配方设计表面看起来很简单,但其实包含了很多内在的联系,为了设计出高性能、易加工、低价格的配方,需要考虑的因素很多,现提出以下几个方面的因素供参考。
1 树脂的选择
1.1 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)。
1.2 牌号的选择
同一种树脂的牌号不同,其性能差别也很大,应该选择与改性目标性能最接近的牌号。
耐热改性聚丙烯,可在热变形温度大于100℃的PP牌号范围内选择,如大韩油化公司的PP-4012。
1.3 流动性的选择
(1)配方中的塑化材料的粘度
配方中各种塑化材料的粘度要接近,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。
(2)不同加工方法要求流动性不同
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),高抗冲聚苯乙烯(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。
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,具体如表1所示。
表1 不同加工方法采用的树脂的熔体流动速率
Tab.1 The MFR of resins used in different processings
加工方法
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熔体流动速率/[g·(10min)-1]
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压制、挤出、压延
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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、滚塑
|
1-8
|
注塑
|
1-60
|
(3)不同改性目的要求树脂流动性不同
如高填充改性要求树脂流动性好,如磁性塑料、填充母料、无卤阻燃电缆料等。
1.4 树脂对助剂的特殊要求
一些树脂由于其本身分子结构和性能的关系,不能选择某种助剂,如PPS中不能加入含铅和含铜助剂,在PC中不能加三氧化锑,因为它会导致PC的解聚,不能选择与树脂的酸碱性不一致的助剂,否则二者会发生反应。
2 助剂的选择
2.1 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;
(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;
(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;
(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。
2.2 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:
(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。
3 助剂的形态
助剂形态不同,改性的效果也不同。
3.1 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。
(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。
3.2 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表2。
表2 平均粒径与目数的关系
Tab.2 The relationship of mesh and average diamete of particle
目数
|
20
|
80
|
100
|
150
|
200
|
325
|
400
|
625
|
1250
|
2500
|
12500
|
平均粒径/μm
|
833
|
175
|
147
|
104
|
74
|
43
|
38
|
20
|
10
|
5
|
1
|
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
(2)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表3。
表3 粒度对20%硅灰石填充PA6的力学性能的影响
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
|
拉伸强度/MPa
|
127.5
|
127.4
|
126.0
|
124.5
|
124.5
|
冲击强度/(kJ·m-2)
|
15.5
|
15.1
|
14.8
|
14.4
|
13.5
|
(3)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表4。
表4 氢氧化铝的粒度对其在LDPE中阻燃效果的影响
Tab.4 The effect of Al(OH)3 granuarity on its flame retarding in LDPE
粒度/μm
|
25
|
5
|
1
|
氧指数/%
|
23
|
28
|
33
|
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。
(4)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。
(5)粒度尺寸对导电助剂导电性能的影响
以炭黑为例,其粒度越小,越易形成网状导电通路,达到同样的导电效果时加入炭黑的量越低。但同着色剂一样,粒度大小也有一个上限值,粒度太小,导电助剂易于团聚而难于分散,效果反而不好。