配方設計表面看起來很簡單,但其實包含了很多內在的聯系,為了設計出高性能、易加工、低價格的配方,需要考慮的因素很多,現提出以下幾個方面的因素供參考。
1 樹脂的選擇
1.1 品種的選擇
樹脂要選擇與改性目標性能最接近的品種,以節省加入助劑的使用量,如:耐磨改性,樹脂要首先考慮選擇三大耐磨樹脂:即聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、超高相對分子質量聚乙烯(UHWPE);透明改性,樹脂要首先考慮選擇三大透明樹脂:聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及聚碳酸酯(PC)。
1.2 牌號的選擇
同一種樹脂的牌號不同,其性能差別也很大,應該選擇與改性目標性能最接近的牌號。
耐熱改性聚丙烯,可在熱變形溫度大于100℃的PP牌號范圍內選擇,如大韓油化公司的PP-4012。
1.3 流動性的選擇
(1)配方中的塑化材料的粘度
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。如阻燃配方中用PA66增韌時,常加入PA6作為過渡料,阻燃配方中用PA6增韌時,常加入HDPE作為過渡料。
(2)不同加工方法要求流動性不同
不同品種的樹脂具有不同的流動性,按此將塑料分成高流動性、中等流動性和低流動性三類,具體如下:
高流動性:聚苯乙烯(PS),高抗沖聚苯乙烯(HIPS),ABS,聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)等。
中等流動性:聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(mPPO)、聚苯硫醚(PPS)等。
低流動性:聚四氟化碳(PTFE)、超高相對分子質量聚乙烯(UHMWPE)、聚苯醚(PPO)等。
同一品種樹脂也具有不同的流動性,主要原因為相對分子質量及其分布的不同,所以同一種樹脂有許多不同的牌號。由于不同加工方法要求的樹脂流動性不同,所以樹脂又分為注塑級、擠出級、吹塑級、壓延級等牌號,具體如表1所示。
表1 不同加工方法采用的樹脂的熔體流動速率
Tab.1 The MFR of resins used in different processings
加工方法
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熔體流動速率/[g·(10min)-1]
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壓制、擠出、壓延
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0.2-8
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流延、吹塑
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0.3-15
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涂覆、滾塑
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1-8
|
注塑
|
1-60
|
(3)不同改性目的要求樹脂流動性不同
如高填充改性要求樹脂流動性好,如磁性塑料、填充母料、無鹵阻燃電纜料等。
1.4 樹脂對助劑的特殊要求
一些樹脂由于其本身分子結構和性能的關系,不能選擇某種助劑,如PPS中不能加入含鉛和含銅助劑,在PC中不能加三氧化銻,因為它會導致PC的解聚,不能選擇與樹脂的酸堿性不一致的助劑,否則二者會發生反應。
2 助劑的選擇
2.1 按改性目標選助劑
按要改性目標選擇合適的助劑,加入助劑應能充分發揮其功效,并達到要求的指標。指標一般為產品的國家標準、國際標準,或客戶提出的專項指標。以下是為了使塑料具有某種特殊性能需要加入的助劑,助劑選擇的參考意見為:
(1)增韌—添加彈性體、熱塑性彈性體和剛性增韌材料;
(2)增強—添加玻璃纖維、碳纖維、晶須和有機纖維;
(3)阻燃—添加溴類(普通溴系和環保溴系)、磷類、氮類、氮/磷復合類膨脹型阻燃劑、三氧化二銻、水合金屬氧化物等各類阻燃劑;
(4)抗靜電—添加各類抗靜電劑;
(5)導電—添加碳類(炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管)、金屬纖維和粉,金屬氧化物;
(6)磁性—添加鐵氧體磁粉,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;
(7)導熱—添加金屬纖維和粉末,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;
(8)耐熱—添加玻璃纖維、無機填料、耐熱劑如取代馬來酰亞胺類和β晶型成核劑;
(9)透明—添加成核劑,對PP而言,α晶型成核劑的山梨醇衍生物系列產品Millad 3988效果最好;
(10)耐磨—添加PTFE、石墨、二硫化鉬、銅粉等;
(11)電絕緣—添加煅燒高嶺土等;
(12)絕熱—添加云母、蒙脫土、石英等。
2.2 助劑與樹脂要匹配
助劑選擇時,要有針對性,應選擇對樹脂改性效果好的品種。例如:
(1)紅磷阻燃劑適用于PA、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、聚對苯二甲酸乙酯(PET)。
(2)氮系阻燃劑適用于含氧類工程塑料,如PA、PBT、PET等。
(3)玻璃纖維對結晶型塑料的耐熱改性效果好,對非結晶型塑料效果差。
(4)炭黑在結晶型樹脂中效果好。
3 助劑的形態
助劑形態不同,改性的效果也不同。
3.1 助劑的形狀
(1)纖維狀填料的增強效果好。纖維的形狀可用長徑比(L/D)表示,L/D越大、增強效果越好。樹脂在熔融狀態時比在粉末狀態時有利于保持長徑比,減小斷纖幾率,這就是為什么不從進料口而從中部加料口加入玻璃纖維的原因。
(2)球型填料的增韌效果好、并可增加制品的光亮度。硫酸鋇為典型的球型填料,因此高光澤PP的填充選用硫酸鋇,硫酸鋇也可以小幅度提高制品的剛性及韌性。
3.2 助劑的粒度
(1)粒狀助劑粒度的表示方法
粒狀助劑的粒度可用目數或平均粒徑表示,通常用的目數與平均粒徑的關系見表2。
表2 平均粒徑與目數的關系
Tab.2 The relationship of mesh and average diamete of particle
目數
|
20
|
80
|
100
|
150
|
200
|
325
|
400
|
625
|
1250
|
2500
|
12500
|
平均粒徑/μm
|
833
|
175
|
147
|
104
|
74
|
43
|
38
|
20
|
10
|
5
|
1
|
注:目數有多種表示方法,本表中的目數為每平方英寸篩網上的篩孔數目
(2)填料粒度對填充塑料的力學性能的影響
粒度尺寸越小,對填充材料的拉伸強度和沖擊強度提高越大。,在用20%(質量分數)硅灰石填充PA6時,粒度對填充PA6的力學性能的影響見表3。
表3 粒度對20%硅灰石填充PA6的力學性能的影響
Tab.3 The effect of granularity on the mechanic properties
of PA6 composite Filled 20% wollstonite
性能
|
1250目
|
800目
|
400目
|
325目
|
150目
|
拉伸強度/MPa
|
127.5
|
127.4
|
126.0
|
124.5
|
124.5
|
沖擊強度/(kJ·m-2)
|
15.5
|
15.1
|
14.8
|
14.4
|
13.5
|
(3)粒度對無機阻燃劑阻燃性能的影響
無機阻燃劑的粒度越小,阻燃效果越好。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用量就越少。
在LDPE中加入80份不同粒度的氫氧化鋁的阻燃效果見表4。
表4 氫氧化鋁的粒度對其在LDPE中阻燃效果的影響
Tab.4 The effect of Al(OH)3 granuarity on its flame retarding in LDPE
粒度/μm
|
25
|
5
|
1
|
氧指數/%
|
23
|
28
|
33
|
在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。
(4)粒度尺寸對著色劑著色力的影響
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,存在一個上限值,而且對不同性能的上限值不同。對著色力而言,偶氮類著色劑的上限粒度為0.1μm,酞菁類著色劑的上限粒度尺寸為0.05μm。對遮蓋力而言,著色劑的上限粒度尺寸為0.05μm左右。
(5)粒度尺寸對導電助劑導電性能的影響
以炭黑為例,其粒度越小,越易形成網狀導電通路,達到同樣的導電效果時加入炭黑的量越低。但同著色劑一樣,粒度大小也有一個上限值,粒度太小,導電助劑易于團聚而難于分散,效果反而不好。