塑料配方设计方案
(2)增强 添加玻璃纤维、碳纤维、晶须和有机纤 维;
(3)阻燃 添加溴类(普通溴系和环保溴系)、磷类、 氮类、氮/磷复合类膨胀型阻燃剂、三氧化二锑、 水合金属氧化物等各类阻燃剂;
(4)抗静电 添加各类抗静电剂;
(5)导电 添加碳类(炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米 管)、金属纤维和粉,金属氧化物;
配方设计时需考虑加工性能。 例如纯的PVC无法塑化加工,必须加入增塑剂、
稳定剂等助剂。加入增塑剂,可以削弱分子间的 作用力,增加分子间的移动性,从而降低玻璃化 转变温度使熔融加工温度降低,低于PVC 的分解 温度。加入热稳定剂,可以抑制PVC 脱HCl 反应, 提高PVC 热分解温度,使之高于PVC 的熔融加工 温度。又如PVC 薄膜的制造中,吹塑法常选用内 润滑剂,压延法则选用外润滑剂。
所选择的树脂能否承受住使用环境中最高 和最低的温度,在这个温度范围内树脂是 否变形、发生龟裂、耐冲击性能如何等。 若不符合要求,就要改变现有的树脂品种, 另选新的品种,或进行改性处理。
另外,选择的树脂还需要考虑在使用环境 中的其他影响因素。如在要求制品尺寸稳 定性能好时,还要考虑到树脂的热膨胀系 数、成型初期及成型后期的收缩率变化、 吸湿性等因素。
助剂的选择
按改性目标选助剂: 按要改性目标选择合适的助剂,加入助剂 应能充分发挥其功效,并达到要求的指标。 指标一般为产品的国家标准、国际标准, 或客户提出的专项指标。以下是为了使塑 料具有某种特殊性能需要加入的助剂。
助剂选择的参考意见为:
(1)增韧 添加弹性体、热塑性弹性体和刚性增韧 材料;
保证配方中各组分混合均匀
配方中各组分的均分布是使配方能达到改性要求 的保证,可采取下面的方法保证各组分的均匀分 布: (1)分次加入 对于填料加入量过大的配方。填料最好分两次加 入:第一次在加料斗。第二次在中间侧加料口。 如加150份氢氧化铝的无卤阻燃PE配方,就要分 两次加入。否则不能造粒。填料的偶联剂处理, 一般以分三次喷入为佳。这样能达到分散均匀, 偶联效果好。
(4)尺寸稳定性、光学性能、抗毒抗湿抗菌 性能如何;
(5)外观上及经济成本、特殊要求是否能达 到要求。
流动性的选择
不同品种的树脂具有不同的流动性,按此将塑料 分成高流动性、中等流动性和低流动性三类,具 体如下: 高流动性:聚苯乙烯(PS),高抗冲聚苯乙(HIPS), ABS,聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺PA等。 中等流动性:聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(mPPO)、 聚苯硫醚(PPS)等。 低流动性:聚四氟化碳(PTFE)、超高相对分子 质量聚乙烯(UHMWPE)、聚苯醚(PPO)等。
(9)透明 添加成核剂,对PP而言,α晶型成 核剂的山梨醇衍生物系列产品Millad 3988 效果最好;
(10)耐磨 添加PTFE、石墨、二硫化钼、 铜粉等;
(11)电绝缘 添加煅烧高岭土等;
(12)绝热 添加云母、蒙脱土、石英等。
助剂与树脂要匹配
助剂选择时,要有针对性.应选择对树脂 改性效果好的品种。例如:
以聚苯硫醚为例,用作不粘锅、散热器零 件和配油器零件时,需要耐热耐油;用作 汽车刹车零件、离合器和机械中的齿轮时, 需要有较高的刚性和抗蠕变性。
再以改性聚酰亚胺为例,用作交通运输包 装时,需要耐水性和阻燃性好;用作航空 航天工业的高温管和高温涂层时,需要有 耐高温、耐湿热和耐辐射性能。
加工性能
(2)球型填料的增韧效果好、并可增加制品 的光亮度。硫酸钡为典型的球型填料,因 此高光泽PP的填充选用硫酸钡,硫酸钡也 可以小幅度提高制品的刚性及韧性。
助剂的粒度
(1)粒状助剂粒度的表示方法 粒状助剂的粒度可用目数或平均粒径表示, 通常用的目数与平均粒径的关系见下表。
注:目数有多种表示方法.本表中的目数 为每平方英寸筛网上的筛孔数目
(6)磁性 添加铁氧体磁粉,稀土磁粉包括 钐钴类(SmCo5 或Sm2Co17)、钕铁硼类 (NdFeB)、钐铁氮类(SmFeN),铝镍钴类磁 粉三大类;
(7)导热 添加金属纤维和粉末,金属氧化 物、氮化物和碳化物,碳类材料如炭黑、 碳纤维、石墨和碳纳米管,半导体材料如 硅、硼;
(8)耐热 添加玻璃纤维、无机填料、耐热 剂如取代马来酰亚胺类和β晶型成核剂;
例如,用注射成型方法生产透明容器时, 在一般情况下可选择聚苯乙烯或聚甲基丙 烯酸甲酯两种树脂,但如果要求廉价为首 要条件,则选用聚苯乙烯;反之,如果强 调耐候性能好时,就要选用聚甲基丙烯酸 甲酯;如果还要再加上耐冲击性能好,则 就要排除上述两种树脂而选择聚碳酸酯, 当然成本要提高。
在选择时还应考虑以下内容:
耐热改性,首先考虑选择聚苯硫醚、聚酰 亚胺、聚苯并咪唑和聚芳砜;
耐低温改性,首先考虑选择低分子量聚乙 烯、聚碳酸酯和热塑性弹性体类(聚酯类 热塑性弹性体、聚烯类热塑性弹性体、聚 氨酯类弹性体);
隔热改性,首先考虑选择聚氨酯硬质泡沫 塑料、酚醛、脲醛泡沫塑料和聚苯乙烯泡 沫塑料。
一般要求树脂成本低、性能高,同时还要 考虑外观美及耐久性,所以很难选择一种 能满足所有性能要求的合适树脂。
在ABS中加入4%粒度为45μm 的三氧化二锑与加 入1%粒度为0.03μm 的三氧化二锑阻燃效果相同。
粒度尺寸对着色剂着色力的影响
着色剂的粒度越小,着色力越高、遮盖力 越强、色泽越均匀。但着色剂的粒度不是 越小越好,存在一个上限值,而且对不同 性能的上限值不同。对着色力而言,偶氮 类着色剂的上限粒度为0.1μm,酞菁类着色 剂的上限粒度尺寸为0.05μm。对遮盖力而 言,着色剂的上限粒度尺寸为0.05μm左右。
当今,树脂和助剂的种类繁多,若按其功 能、品种、等级、牌号等分类可达数万种, 因此塑料配方也是千变万化。塑料配方设 计通常是指根据试验数据等资料,恰当地 确定可满足产品使用性能、加工性能和成 本要求的树脂、助剂的种类及其用量等的 一项重要工作。
配方设计原则
塑料配方设计有以下注意事项:①制品的 使用功能;②加工性能;③加工及使用时 的环保问题;④成本等。
一般情况下,不可能满足所有的条件,但 应尽可能的满足主要条件。只要满足主要 条件就可以了。
关于质量标准的掌握,一般按下述条件而 定。
(1)能否承受使用环境温度的变化、阳光的 影响及使用时负荷的变化;
(2)制品是否合乎卫生标准及安全性;
(3)弯曲强度、拉伸强度、冲击强度、电绝 缘性、阻燃性、耐水性、耐油性能、电学 性能是否符合产品标准;
填料粒度对填充塑料的力学性能的影响
粒度尺寸越小,对填充材料的拉伸强度和 冲击强度提高越大。在用20%(质量分数)硅 灰石填充PA6时,粒度对填充PA6的力学性 能的影响见下表:
粒度对无机阻燃剂阻燃性能的影响 无机阻燃剂的粒度越小,阻燃效果越好。例如水 合金属氧化物和三氧化二锑的粒度越小,达到同 等阻燃效果的用量就越少。在LDPE中加入80份不 同粒度的氢氧化铝的阻燃效果见下表
配方设计要点
配方设计的关键为选材、搭配、用量、混 合四大要素,表面看起来很简单,但其实 包含了许多内在联系,要想设计出一个高 性能、易加工、低价格的配方也并非易事, 需要考虑的因素很多,现提出一些要点供 读者参考。
树脂的选择
品种的选择: 树脂要选择与改性目标性能最接近的品种, 以节省加入助剂的使用量。 如耐磨改性,树脂要首先考虑选择三大耐 磨树脂:即聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、超 高相对分子质量聚乙烯(UHWPE); 透明改性,树脂要首先考虑选择三大透明 树脂:聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)及聚碳酸酯(PC)。
(1)红磷阻燃剂适用于PA、聚对苯二甲酸丁 酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙酯(PET)。
(2)氮系阻燃剂适用于含氧类工程塑料,如 PA、PBT、PET等。
(3)玻璃纤维对结晶型塑料的耐热改性效果 好,对非结晶型塑料效果差。
(4)炭黑在结晶型树脂中效果好。
助剂的形态
助剂的形状 (1)纤维状填料的增强效果好。纤维的形状 可用长径比(L/D)表示,L/D越大、增强效果 越好。树脂在熔融状态时比在粉末状态时 有利于保持长径比。减小断纤几率。这就 是为什么不从进料口而从中部加料口加入 玻璃纤维的原因。
以HDPE 瓶而言,装油需要耐油性;装碳酸 饮料需要具有阻隔性;装光敏性药品时要 有遮光性。
以PP 注射椅子为例,在北方需要低温抗冲 击性强;用于矿井下,需要防静电、阻燃 性。
以聚四氟乙烯为例,用作活塞环、轴承、 轴瓦、滑块、密封环等机械零件时,需要 具有低的摩擦系数和自润滑性;用作绝缘 材料时,需要其不受温度、湿度和频率的 影响,具有优异的电绝缘性;用作防腐材 料时,需要有优异的化学稳定性。
所有无机类添加剂经过表面处理,效果大都提高。 尤其以粉末填料最为明显,其他还有玻璃纤维、 无机阻燃剂等。
表面处理以偶联剂和相容剂为主,偶联剂有硅烷 类、钛酸酯类和铝酸酯类,常用相容剂有所用树 脂的马来酸酐接枝聚合物。
助剂的加入量
从改性效果看,有的助剂加入量越多越好, 如阻燃剂、增韧剂、磁粉、阻隔材料等, 有的助剂加入量有最佳值,如导电助剂形 成到电通路后即可,再增加无效果;偶联 剂,表面包覆即可;抗静电剂,在制品表 面形成泄电荷层即可。在设计配方时,应 该在能满足改性效果的前提下粘度要接近,以保 证加工流动性。对于粘度相差悬殊的材料, 要加过渡料,以减小粘度梯度。如阻燃配 方中用PA66增韧时,常加入PA6作为过渡料, 阻燃配方中用PA6增韧时,常加入HDPE作 为过渡料。
同一品种树脂也具有不同的流动性。主要 原因为相对分子质量及其分布的不同,所 以同一种树脂有许多不同的牌号。由于不 同加工方法要求的树脂流动性不同.所以 树脂又分为注塑级、挤出级、吹塑级、压 延级等牌号,具体如下表所示:
环保要求
配方设计需适应环保要求。 一般塑料制品着重评价其使用寿命。实际
上应从原材料的生产、加工、物质流通、 使用乃至废弃整个过程来全面考虑。延长 制品使用寿命对节省资源和节约能源有利, 对废弃物的再利用和原材料的安全性也需 重视。