浅谈材料配方设计基本功资料Word文档格式.docx

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1、聚乙烯类塑料的结构性能

PE为线性聚合物，属于高分子长链脂肪烃；

分子对称无极性，分子间作用力小，力学性能不高、电绝缘性好、熔点低、印刷性不好。

PE的结构规整，线性度高，因而易于结晶。

结晶度从高到低排序：

HDPE，LLDPE，LDPE。

随结晶度的提高，PE制品的密度、刚性、硬度和强度等性能提高，但冲击性能下降。

（1）一般性能：

PE树脂为无味、无毒的白色粉末或颗粒，外观呈乳白色，有似蜡的手感；

吸水率低，小于0.01%。

PE膜透明，透明度随结晶度提高而下降。

PE膜的透水率低但透气性较大，不适于保鲜包装而适于防潮包装。

PE易燃，氧指数仅为17.4%，燃烧时低烟，有少量熔融滴落，火焰上黄下蓝，有石蜡气味。

PE的耐水性较好,制品表面无极性，难以粘合和印刷，须经表面处理才可改善。

（2）力学性能：

PE的力学性能一般，其拉伸强度较低，抗蠕变性不好，耐冲击性能较好。

PE的耐环境应力开裂性不好，但随分子量增大而改善。

PE耐穿刺性好，并以LLDPE最好。

（3）热学性能：

PE的耐热性不高，随分子量和结晶度的提高而改善。

PE的耐低温性好，脆化温度一般可达-50℃以下；

随分子量的增大，最低可达-140℃。

PE的线膨胀系在塑料中属较大的。

PE的热导率属塑料中较高的。

（4）电学性能：

PE无极性，因此电性能十分优异。

介电损耗很低，且随温度和频率变化极小。

PE是少数耐电晕性好的塑料品种，介电强度又高，因而可用做高压绝缘材料。

（5）环境性能：

PE具有良好的化学稳定性。

在常温下可耐酸、碱、盐类水溶液的腐蚀，具体有稀硫酸、稀硝酸、任何浓度的盐酸、氢氟酸、磷酸、甲酸及乙酸等，但不耐强氧化剂如发烟硫酸、浓硫酸和铬酸等。

PE在60℃以下不溶于一般溶剂，但与脂肪烃、芳香烃、卤代烃等长期接触会溶胀或龟裂。

温度超过60℃后，可少量溶于甲苯、乙酸戊酯、三氯乙烯、松节油、矿物油及石蜡中；

温度超过100℃后，可溶于四氢化萘。

PE耐候性不好，日晒、雨淋都会引起老化，需加入抗氧剂和光稳定剂改善。

2、聚乙烯类塑料的应用范围

（1）薄膜类制品

薄膜类制品是PE的最主要用途。

LDPE树脂用于膜类制品可占50%以上，可用于食品、日用品、蔬菜、垃圾袋等轻质包装膜及农业用地膜、棚膜等。

HDPE树脂用于膜类制品可占10%以上。

因其薄膜强度高，主要用于重包装

膜、撕裂膜及背心袋等。

LLDPE树脂用于膜类制品的比重比LDPE还要大，可占树脂的70%以上。

LLDPE膜具有延伸性好、较高的拉伸强度、耐穿刺、耐环境应力开裂及低温冲击性好、可制成超薄膜等优点，主要用于包装膜、垃圾袋、保鲜膜、自粘膜及超薄地膜等。

（2）注塑制品

PE因加工性好而广泛用于注塑制品，其中HDPE占30%以上，LDPE和LLDPE各占10%以上。

主要产品：

日用品如盆、桶、盒、暖瓶壳、杯、玩具等，周转箱、瓦楞箱。

（3）中空制品

以HDPE树脂为主，可占树脂用量的20%。

其制品具有耐应力开裂性好、耐油性好、耐低温冲击性好等优点，可用于食品油、酒类、汽油及化学制剂等液体的包装。

此外还有中空玩具等。

（4）管材类制品

以HDPE树脂为主，主要用于生活给水、燃气输送、农业排灌、电缆穿线管、液体吸管及圆珠笔芯等。

LDPE管还可用于化妆品、药品、牙膏、鞋油等的包装。

（5）丝类制品

圆丝用HDPE为原料，主要用于编织渔网、缆绳、工业滤网及民用纱窗网等。

扁丝以HDPE和LLDPE为原料，主要用于编织袋、编织布及撕裂膜等。

（6）电缆制品

PE广泛用于中、高压电缆的绝缘和护套材料，其中以LDPE为主，最高耐压可达220kV。

（7）其它制品

HDPE、LLDPE可用于打包带。

LLDPE可用于型材。

3、聚乙烯的其它品种

（1）茂金属聚乙烯（m-PE）

茂金属聚乙烯是聚合反应所用催化剂为茂金属型的聚合物，因其性能独特而单列，英文简称m-PE。

茂金属聚乙烯的特性有：

分子量高且分布窄、支链少而短、密度低、纯度高、高透明性、高拉伸强度、高冲击性、热封温度低且范围广、耐穿刺性等。

用茂金属聚乙烯制成的薄膜具有优异的强度、高透明度和低热封温度（比LLDPE低20℃）。

目前，由于茂金属聚乙烯的价格偏高，一时尚不能取代传统的聚乙烯，但可以同EPR、EVA等相竞争。

其应用主要为膜类产品，如LLDPE与茂金属PE共混，可用于生产阻油脂性重包装袋。

（2）超高分子量聚乙烯（UHMWPE）

超高分子量聚乙烯为相对分子质量高达100万～400万的聚乙烯类聚合物，英文简称UHMWPE。

与普通PE相比，UHMWPE具有耐磨性好（比POM大15倍）、低摩擦性（摩擦系数油润滑时为0.05~0.08）、抗冲击性好、自润滑性好、生理相容性好及耐腐蚀等优点；

但其硬度低、强度不高、耐热性差、抗蠕变性差及成型加工困难。

UHMWPE主要用来生产管材、型材、中空制品和注塑制品，具体应用如下：

①耐磨输送管道。

可用于煤、矿粉、水泥、石灰、盐、粮食的输送管道，耐磨性比金属高10～50倍。

②机械零件。

主要利用其耐磨性，如纺织机械中的投梭器、打梭棒、齿轮、连接器、扫花杆、缓冲块及偏心块等；

在造纸机械中用于水箱盖板、刮水器、压密件、接头及密封轴杆等；

机床中用于导轨、滑道及摩擦轮等。

③医用材料。

利用生理相容性好和耐腐蚀的优点，用于矫形外科材料和人工关节等。

④其它制品。

利用耐辐射性，制造核电站遮盖板；

利用高冲击性,制造防弹衣、滑雪板等。

（二）、熟悉相关改性塑料专用料的发展背景

要想成功地开发出一个新产品，就必须了解新产品的相关背景及国内外的研究发展趋势和现状，才能做到目标明确。

了解和熟悉自己所要开发的新产品相关资料越多越好。

以开发汽车改性聚丙烯专用料为例。

至少应该了解如下信息。

例如：

汽车用改性聚丙烯

汽车工业是中国的重要产业。

在国内许多地方，例如上海、北京、天津、重庆、长春、武汉、广州等等，都将汽车工业列为当地的支柱产业。

随着汽车工业的迅速发展，一种新兴的化工项目—汽车改性塑料产业也迅速发展起来。

当今工业发达国家对汽车发展方向提出的主要目标是∶节约能源，防止环境恶化、改善安全性能。

反映了当今汽车面临最严重的三大问题是节能、环保和安全。

作为构成汽车的主要材料，塑料的应用水平直接关系到这三大问题，因此汽车发展的目标也是汽车塑料材料技术发展的重要动力和追求的目标。

在汽车上大量使用塑料，不仅可以实现轻量化，还达到安全、防腐、造型的舒适性，并有利于降低成本。

目前全世界汽车用塑料制品市场规模为450万吨/年，2005年中国汽车需求量为570.7万台，预计2008年将接近1500万台，目前市场需各种塑料25～30万吨/年，若加上社会维修需求量，汽车塑料需求量将达到50～55万吨/年，其中各种专用料约为35～40万吨，聚丙烯及其改性专用料是汽车中应用量最大的塑料品种之一。

据国家信息中心预测，2010年中国汽车市场的需求量在800万辆，车用塑料需求量将达到72万吨/年。

目前汽车用专用树脂和塑料的国产化程度还很小，国产车塑料部件所用树脂和专用料大部分依靠国外进口，甚至聚丙烯树脂因品种和质量上的原因，也还有相当的进口份额。

目前我国汽车塑料占汽车自重的5%～6%，而国外已达13%；

而且车用塑料在发达国家已占塑料总消耗的7％～11％，而中国汽车用塑料需求量仅占塑料总需求量的0.4%，每辆汽车塑料用量平均只有14～28公斤，仅占车辆总重的0.35%～0.7%，并且所使用的产品几乎都是泛用塑料。

专家预测2009年前后将是我国轿车大规模进入家庭的开始，由此可见，随着我国汽车工业的发展，汽车用塑料市场的前景十分广阔。

目前我国汽车塑料特别是中高档汽车塑料供应严重不足，为汽车工业生产配套塑料制品的厂家仅百十来家，技术力量也很薄弱，产品质量不稳定，远不能满足汽车工业飞速发展的需要。

（三）、熟悉基础树脂的不同牌号的性能指标

一个好的配方设计人员，应该非常了解国内各大石化企业基础树脂的不同牌号和其性能指标，以及各个不同牌号的指标特点及不足，这样在选择基础树脂的时候才能扬长避短，发挥基础树脂的最好性能。

举例：

表1北京燕山石化公司均聚注塑类聚丙烯树脂牌号性能指标

产品牌号

Grade熔体流动速率MeltIndexg/10min

ASTMD11238密度Densityg/cm3

ASTM1505 

拉伸屈服强度,YieldStrengthinTensionMpa

ASTMD638 

断裂伸长率ElongationatBreak％

ASTMD638弯曲模量FlexuralModulusMpa

ASTMD790A悬臂梁冲击强度IzodImpactStrengthKJ/m2

ASTMD256负载热变形温度,ThermalDistortionTemperatureunderLoad℃

ASTMD648用 

途Application 

K10033.00.90535>

20014703.0100通用注塑类产品

Injectionmoldingproductsforgeneralpurpose 

K10055.50.90535>

K1008100.90535>

20014702.8100通用注塑类产品

K1015140.90535>

20014702.0100通用注塑类产品

K1020200.90535>

13001.50.9132.05001700100 

机械及汽车零部件

Mechanicalandautomobileparts 

14003.00.9133.05001700100 

汽车部件及家具等

Automobilepartsandfurniture 

1700110.9135.05001700105 

篮子、盘子等一般用途

Forgeneralpurposesuchasbasketandplate 

表2 

北京燕山石化公司共聚注塑类聚丙烯树脂牌号性能指标

产品牌号 

熔体流动速率

密度

拉伸屈服强度

断裂伸长率％

弯曲模量

悬臂梁冲击强度,IzodImpactStrengthKJ/m2

ASTMD256负载热变形温度℃

用途

-20℃0℃23℃ 

K7708100.90525.55015203.0 

12110洗衣机部件、汽车零部件等

Washingmachineparts,automobileparts 

K7726290.90524.55013202.3 

5.5105洗衣机桶及部件、汽车零部件等

Washingmachinebarrelandparts,automobileparts 

K7735400.90524.55013202.3 

5.0105洗衣机桶及部件、汽车零部件等

1647100.9124.05015003.0 

8.0110耐高冲击的洗衣机底座、汽车部件等

Highimpactwashingmachinebase,automobileparts 

1947280.9125.05015003.0 

5.5110耐高冲击的洗衣机桶及汽车零部件等

Highimpactwashingmachinebarrel,automobileparts 

1947H380.9125.05015003.0 

5.5120耐高冲击的洗衣机桶及汽车零部件等

12400.70.9123.050013005.0 

105耐高冲击啤酒、饮料瓶箱，吹塑制品

Highimpactbeerbottle,beveragebottlebox,blowmoldingproducts 

13401.50.9123.050013005.0 

105室外用耐高冲击啤酒瓶箱、汽车部件等

Outdoorhighimpactbeerbottlebox,automobileparts 

15405.50.9123.02001350 

5.0 

105耐高冲击容器，汽车、摩托车配件等

Highimpactcontainers,automobilepartsandmotorcycleparts 

1740120.9123.010013502.5 

8.7105抗冲注塑制品，汽车、摩托车配件等

Mediumimpactinjectionmoldingproducts,automobileparts,motorcycleparts 

1940250.9123.05013502.7 

5.8110抗冲注塑制品，汽车、摩托车配件等

1940H380.9123.05013502.5 

5.5110抗冲注塑制品，汽车、摩托车配件等

（四）熟悉各种填料的特点及使用方法

添加无机填料的目的在于降低材料的收缩率，提高材料的硬度、弯曲模量，降低成本。

几种常见的无机填料有：

云母、滑石粉、硫酸钡、碳酸钙等。

无机填料粒子形状可分为针状、片状、粒状和球状。

图1是四种填料填充PP试样的表面电镜照片。

从图1可以看出，云母、滑石粉填充 

PP的表面凹凸不平程度最大，碳酸钙的次之，硫酸钡的相对较小。

因此在这几种常用的填料中，硫酸钡对PP的表面光泽度影响最小。

大量的实验证明云母、滑石粉对降低PP的收缩率效果好于硫酸钡和碳酸钙。

这可能是因为填料的形状不同，对改变PP的结晶形态及热膨胀性大小不同造成的。

云母、滑石粉是片状结构，各向异性程度比粒状、球状的硫酸钡和碳酸钙要大，对PP的结晶和热膨胀系数影响大，因此降低PP的收缩率效果好。

此外，不同填料填充PP力学性能上也存在着差异：

（1）滑石粉、云母对体系弯曲强度和弯曲模量增强效果明显，碳酸钙、硫酸钡的增强效果较小。

这是因为滑石粉和云母是径厚比大的片状材料，对树脂的补强作用大，故使体系的弯曲强度和弯曲模量增幅较大；

（2）滑石粉、云母使体系常温缺口冲击强度下降，碳酸钙使其变化很小，而硫酸钡使其略有提高。

这可能是因为硫酸钡的外观近似于不规则的球状，和滑石粉、云母相比无明显的可引发应力集中的棱角，当有外力作用到硫酸钡粒子时，圆滑的表面能迅速将外力分散并有效地吸收冲击能，起到一定的增韧作用。

虽然滑石粉和云母都能显著降低PP的成型收缩率，但云母比滑石粉还要好些。

但是云母填充聚丙烯后使材料的颜色变成棕褐色，产生珠光效果，对于要求浅色的塑料制品很难配色和着色均匀。

因此无法使用。

（a）PP/云母 

（b）PP/滑石粉 

（c）PP/碳酸钙 

（d）PP/硫酸钡

图1不同填料在PP中的形态

另外，填料的细度和产地对材料的性能影响也需要注意：

表3不同细度、不同产地滑石粉填充聚丙烯的性能比较

项目弯曲模量MPa弯曲强度MPa热变形温度℃成型收缩率%光泽度% 

纯PP129435.61381.0281.1 

滑石粉325目279849.31550.746.1 

滑石粉800目304658.11550.747.6 

滑石粉1250目321460.51550.755.4 

表

3表明：

滑石粉可以提高材料的弯曲模量和热变形温度，降低成型收缩率；

高目数的滑石粉比低目数的滑石粉增强效果好，且光泽度也好于低目数的滑石粉。

这是由于滑石粉的目数越高，平均粒径越小，在PP中的分散效果越好的原因。

此外，高目数的滑石粉白度较低目数的好，这可能是因为高目数滑石粉杂质含量低。

因此，辽宁海城1250目滑石粉被选为降低聚丙烯成型收缩率最好的无机填料。

熟悉各种助剂的特点及使用方法，塑料助剂是指从树脂合成到制品成型整个过程所涉及的各种化学品和添加剂。

由于塑料制品的生产一般包括树脂合成和加工成型两个过程，因而塑料助剂实际上分为合成助剂和加工助剂两大体系。

合成助剂适用于树脂的合成过程，主要涉及催化剂、引发剂、乳化剂、悬浮剂、分子量调节剂、终止剂、阻聚剂和防粘釜剂等。

其作用是引发、终止、阻聚聚合反应，控制聚合反应的速度和方向，提高选择性和转化率，调节树脂的分子量范围和分布，改善聚合条件，确保反应的顺利进行。

一般很少带入树脂和制品中，习惯上划归合成工艺讨论，不在塑料助剂的统计范畴。

加工助剂是指用于制品成型过程，旨在改善树脂的加工性、稳定性以及赋予制品阻燃、抗静电、柔软、轻量、抗冲击等特殊功能的添加剂或化学品。

与合成助剂相比，加工助剂涉及类型多，化学物质范围广，改性机理复杂，是构成塑料加工的三大基本要素（树脂、助剂、机械）之一。

因此，现代塑料助剂的含义实际上是专指塑料加工助剂。

尽管塑料加工助剂分类方法多样，但以功能和改性目的为依据的分类方法最为直观和普遍。

根据功能和改性目的，塑料助剂一般分为稳定化助剂、加工改性助剂和功能化助剂三个基本体系。

塑料助剂门类庞杂，品种繁多，这需要大家花时间和精力去总结和熟悉，熟悉各种助剂的特点及使用方法，也是配方设计过程中经常用到的基本功。

比如在配方设计中常用到的助剂有：

内、外润滑剂、抗氧剂、紫外吸收剂、增韧剂等。

例4：

增韧剂

EPM弹性体（乙烯—丙烯共聚物，具有饱和聚亚甲基链）最早是由Exxon公司于1961年底，在美国路易斯安娜州生产出商业产品的。

1963年初，Montedison公司于意大利开始了全面商业生产。

由于EPM是由单烯烃聚合成的，这种共聚物基本上是饱和的，需要用过氧化物或过氧化物—硫磺硫化体系硫化。

EPDM弹性体由乙烯、丙烯及少量（3%~12%）的非共轭二烯烃共聚而成。

Montecatini在1963年开始商业化生产，Exxon公司在1963年底生产出EPDM，DuPont公司也于1963年底开始生产EPDM，Uniroyal于1964年开始生产。

日本开始生产EPDM的时间为：

住友商社在1969年，JSR和三井公司在1970年开始生产。

EPDM在饱和主链上的侧链有足够的不饱和性，可以用硫磺硫化。

POE是一种饱和的乙烯-辛烯共聚物，由美国DOW化学公司采用茂金属催化剂使乙烯和辛烯聚合而得的一种热塑弹性体。

POE的特性:

非常窄的分子质量分布和一定的结晶度，使其既具有弹性体的性能又能像热塑性塑料一样便于加工；

有较高的剪切敏感性和熔体强度，加之与其他聚烯烃相容性好，可以实现高挤出速率；

没有不饱和双键，耐候性能优于其他弹性体，在低温下仍有较好的韧性。

与应用较广泛的EPDM相比，POE的内聚能低，无不饱和双键，耐候性更好，其表观切变黏度对温度的依赖性更接近PP，故相容性较好，加工温度范围较宽。

由于POE既具有橡胶的弹性又具有塑料的刚性，与PP共混时更易得到较小的弹性体粒径和较窄的粒径分布，增韧PP的同时能保持较高的模量、拉伸强度及良好的加工流动性，因而增韧效果更好。

SBS是由丁二烯、苯乙烯组成的具有三维层状结构的嵌段共聚物，该弹性体兼具硫化橡胶和热塑性塑料的性能。

SBS与PP能显著提高PP高低温冲击强度。

PP/SBS共混物的冲击强度随SBS用量的增加而增大，其他机械性能则随SBS用量的增加而降低。

表4：

两种增韧剂对PP共混改性效果

测试项目 

单位 

测试标准

弹性体名称 

SBSPOE 

熔体流动速率g/10minD123810.312.9 

拉伸屈服强度MPaD63824.424.9 

拉伸断裂强度MPaD63811.99.1 

断裂伸长率%D63892.0233 

弯曲强度MPaD79029.929.2 

弯曲模量MPaD7901464.31463 

缺口冲击强度 

23℃J/mD25691.3229.0 

-20℃J/mD25634.542.3 

关于增韧剂在聚丙烯体系普遍有以下几点可以供大家参考：

1、不同增韧剂对PP的物理机械性能的改性效果

从表4可见，PP/POE体系与PP/SBS体系的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量比较接近，而PP/POE体系的常温和-20℃的缺口冲击强度都高于PP

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