第三章高分子材料的配方設計深圳大學材料學院3.1高分子材料制品設計3.2配方設計原則和步驟3.3配方表示方法3.4配方設計方法3.5配方實例

3.1高分子材料的制品設計制品設計是在對制品形狀、結構和使用性能科學的預測和判定的前提下，通過充分把握并正確選用高分子材料，制定出一套完整的制品制造過程的實施方案和程序。制品設計必須貫徹“實用、高效、經濟”的原則，即制品的實用性應強、成型加工工藝性應好、生產效率要高、成本要低，可滿足人類持續發展的要求。制品設計的一般程序

3.2配方設計的原則和步驟

3.2.1配方設計的意義配方設計是一個富于挑戰性的、專業性很強的技術工作。因此，配方設計絕不是各種原材料之間簡單的、經驗性的組合，而是在對高分子材料結構與性能關系充分研究基礎上綜合的結果。配方設計是制品設計的核心部分，只有好的配方設計，再加上結構設計、工藝設計等要素的配合，才能獲得好的制品。（1）改善樹脂的內在性能功能化：阻燃性；抗靜電性；導電性；阻隔性；高性能化：降解改性；增強；增韌；耐老化性；耐磨；耐熱；改善外觀；發泡：降低成本，降低比重，隔音，隔熱3.2.2配方設計目的（2）改善成型加工性能

有些樹脂加工性能不好，需要加入加工助劑如PVC，其熔點和分解溫度接近，加工時容易分解，加入增塑劑，降低熔點，加入穩定劑提高其分解溫度，拓寬加工溫度。

如LLDPE，熔體粘度大，導致難以加工出合格制品，常加入有機含氟彈性體，低分子蠟等加工助劑，以改善其加工性能。

（3）降低成本

物美價廉是每一個設計時的首選目標，在滿足制品需求性能時，其價格越低越好。降低成本的方法主要兩種，即填充法和發泡法。填充法：簡單方便，添加量稍大易造成性能下降、比重大；發泡法：復雜，難以控制，但可以降低比。

3.2.3配方設計的原則（1）制品的性能要求；（2）成型加工性能的要求；（3）選用的原材料來源容易，產地較近，質量穩定可靠，價格合理；（4）配方成本應在滿足上述三條的前提下，盡量選用質量穩定可靠、價格低的原材料；必要時采用不同品種和價格的原材料復配；適當加入填充劑，降低成本。

制品需要什么性能，相應選取何種助劑。以高密度聚乙烯(HDPE）桶而言，用于裝油品，要進行耐油改性；用于裝碳酸飲料，要進行阻隔改性；用于裝光敏藥品時，要涂成黑色。再如PP注射椅子，用在北方要進行低溫沖擊改性，用在礦井下，要進行防靜電、阻燃處理。

（5）充分考慮助劑與樹脂及多種助劑之間的相互聯系與作用①助劑與樹脂的相容性用于配方中的助劑要與樹脂有良好的相容性，這樣才能均勻地分散于樹脂中，同樹脂有機地結合在一起，從而發揮其應有的作用。1）助劑發揮作用的同時常常會伴隨有副作用；

2）助劑的使用常受到最終用途的制約②助劑對制品性能的影響③充分發揮助劑間的協同效應在穩定劑、阻燃劑中特別顯著，通常需要幾種穩定劑按一定比例構成防老化體系時才能達到滿意的結果與此同時需要防止配方中出現對抗效應④助劑的耐加工性助劑大都為小分子物質，其熱分解溫度不太高，特別是小分子有機助劑，更易于分解。對于小分子液體助劑，易在加工中蒸發。因此，在選擇固體助劑時，要保證其在加工中不能熱分解(發泡劑除外)。在選擇液體助劑時，要保證在加工時不逸出。⑤根據加工方法選擇不同的加工方法，要求加入的助劑品種不同。如PVC薄膜，可以用吹塑法和壓延法兩種方法生產。兩種不同的加工方法，對潤滑劑的要求不同。吹塑法常選內潤滑劑，加入量少；而壓延法常選外潤滑劑，且加入量稍大。⑥助劑的來源與成本對于一個配方而言，除考慮其性能外，主要考慮其來源與成本。在同等性能條件下，要選擇來源廣、產地近、價格低的品種。⑦制品的透明性如果制品要求透明，所選助劑應不影響其透明性。一般助劑的折光指數與樹脂越相近，對制品的透明性能影響超小。無機助劑大都影響制品的透明性。只有云母、硼酸鋅等品種不影響透明性或影響極小。⑧助劑的毒性

大部分助劑都有毒性或低毒性。對于同食品及藥品接觸的塑料制品，要求無毒或低毒時，選擇的助劑也應無毒。如對穩定劑而言，要選擇無毒時，一般選Ca/Zn等無毒穩定劑品種。環保：鎘(Cd)：＜100ppm

；鉛(Pb)：＜1000ppm

；汞(Hg)：＜1000ppm；

六價鉻(Cr6+)：＜1000ppm

溴含量＜1000ppm3.2.4配方設計的步驟①在確定制品性能和用途的基礎上，收集高分子化合物和添加劑等各種原材料的資料，初定產品形狀、尺寸及各部件的作用及成型加工方法。

②初選材料，并進行配方設計及試驗，先可設計若干個配方，進行小樣壓片試驗，通過性能測試初定合格的配方，再進行擴大試驗，確定加工性能；

③依獲得的材料性能數據或憑經驗，進行結構設計（壁厚及其他尺寸）；

④制成實物模型，進行實樣試驗或模擬試驗；

⑤再設計與再試驗。如性能不合格，需再篩選配方；

⑥依模型試驗和制品成本，進行最終選材和配方設計；

⑦材料規范化（原材料規格、牌號、產地、驗收標準、監測項目和監測方法等）。

3.3高分子材料配方表示方法（1）相對質量份數表示法

以主體成分樹脂的加入量為基準(100質量份)，配方中其他組分以樹脂的含量為參照，以其占樹脂質量的百分比來表示（phr:perhundredresin）。（2）質量百分含量表示法

將整個配方各組分的總質量定為100分，配方中各他組分以總質量為參照，以其占總質量的百分比來表示。（4）質量、體積混合表示法將含量大的固體組分用質量表示，含量小的液體組分用體積表示。只用于含少量液體的配方。（3）直接質量表示法根據設備生產能力，直接用配方各組分所用質量來表示。直觀、但看不出比例關系；生產上常用。（5）體積百分含量表示法

如果知道各組分的密度和質量，則可以折算成體積百分數來表示。塑料配方的計量表示法比較實例原材料相對質量份數法質量百分含量法/%直接質量法PVCSG-5100phr85.0350g三鹽2.5phr2.131.25g二鹽1.5phr1.280.75g硬脂酸鈣0.8phr0.680.4g硬脂酸單甘油酯0.4phr0.340.2g硬脂酸0.4phr0.340.2gPE-C6phr5.103gCaCO36phr5.103g合計117.6phr10058.80g塑料配方計量表示法換算實例原材料直接質量法相對質量份數法質量百分含量法主要作用ABS1000g100phr77.52%主體樹脂十溴聯苯醚150g15phr11.63%主阻燃劑Sb2O360g6phr4.65%助阻燃劑/阻燃協效劑SBS70g7phr5.43%增韌劑氧化劑10102g0.2phr0.16%穩定劑/氧化劑EBS3g0.3phr0.23%分散劑/擴散劑ZnSt3g0.3phr0.23%內潤滑劑PE蠟2g0.2phr0.16%外潤滑劑總計1290g129phr100%合計

3.4高分子材料配方設計方法配方設計方法是指確定配方中各種添加劑、填充劑加入量的方法，涉及實驗步驟安排、變量選擇和變量范圍的確定。高分子材料制品往往是一個多組分的體系，各組分之間還可能存在復雜的化學作用和物理作用，因此，各組分如何搭配，如何減少實驗次數，節省工作量，以低的成本、高的工作效能確定理想的配方，是一項充滿激情的工作。因素（亦稱因子）和水平（亦稱位級）是配方設計中最頻繁使用的兩個術語。因素是指影響材料性能指標的因子，如原材料、工藝條件等；水平是指每個因素可能處于的狀態。水平可以是原材料的品種、用量或工藝參數等，水平值可由經驗確定，也可在確定前先做一些探索性試驗。各水平值間應有合理的差距（步長）。單因素變量配方設計方法：

逐步提高法：穩妥，但接近最佳點的速度較慢平分法事先知道因素的變化規律，實驗速度較快分批試驗法實驗范圍內均等安排實驗其它方法多因素變量配方設計正交設計法

LM(bk)

當b=2，M=k+1;

當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）可大幅度減少實驗次數，因素越多，減少程度越明顯。L—正交表的符號；

k—因素數；

b—每個因素所取的水平數；

M—實驗次數，可由經驗確定。例如:下表可表示為L9(34)：L是正交表的代號，9表示表的行數(試驗次數)，4表示表的列數(最多可安排4個因子)，3表示表的主體有3個數字(代表不同的水平數)，如表1所示。ABCD11052