聚合物共溷改性配方设计1.docx
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聚合物共溷改性配方设计1
聚合物共混改性配方设计
4.1实验设计方法
4.1.1配方设计阶段
4.1.2配方分类
4.1.3三方块设计方法
4.1.4基于价值工程的配方持续改进方法
4.2配方设计的基本原则
4.2.1试验设计指南和基本原则
4.2.2确定客户需要
4.2.3配方开发16问
4.3基于单一共混改性方法的配方设计
4.4基于多种共混改性方法的配方设计
具有良好综合性能的工程聚合物材料和具有特定性质的功能聚合物材料得到了快速发展，但是人们逐渐认识到从现有的聚合物经过改性开发一种聚合物新材料要比从一种新单体进行聚合更加经济，因此聚合物的合金化和共混技术得到广泛的重视。
聚合物合金化和共混技术的重要一环就是配方设计。
所谓配方设计，是根据塑料制品的性能要求及生产工艺、设备条件，在充分了解原材料（包括各种树脂和助剂的性质、结构、配合性、成型加工性、毒性等）性能的基础上，通过试验、优化，合理选择原材料，确定各种原材料的用量配比关系。
配方设计的优劣，直接关系到塑料制品的性能和使用效果，也影响到塑料制品的生产和销售，所以配方设计是一项非常重要的工作。
塑料配方设计是一项专业性很强的技术工作，配方设计的过程是各种原材料的结构和性能关系在实际应用中的体现。
配方设计过程不仅仅是各种原材料的经验搭配，而且是在了解和掌握各种配合原理的基础上，充分发挥整个配方体系得综合效果，从而得到最佳的配比关系，最佳的性价比。
根据实践经验，50%以上的质量问题都是由于设计不当造成的。
配方设计的目标是材料性能稳定、可靠性高，同时成本较低。
配方设计时要注意试验设计方法（ＤＯＥ，Designofexperiment）运用，如果试验安排的好、且分析得当，就可以用较少的试验次数，较短的试验时间和较低的费用，得到满意的试验结果；所以试验需要进行设计。
好的试验应该包括试验设计、试验实施和结果分析，最终判定那些因素是主要因素。
因此，塑料配方设计工程师应当具备扎实的高分子物理、高分子化学、有机化学、塑料材料、加工助剂、塑料共混加工设备、塑料成型机械、成型模具、塑料制品设计等基础知识，同时具备试验设计方面等统计学方面的知识，并能灵活运用，才能适应各种塑料产品的不同性能和生产要求。
在高新技术不断涌现的今天，需要更加注意各相关学科的先进技术和理论，只有把它们与配方设计有机的结合起来，才能设计出技术含量较高的新产品。
此外，在塑料配方设计中，应当经常收集、归纳、总结各种数据，并且注意拟和一切可能的经验方程，以利于从大量的统计数据中发现各种产品与性能间规律性的原理。
这些规律可以反映某种趋势或者可能确定一定的定量范围，对今后的工业化生产具有指导意义。
第一节实验设计方法
塑料材料是各种树脂和各种添加剂组成的多相体系，其中各个组分间存在着复杂的化学和物理作用。
目前尚不能用理论的方法精确计算出各种原料的定量关系，因此塑料配方设计在一定程度上依赖于长期积累的经验数据。
传统的配方设计方法，主要依靠配方开发工程师的经验，因此基本上还属于技艺的范畴。
由于新的理论和技术的引进，特别是计算机辅助技术的引进，使配方设计方法发生显著的变革，产生了一个所谓的统计配方方法，从而使配方设计成为一门实验科学。
这种方法依据数理统计理论，同时应用了计算机技术，是一个较为先进的方法。
配方工程师需要在前人经验和充分掌握各种配合原理的基础上，发挥整个配方体系的系统效果，使配方设计逐步科学化、理论化，从而更加准确地预测材料的性能，简化实验程序，加快开发过程，进一步开发和拓展塑料制品的应用领域。
配方设计过程是高分子材料各种基本理论的综合运用过程，是高分子材料结构与性能关系在实际应用中的体现。
4.1.1配方设计包括以下几个阶段：
1.研究、分析同类产品和近似产品生产中所使用的配方，包括剖析材料，分析专利等
2.建立基础配方数据库，制定基础配方，并在这个基础上制定连续改进配方
3.根据确定的计划，在实验室条件下制定出改进配方的共混料，并进行试验，通过DOE分析（DesignofExperiments,缩写为DOE,常常使用Minitab软件）和稳健设计（robustdesign），选择出其中最优配方，同时使共混料的性能因误差因素的变化而变化的敏感性最小，为下一步试制配方
4.在中试车间的条件下进行放大测试，制备生产工艺（温度、螺杆速度），同时送客户承认
5.生产配方确定，并按照标准和技术条件确定生产流程
根据上述各个试验阶段所得到的试验数据，就可以确定生产配方。
如果还不能满足要求，则应继续进行试验研究，直到得到合乎要求的指标为止。
4.1.2配方设计中的配方分类：
在研究配方设计之前，我们都需要确定要研究的基本配方，这可以根据实际生产中的原始配方来定。
对于一个大型企业，配方那个都会以数据库的形式保存，这样便于对配方的管理分析和研究。
针对市场需要，配方工程师在基础配方的框架上，通过改性塑料的基本知识、相关文献及其现有材料的剖析，确定技术配方需要研究的因子数目及其变化范围，然后采用DOE等数学方法对试验过程进行优化分析。
1.基础配方
基础配方又称为标准配方，一般以验证基体树脂和添加剂为目的。
当可替代的基体树脂和添加剂首次出现时，以此来检验其基本的加工性能和物理心跟那个。
其设计原则是采用传统的添加量，以便于对比；同时配方体系尽可能简化，使重显性较好。
基础配方仅仅包含最基本的组分，由此得到的共混料，既可以反映机体树脂的基本工艺性能，又可以反映共混料的基本物理特性。
可以认为，这些基本组分缺一不可。
在基础配方的基础上，在逐步完善、优化，以获得具有某些特性要求的性能配方。
不同的类别的基体树脂的基础配方往往不同，三十同一种基体树脂的基础配方基本上大同小异。
基础配方最好根据本公司的具体情况进行拟定，以公司积累的经验数据为基础。
还应该分析同类产品和类似产品在生产过程中的优缺点，同时要考虑到新产品生产过程和配方改进中新技术的运用。
2.技术配方
技术配方是配方工程师为了达到某种性能要求而进行的配方设计，其目的是为了满足产品的性能要求（客户需要）和工艺要求，提高某些特性等。
技术配方应该在基础配方的基础上，全面考虑各种性能的搭配，以满足制品使用条件要求为基准。
通常研发产品时所作的试验配方就是技术配方，是配方工程师使用最多的一种配方。
3.生产配方
在实验室条件下研制的配方，其试验结果并不是最终的结果，往往在投入生产时会产生一些工艺上的困难，如增塑剂、阻燃剂等添加困难，这就需要在不改变基本性能的条件下，进一步调整配方。
在某些情况下不得不采取适当降低物理性能和使用性能的方法来调整工艺性能，也就是在物理性能、使用性能和工艺性能间进行折衷。
共混料的工艺性能，虽然是个重要因素，但并不是绝对的唯一因素，往往由技术发展条件而定。
生产工艺和生产设备的不断完善，可以扩大共混料的适应性，如计量称和计量泵的使用。
但是无论如何，在研究和应用某一配方时，必须考虑到具体的生产条件和现行的工艺要求。
也就是说，配方设计工程师不仅要负责成品的质量，还要充分考虑现有条件下，配方在各个生产工序的适用性。
生产配方那个是在基础配方和技术配方的试验的基础上，结合实际生产条件所得到的配方。
生产配方要充分考虑到使用性能、工艺性能、设备条件、成本等因素，最后得到的生产配方能够满足工业生产条件，使产品的性能、成本、连续化工业生产工艺达到最佳平衡。
图1：
配方设计程序
4.1.3配方设计的三方块方法
塑料材料与其他工程材料差别很大，其独具的特点是具有粘弹性，容易产生形变，而形变后又具有记忆特性可以部分或者完全恢复原状，实际上是不可压缩的材料。
改性共混料是个多组分构成的多相体系，性能变化范围很大，种类可以说是无限的。
塑料材料的性能变化如此之多，以致几乎不存在什么标准品种，人们必须逐一鉴定每一种高分子材料方能了解其性能和用途。
从塑料改性配方设计的角度来说，一个配方设计是否合理，改性料的工艺性能、物理性能以及成本是否达到要求，都必须通过试验室的测试数据作出鉴定判断。
但是由于聚合物的结构和它们对配方或加工细微变化的敏感性，会导致各批胶料的性能出现变化，给研究人员或加工者带来困难。
也就是说，用传统试验研究方法只能作出初步的判断，因此有必要充分利用先进的仪器和测试手段，寻求结构与性能之间的关系。
随着高分子理论和测试技术的发展，近年来，很多配方工程师采用了一种高分子材料“三方块”设计方法（见），目前该设计方法在并用与共混的体系中尤为适用。
“三方块”设计方案的主要特点是，在传统的第一方块和第三方块之间，有意识地加了一个第二方块。
第二方块的加入，为设计提供了理论根据，减少了试验工作的盲目性，是寻求结构与性能之间关系的有效方法，大大改进了传统的研究方法。
4.1.4基于价值工程的配方持续改进方法：
价值工程是通过对产品和功能与成本分析，以最低的总成本实现产品的必要功能而开展的有组织活动；它是节约资源、降低产品成本的有效方法，并以其实用有效和灵活等特点引起广泛的注意。
价值工程是指生产厂商要从用户的角度来建立产品的价值概念，即产品的价值是功能和实现该功能的成本的比值。
价值是功能和成本的函数，这样价值就成为可以预测的东西。
根据价值工程，改性塑料配方设计可以从下列五个角度出发进行改善：
a.功能不变，成本降低
b.成本不便，提高功能
c..功能提高，成本降低
d.成本略有提高，功能有更大的提高；
e.功能略有降低，成本大幅度下降。
在塑料改性配方设计中，使用第一种方法最为理想，而使用第五中方法最为现实；特别是不同档次的产品，第五种方法更为适宜。
价值工程既不单纯强调改善功能，也不片面追求降低成本，而是强调二者的比值（价值），这样对公司和客户都是有益的。
价值工程在实际应用中，有分析、综合、评价三个阶段，一般需要经过对象选择、情报收集、功能分析、制定改进方案和组织方案实施几个步骤。
对象选择：
要考虑到企业的经营方针、发展方向、存在问题以及薄弱环节，从成本上考虑成本高于同类产品或者高于功能相近的产品者，其成本构成中的构成部分如材料费等；需要在诸产品中找出关键产品，在诸因素中找出关键因素。
功能分析：
通过功能分析可以搞清楚产品各功能间的关系，舍掉不合理的功能，调节功能间的比重，使产品的功能结构更加合理。
功能分析包括以下几个方面：
明确功能要求：
应该从总体上对产品所具备的功能及其水平提出明确的要求，在考虑了各种因素后，把要求一一列出。
功能定义：
通过下定义的方式加深对产品功能的理解，使所有的功能都有明确的规定，对功能的定义应该充分讨论和研究，力求准确。
功能种类：
从重要程度上考虑，功能可以分为基本功能和辅助功能。
基本功能是达到该产品必不可少的功能，是产品存在的主要条件；也是客户购买该产品的主要原因；辅助功能属于次要功能，包括实现基本功能的某些手段。
从客户角度看，又有必要和不必要功能，不必要功能包括过剩功能。
去掉不必要功能，削减过剩功能，是降低成本的主要途径之一。
④功能整理：
将功能按目的和手段的关系加以排列最后形成功能系统图，功能系统图为配方工程师分析问题提供了清晰的线索。
改进方案：
通过多次试验设计，如DOE设计，爬山法等等，选出2-3个可以达到客户标准的改进配方及其方案。
方案选择：
评价反感是否可以满足各方面提出的要求。
经济方面，如降低成本程度、取得盈利的产量界限、市场需求量大小等；技术方面，能否免租现有的技术条件、技术难点是否能解决；产品功能方面，可否满足客户的要求、是否达到预定的功能水平等。
改进方可以通过评分定量大进行方案评价。
效果评价：
运用价值工程，对于配方体系改善后，需要产生的效益进行评价，同时不断将该方法推广到其它种类的产品中。
第二节配方设计的基本原则
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，但其实包含了很多内在联系，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。
2.1实验设计指南和基本原则
2.1.1配方设计实验指南：
配方设计和分析一个实验时，技术员必须清楚所研究的问题就是是什么？
如何收集数据？
1.问题的识别与问题提出。
这一点似乎非常清晰，但是在实践中，确认需要实验的问题却不是那么简单，将问题讲清楚并且变为可以普遍接受的提法也不简单。
需要搞清楚有关实验目的的全部想法；通常，需要所有相关人员参与，其中包括：
工艺、质量保证、制造、市场、顾客以及操作人员（通常，他们的很多看法都被常常的忽略了）。
清晰的问题提法对于更好的理解现象和最终解决问题有重要帮助。
2.配方组分和水平的选择。
技术员必须在实验中准备用来变化的因素，这些因素变化的范围，以及在实验中这些因素的取值。
还必须考虑如何将这些因素控制在所希望的数值上以及如何测量这些数值。
例如，在配方中添加低粘度或者高粘度的油剂，往往在实际生产中无法准确添加；色粉往往无法分散良好。
这种加工知识通常是理论与实践经验的结合。
特别重要的是，确定可能的重要因素，同时不受过去经验的过分影响；特别是在实验的早期阶段或者实验未成熟时。
当进入配方优化阶段时，最好保持较低的组分水平数（常常使用两个水平）
3.响应变量的选择。
在选择相应变量时，技术员应该确认这个变量真正会对所研究的过程提供有用信息。
比如对于韧性的研究，可以使用断裂伸长率或冲击韧性两个相应变量。
4.配方设计的选择。
如果前三个步骤正确做到了，这一步相对容易。
选择设计及其考虑重复次数，对于配方实验选择合理的试验次序。
确定是否分组或者涉及其他随机变化约束。
5.进行实验。
当进行实验时，需要严密观察实验的恶过程以保证每件事情都按照计划完成非常重要。
这个过程中实验方法的错误会导致实验有效性的破坏。
好的计划是成功的关键，在复杂的配方设计和实施过程中，逻辑和计划等都容易被低估。
6.数据分析。
分析数据应当采用统计方法，使得结果和结论都是客观的，而不是主观臆断。
如果配方设计是合理的，并且按照设计实施了，则所需的统计方法不必费心费力，有很多软件可以解决这列问题。
在数据解释中，简单的图表起着重要的作用。
统计方法不能证明一个组分或者几个组分有着特殊的作用。
它们仅仅对实验结果的可靠性和有效性提供准则。
从本质上而言，统计方法不允许使用实验来证明任何事情，但是，统计方法可以使判断的过程增加客观性。
统计方法与基础知识以及加工工艺、设备特征等常识结合在一起常常会产生正确的结论。
7.结论和建议。
分析完数据，技术员必须得出相应的结论。
在这一阶段，图表法常常有效，特别是给其他人介绍成果时更是如此。
此外，还需要进行跟踪实验和确认试验来证实配方试验所的结论的正确性。
在整个过程中，我们首先提出系统的假设，然后根据实验的结果提出新的假设；这表明，实验的过程是逐步叠代深化。
通常一个广泛的错误，是在配方研究的一开始就设计一个单一的、庞大的、内容广泛的实验。
一个成功的配方开发过程需要重要组分的知识，这些组分可能变化的范围，合适的组分份额变化水平，以及对于这些变量的度量单位。
一般而言，我们不能完全知道这些问题的答案，但是，我们可以不断加深对于它们的认识。
当一个配方试验进行规划时，我们经常会会抛弃一些不重要的组分，而加进一些新的组分，改变一些组分的研究范围，或者加进新的控制指标，如断裂伸长率等。
因此，我们常常循序渐进的进行试验。
在实验初期，投入的资源不要超过25%，以确认最终以达到完成实验为最终目的。
2.1.2塑料配方设计的特点和基本原则
塑料配方设计的特点：
1.塑料共混料的配方设计主要是多因素的试验问题
一个合理的塑料配方体系，应该包括主体材料、抗氧体系、增塑体系、增强填充体系、阻燃体系、特殊性能体系，也就是说，一个配方基本上要包括基体树脂、抗氧剂、增塑剂、增强填充剂等基本组分，使多个组分构成的多相体系。
塑料配方设计，除了单因子和双因子变量设计外，在更多的情况下，使解决多因子变量的试验问题。
2.塑料配方设计是水平数不等的试验问题
我们常常要面对多因子不同水平的问题，这就需要改造传统的正交设计表。
3.塑料配方中的各种原材料间的交互作用较多而且较为强烈
所谓交互作用，是指配方中不同的助剂间产生的协同效应、加和作用和抑制作用。
比如不同的树脂与抗氧剂间、主抗氧剂与辅助抗氧剂间、都存在较强的交互作用。
应用数理统计方法设计配方时，对交互作用常常有两种处理方式
a.充分注意这种交互作用，在试验设计时尽可能考虑其作用和影响，甚至可以将其作为一个因子去考虑
b.避开交互作用大的因子，将交互作用大的银子分别安排在两组实验中，使同组试验的银子保持相对的独立性，以避免交互作用的强烈干扰，从而使数据分析简易化。
4.工艺条件对于配方设计影响显著
众说周知，即使是同一个配方，用不同的工艺得到的共混料，其物理性能会有较大差距。
为了避免工艺因素的影响，同一批配方试验，一定要固定在同一工艺条件下进行工艺操作，否则将干扰统计分析，使数据分析陷入混乱。
如果把起决定作用的工艺条件作为一个独立因子参与试验设计，那么配方工程师的平时积累的实践经验就及其重要，否则试验结果将会是一对杂乱无章的数据，找不出内在的规律性。
5.配方试验需要尽力排出试验误差
一个配方试验需要经过称量、预混和、双螺杆混合、测试等过程，经过一系列繁杂的试验过程得出的试验结果误差可能很大。
因为试验结果的误差包括称量的误差、预混时的分散均匀性、混炼时温度差异、螺杆的磨损程度变化、真空机组的好坏、侧喂料位置的变化、螺杆压力的变化等等，测量方法及其计量误差等一系列误差叠加结果。
如果试验结果误差的影响大于任何一个因子变化水平的影响，则整批试验只好作废。
由此可见，严格控制好配方试验的每一个步骤，是获得规律性结果的关键，也是对数据分析的前提条件。
6.配方经验规律和数理统计理论相结合
当运用正交试验方法、回归分析法等数学方法优化配方设计时，必须与配方设计的经验规律相结合。
只有二者紧密结合才能发挥最佳效能，得出最优配方。
目前应用计算机设计配方，是将橡胶专业知识和数理方法相结合在一起的试验科学，它不仅对于配方设计工程师掌握系统的高分子物理化学知识，而且还要求掌握一定的数理统计知识，熟悉相关分析软件。
强调数学的应用，而忽视配方经验和专业基础的提法是及其片面的。
如果配方工程师既有丰富的配方经验，同时掌握数理统计方法，则可以加大的提高效率。
塑料配方设计的原则可以概括如下：
1.保证改性塑料具有制定的技术性能
1.在共混及其后加工过程中工艺性能良好，可以达到高产。
2.成本低，价格低廉
3.所用的各种原料容易得到，同时使产品性能对原材料的改变不灵敏，在多数情况下可以使用价廉的低等级原材料
4.生产效率高，在加工过程中能耗少；同时使改性料对于工艺的波动不敏感。
5.使改性料对于使用环境不敏感，提高材料的可靠性
6.符合环保卫生要求
任何一个配方不可能在所有的性能上全部优秀，在许多情况下，配方设计应该遵循以下基本原则
a.在不降低质量的情况下，降低原料的成本
b.在不提高原料的成本的情况下，提高产品质量。
要使共混料在性能、成本和工艺可行性三个方面取得最佳的综合平衡。
用最少的物质消耗、最短的时间、最小的工作量，通过科学的配方设计，掌握原材料配合的内在规律，设计出实用的配方。
2..1.3实验设计注意事项：
在工程、科学和工业中大多数的研究工作都是以经验为基础的，并且广泛使用实验方法。
统计方法大大提高了这些实验的效率并且强化了由此得到的结论。
在实验方法中要明智使用统计方法要求实验者要牢记以下几点：
1.利用自己对问题认识的非统计知识。
技术员在各自的领域内具有高深的知识，都在各自的领域中受到严格正规的科学训练。
有一大堆物理化学知识可以来说明因素和响应间的对应关系，这类知识在选择因素和确定因素水平，决定进行多少次重复，同时解释分析结果等方面具有重要价值，这是统计科学无法替代的。
2.使实验设计和分析尽可能的简单。
不要过于热心于复杂的过于精致的统计方法。
相对简单的设计和分析方法基本上总是最好的。
如果正确作出了设计，分析方法相对来说总是直截了当。
但是如果马虎的作出设计，即使使用最复杂和精巧的统计方法，结论也往往是谬误的。
3.识别实际显著性和统计显著性之间的差别。
这是因为两种实验条件产生不同的平均响应。
比如，采用替换抗氧剂的方式如用PEPQ替代168，在加工过程中，颜色稳定，但是成本大幅度上升，这样的调整就没有意义。
实验通常是顺序叠代的。
在大多数情况下，在研究开始阶段，设计内容太广泛的实验是不明智的。
成功的设计需要重要因素的知识，这些因素的变化范围，每个因素合适的水平个数，以及对每个因素和响应的合适独立两单位。
一般而言，我们在实验之初，不能完美的回答这些问题，而是在前进的过程中，不断深化对这些问题的认识。
这就表明，顺序叠代实验的优越性，作为一般法则，大多数人的实验都是顺序的。
因此，在实验开始之初的努力只是为了取得经验，这在整个实验过程中的比重为25%。
2.2确定客户要求，
比如针对的外观材料设计，一个关键因素是光泽度，这意味着在保证材料性能的基础上添加剂不能妨碍光泽度，材料的光泽度是关键因素。
成功的配方设计需要考虑
1）最终的使用特性（性能需求，使用环境，使用条件等）
2）塑料材料使用中的特性变化（knowledgeofthebehaviorofplasticmaterials;）
3）塑料材料的加工特性以及加工工艺（processesandprocessing）
4）经济性（economicconstraints）—配方的生命力的保证
5）环保特性.（RHOS）
1.客户的需求
成功的配方设计需要考虑最终的使用用途
1.1需要考虑的基本需要
1）刚性（rigidity）
2）韧性（toughness）
3）蠕变（resistancetolong-termdeformationalsocalledcreep（creepisthesubjectofanotherwork）
4）应变回复能力（recoveryfromdeformationonreleaseofstress）
5）长期热性能（resistancetothermaldegradation,adverselyaffectingproperties）
1.2需要考虑的其他需要
1）弹性（elasticityorflexibility）
2）颜色和味道（odorandtaste）
3）阻燃性能（flame/fireresistance）
4）电气性能（electricalproperties）
5）耐候性（radiation/lightresistanceandweathering）
6）透明性和油漆附着力（transparentandcolorpaintability）
7）吸湿率（moistureabsorption）
8）耐溶剂性（chemicalresistance）
9）耐磨性（wearresistanceandslip）
10）渗透性（permeability）
11）尺寸稳定性（dimensionalstability）
2.3配方设计16问
开发配方首先要精准了解客户的需要，只有这样我们才能开发出量身定做的材料，同时做到最高的性价比。
1.塑料件是否在使用中有负载——负载大小，最高是多少，最大应力，应力种类、负载施加时间、塑胶件使用周期，塑胶件保护手段。
如果有负载，一般使用增强材料
2.塑胶件是否在使用中有冲击强度要求——UHMWPE和PC通常有较高的冲击强度
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