一定比例构成防老化体系时才能达到满意的结果与此同时需要防止配方中出现对抗效应④助剂的耐加工性助剂大都为小分子物质，其热分解温度不太高，特别是小分子有机助剂，更易于分解。对于小分子液体助剂，易在加工中蒸发。因此，在选择固体助剂时，要保证其在加工中不能热分解(发泡剂除外)。在选择液体助剂时，要保证在加工时不逸出。⑤根据加工方法选择不同的加工方法，要求加入的助剂品种不同。如PVC薄膜，可以用吹塑法和压延法两种方法生产。两种不同的加工方法，对润滑剂的要求不同。吹塑法常选内润滑剂，加入量少；而压延法常选外润滑剂，且加入量稍大。⑥助剂的来源与成本对于一个配方而言，除考虑其性能外，主要考虑其来源与成本。在同等性能条件下，要选择来源广、产地近、价格低的品种。⑦制品的透明性如果制品要求透明，所选助剂应不影响其透明性。一般助剂的折光指数与树脂越相近，对制品的透明性能影响超小。无机助剂大都影响制品的透明性。只有云母、硼酸锌等品种不影响透明性或影响极小。⑧助剂的毒性

大部分助剂都有毒性或低毒性。对于同食品及药品接触的塑料制品，要求无毒或低毒时，选择的助剂也应无毒。如对稳定剂而言，要选择无毒时，一般选Ca/Zn等无毒稳定剂品种。环保：镉(Cd)：＜100ppm

；铅(Pb)：＜1000ppm

；汞(Hg)：＜1000ppm；

六价铬(Cr6+)：＜1000ppm

溴含量＜1000ppm3.2.4配方设计的步骤①在确定制品性能和用途的基础上，收集高分子化合物和添加剂等各种原材料的资料，初定产品形状、尺寸及各部件的作用及成型加工方法。

②初选材料，并进行配方设计及试验，先可设计若干个配方，进行小样压片试验，通过性能测试初定合格的配方，再进行扩大试验，确定加工性能；

③依获得的材料性能数据或凭经验，进行结构设计（壁厚及其他尺寸）；

④制成实物模型，进行实样试验或模拟试验；

⑤再设计与再试验。如性能不合格，需再筛选配方；

⑥依模型试验和制品成本，进行最终选材和配方设计；

⑦材料规范化（原材料规格、牌号、产地、验收标准、监测项目和监测方法等）。

3.3高分子材料配方表示方法（1）相对质量份数表示法

以主体成分树脂的加入量为基准(100质量份)，配方中其他组分以树脂的含量为参照，以其占树脂质量的百分比来表示（phr:perhundredresin）。（2）质量百分含量表示法

将整个配方各组分的总质量定为100分，配方中各他组分以总质量为参照，以其占总质量的百分比来表示。（4）质量、体积混合表示法将含量大的固体组分用质量表示，含量小的液体组分用体积表示。只用于含少量液体的配方。（3）直接质量表示法根据设备生产能力，直接用配方各组分所用质量来表示。直观、但看不出比例关系；生产上常用。（5）体积百分含量表示法

如果知道各组分的密度和质量，则可以折算成体积百分数来表示。塑料配方的计量表示法比较实例原材料相对质量份数法质量百分含量法/%直接质量法PVCSG-5100phr85.0350g三盐2.5phr2.131.25g二盐1.5phr1.280.75g硬脂酸钙0.8phr0.680.4g硬脂酸单甘油酯0.4phr0.340.2g硬脂酸0.4phr0.340.2gPE-C6phr5.103gCaCO36phr5.103g合计117.6phr10058.80g塑料配方计量表示法换算实例原材料直接质量法相对质量份数法质量百分含量法主要作用ABS1000g100phr77.52%主体树脂十溴联苯醚150g15phr11.63%主阻燃剂Sb2O360g6phr4.65%助阻燃剂/阻燃协效剂SBS70g7phr5.43%增韧剂氧化剂10102g0.2phr0.16%稳定剂/氧化剂EBS3g0.3phr0.23%分散剂/扩散剂ZnSt3g0.3phr0.23%内润滑剂PE蜡2g0.2phr0.16%外润滑剂总计1290g129phr100%合计

3.4高分子材料配方设计方法配方设计方法是指确定配方中各种添加剂、填充剂加入量的方法，涉及实验步骤安排、变量选择和变量范围的确定。高分子材料制品往往是一个多组分的体系，各组分之间还可能存在复杂的化学作用和物理作用，因此，各组分如何搭配，如何减少实验次数，节省工作量，以低的成本、高的工作效能确定理想的配方，是一项充满激情的工作。因素（亦称因子）和水平（亦称位级）是配方设计中最频繁使用的两个术语。因素是指影响材料性能指标的因子，如原材料、工艺条件等；水平是指每个因素可能处于的状态。水平可以是原材料的品种、用量或工艺参数等，水平值可由经验确定，也可在确定前先做一些探索性试验。各水平值间应有合理的差距（步长）。单因素变量配方设计方法：

逐步提高法：稳妥，但接近最佳点的速度较慢平分法事先知道因素的变化规律，实验速度较快分批试验法实验范围内均等安排实验其它方法多因素变量配方设计正交设计法

LM(bk)

当b=2，M=k+1;

当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）可大幅度减少实验次数，因素越多，减少程度越明显。L—正交表的符号；

k—因素数；

b—每个因素所取的水平数；

M—实验次数，可由经验确定。例如:下表可表示为L9(34)：L是正交表的代号，9表示表的行数(试验次数)，4表示表的列数(最多可安排4个因子)，3表示表的主体有3个数字(代表不同的水平数)，如表1所示。ABCD11052