聚氯乙烯塑料物料的配方原理及配方設計方法課件

聚氯乙烯塑料物料的配方原理及配方設計方法

一、聚氯乙烯塑料物料的配方原理

1、聚氯乙烯塑料配方的依據(jù)

2、聚氯乙烯塑料制品的分類及特點

二、聚氯乙烯塑料物料的配方設計方法

1、硬質聚氯乙烯的配方設計

2、軟質聚氯乙烯塑料的配方設計

3、聚氯乙烯塑料糊的配方設計

由于PVC本身的特性，PVC樹脂只有與若干添加劑配合才能加工成具有實用價值的制品。因此，根據(jù)制品的用途和使用條件，了解PVC塑料物料的配方原理及正確進行配方設計有十分重要的意義。

一、聚氯乙烯塑料物料的配方原理

1、聚氯乙烯塑料配方的依據(jù)

PVC塑料配方設計對合理實施塑料成型技術，獲得使用性能優(yōu)異及成本合理的制品有很大影響。對于軟硬程度、透明度、透光性、耐熱性以及電性能等方面要求有差異的PVC塑料制品，就要求設計出不同的物料配方。在成型方面，由于成型技術和工藝不同，即使用于同一制品，配方設計上也不盡相同。因此，設計出合理的PVC塑料配方，是順利進行PVC制品的成型加工和制得性能優(yōu)良制品的重要基礎。

⑴配方設計前的準備

①準確了解制品的使用性能及技術要求，如制品標準規(guī)定的各項性能指標；制品的使用環(huán)境、使用方法及其在使用過程中可能出現(xiàn)的問題；制品使用者和廣大消費者的需要和愛好等。

②全面了解所用原料的性能和使用方法，如原料在配方中的作用和性質；原料在配混過程中的相互影響及作用，原料間的協(xié)同效應；原料的質量標準及分析化驗結果；原料的用量與制品性能及成型工藝之間的關系；原料的來源、價格，及在不影響生產(chǎn)質量和生產(chǎn)效率的前提下，降低原料成本的途徑等。

③加工成型過程中原料的物理性質和化學行為變化及其與加工成型設備的關系，如物料在成型設備中的受熱過程、受熱行為及停留時間；物料在成型設備中的受力方式，成型過程中的物態(tài)變化及塑化質量；模具的機構及物料的流變行為；物料及成型制品的冷卻及形態(tài)與形狀的控制等。

⑵配方設計的步驟及方法

配方設計時，通常按以下程序和方法進行。

①擬定配方

收集有關技術資料，通過分析對比來確定試驗配方。

②小樣試驗

按試驗配方進行小樣試驗，并測定試樣的有關性能，在此基礎上采用優(yōu)選法正交試驗找出優(yōu)良的原料品種及最佳用量，確定幾個比較理想的配方。

③擴大試驗

在試驗配方基礎上進行擴大試驗，觀察并不斷調(diào)整配方用量及成型工藝條件，測試制品的各項性能，直至獲得滿意的結果；

④配方評價

在擴大試驗過程，常對配方的組成合理性及其生產(chǎn)工藝性能進行綜合評價，以確認原料組成的合理性及配方良好的工藝性。在工藝性分析中應著重評價其熱穩(wěn)定性、熔體粘度及流變性、設備的轉矩與熔體彈性行為、物料潤滑性及表觀質量等。

⑤配方定型及正式生產(chǎn)應用

在擴大試驗及配方評價的基礎上，進行品批量試驗性生產(chǎn)，并組織一定范圍的產(chǎn)品試用。如果工藝合理、制品性能優(yōu)良、符合使用要求，即可確定配方，正式進行生產(chǎn)。

⑶聚氯乙烯塑料的配方設計要求

聚氯乙烯塑料配方以樹脂為主要成分，應根據(jù)制品性質和用途以及加工成型方法合理選擇PVC樹脂的品種及型號。助劑及用量的選擇應全面考慮其對塑料的使用性能、成型性及化學穩(wěn)定性等的影響。此外，還要考慮到配方中各組分之間的相互關系。聚氯乙烯塑料中常用的助劑有穩(wěn)定劑、增塑劑及其他助劑。聚氯乙烯在熱、光及空氣中氧的作用下容易分解，因此，穩(wěn)定劑就成為聚氯乙烯塑料中的重要組分之一。通常硬質塑料由聚氯乙烯樹脂、穩(wěn)定劑、改性劑及潤滑劑等組成，后兩種助劑主要用來改進成型性能，有些硬質塑料還加入少量增塑劑。在軟質塑料配方中，增塑劑和穩(wěn)定劑是僅次于聚氯乙烯樹脂的重要成分，增塑劑對其成型加工和使用性能有很大影響。在設計和選擇配方時，除考慮主要組分外，還要視具體情況和使用要求，加入著色劑、填充劑、抗靜電劑等次要組分。通常，在進行配方設計時，應著重考慮以下因素。

①制品的性能要求

聚氯乙烯塑料制品的應用十分廣泛，因使用的場合、條件、環(huán)境等差異，對制品就提出了不同的性能要求，如物理力學性能、化學穩(wěn)定性、電性能及外觀等。此外還有防霉、無毒、抗靜電、阻燃及防輻射等特殊要求。因此在設計配方前需深入細致了解制品使用的具體要求，以作為設計PVC塑料配方的主要依據(jù)。

②原料來源及成本

在設計配方或改進原有配方時，必須充分考慮中國的原料資源和市場情況，合理選用原料，在選用助劑時應考慮到原料來源渠道及成本。

③實施合理成型工藝的要求

聚氯乙烯塑料的成型方法是多種多樣的，；例如生產(chǎn)薄膜可以采用壓延成型，也可以采用吹塑成型；生產(chǎn)硬板可以采用擠出成型，也可以采用壓制成型。各種成型方法都各有其優(yōu)缺點。由于成型方法不同，其加工成型工藝及所采用的加工設備也不同，塑料在設備中所承受的熱歷程和應力也不相同。因此，在設計配方時應慎重選擇各種助劑及其用量，以適應成型工藝的特點，減少成型加工中的困難。此外，由于采用不同方法所帶來的生產(chǎn)成本差異也應作為選擇加工成型方法和最終選擇原材料的考慮因素。

PVC塑料配方設計是一個反復實踐、反復認識的過程。有些配方要經(jīng)過多次試驗，不斷地修正和完善，才能得到較合理的配方。

2、聚氯乙烯塑料制品的分類及特點

PVC塑料通?？煞譃橛操|制品、軟質制品及PVC糊制品三大類。

⑴硬質制品

在配方中以聚氯乙烯樹脂和穩(wěn)定劑為主體，不加或加少量增塑劑(增塑劑用量低于10份)，同時含有適量潤滑劑、加工助劑和其他添加劑的聚氯乙烯制品稱為硬質制品。其特點是在室溫下處于玻璃態(tài)，具有很好的化學穩(wěn)定性，并能承受一定的溫度和壓力。硬質聚氯乙烯可采用熱塑性塑料的主要成型方法進行加工，例如擠出、注塑、壓延、壓制、吹塑、熱成型等。典型產(chǎn)品有硬質管材、板片、棒材、型材及管件閥門等，廣泛用于建筑、化工、包裝、交通及日用品制造等方面。

⑵軟質制品

配方中增塑劑用量在25份以上的聚氯乙烯制品稱為軟質制品，增塑劑的加入降低了聚氯乙烯塑料的玻璃化溫度，以致在常溫下處于高彈態(tài)。因此，軟質聚氯乙烯具有一定的柔韌性和機械強度。典型產(chǎn)品有各種薄膜(農(nóng)業(yè)、工業(yè)、包裝及民用等)、電線電纜絕緣與護套、耐油墊團、墊片、塑料鞋、軟管、軟質泡沫塑料及民用品等。。

一般軟質聚氯乙烯塑料的性能及其成型工藝的難易，很大程度上取決于增塑劑的品種及用量。與硬質聚氯乙烯相比，由于添加了大量的增塑劑(通常為樹脂用量的40%~70%)，降低了軟化點，流動性能好，容易成型。因此，穩(wěn)定劑的用量可適當減少。

⑶PVC糊制品

聚氯乙烯糊(也稱分散體或溶膠塑料)通常是由乳液聚合的聚氯乙烯樹脂與液體增塑劑等非水溶性液體組成，有時還根據(jù)糊的具體用途加入稀釋劑、熱穩(wěn)定劑、填充劑、發(fā)泡劑及色料等。當加熱PVC糊到適當溫度時，增塑劑或稀釋劑被聚氯乙烯吸收而成為懸浮體。由塑料糊生產(chǎn)制品要經(jīng)過塑形(成型)和烘熔兩個過程。塑料糊在室溫下是非牛頓液體，流動性能好。塑形過程就是PVC糊通過流動而在模具中取得一定形狀；通過進一步的加熱過程，PVC糊通過膠凝和熔化而形成具有柔韌性和強度的糊制品。PVC糊在生產(chǎn)柔性玩具、容器、中空制品、浸漬成型制品、人造革、泡沫制品、壁紙及其他圖層等方面有廣泛用途。

塑料糊因加入組分不同，呈現(xiàn)出不同的性質，通?？煞譃橐韵滤念?。

①塑性溶膠

是由聚氯乙烯樹脂與液體增塑劑組成的懸浮體，又稱為增塑糊

②有機溶膠

是由聚氯乙烯樹脂和構成液相組分的增塑劑和稀釋劑組成的懸浮體，又稱為稀釋增塑糊。

③塑性凝膠

加有膠凝劑的聚氯乙烯樹脂及液體增塑劑組成的懸浮體，又稱為增塑膠凝糊。

④有機凝膠

含有膠凝劑的聚氯乙烯樹脂和構成液相組分的增塑劑及稀釋劑組成的懸浮體，又稱為稀釋膠凝增塑糊。

增塑糊中增塑劑含量一般在40%以上，適宜制作厚壁的軟質制品；有機溶膠中有時為了提高制品的硬度，可將部分或全部增塑劑用非水溶性溶劑來代替，它除含有稀釋劑外還含有相當量的分散劑；塑性凝膠和有機凝膠與前兩者的區(qū)別僅在于組成中加有膠凝劑，其流動性能表現(xiàn)為開始時呈現(xiàn)賓哈液體的行為，即當剪切應力達到一定值時后才發(fā)生流動。這種屈服應力是特意控制的，其目的是使凝膠塑料在加熱和不受外力作用時，不會因自身的重力而發(fā)生流動，但成型起來又很容易。這樣，在整個成型過程中不會產(chǎn)生流瀉和塌落現(xiàn)象，從而使最后得到的制品保持塑化時的形狀。

二、聚氯乙烯塑料物料的配方設計方法

1、硬質聚氯乙烯的配方設計

⑴PVC樹脂的選擇

通常應結合制品用途、技術性能要求和加工成型方法來選擇樹脂，主要考慮的因素是樹脂的分子量、熔體粘度、吸收增塑劑的性能和樹脂的類型(懸浮法樹脂、乳液法樹脂等)以及制品性能要求、加工技術及方法等。在生產(chǎn)PVC硬制品時，由于硬質PVC塑料不含或僅含少量增塑劑，一般來說流動性較差，所以必須提高成型溫度。但提高成型溫度有一定限度，不能超過樹脂的分解溫度。因此在設計配方時必須考慮到硬質聚氯乙烯的成型溫度和樹脂分解溫度接近這一特點，盡量選用合理的配方。樹脂的分子量對塑料的性能液相很大，分子量越高，則塑料的物理力學性能和耐熱性越好，但卻給成型加工帶來困難。因此硬質聚氯乙烯制品多選用分子量中等或較低的Ⅳ~Ⅷ型樹脂。考慮到PVC樹脂與其他組分的摻混性及塑化溫度和塑化質量應選用疏松型樹脂。

⑵增塑劑的種類及其用量選擇

從提高產(chǎn)品質量要求的角度出發(fā)，硬質聚氯乙烯配方中最好不加增塑劑，因為加增塑劑后耐熱性降低，耐腐蝕性變差。一般在擠出成型和壓制成型配方中都不加增塑劑，但在注塑中為了操作方便，有時也加入少量增塑劑以改善其流動性。增塑劑對流動性的影響如圖1。

246810121401.01.52.02.53.03.5熔體指數(shù)/(g/10min)DOP配合量/份圖1增塑劑對PVC流動性的影響

此外，當加入1~12份增塑劑和加入12份以上增塑劑時，對制品的影響是不同的。圖2和圖3分別表示用量較少時增塑劑對硬質聚氯乙烯沖擊強度和拉伸強度的影響。

510152025246810120DOP配合量/份缺口沖擊強度/(kJ/min)圖2增塑劑對PVC沖擊強度的影響152025303540455055605101520250DOP配合量/份拉伸強度/Mpa圖3增塑劑對PVC拉伸強度的影響

⑶穩(wěn)定劑的選擇

穩(wěn)定劑的合理選擇對硬質聚氯乙烯塑料的成型工藝及制品的使用性能具有重要影響。因聚氯乙烯塑料流動性較差，加工溫度與PVC樹脂的分解溫度又很接近，為保證塑料在成型時保持黏流狀態(tài)，就必須提高成型溫度，這樣確保PVC-U配混料加工中的穩(wěn)定性就變得十分重要。因此，在成型中需要選擇穩(wěn)定性較好的配方，而配方穩(wěn)定性的好壞在很大程度上取決于穩(wěn)定劑的用量和搭配。硬質聚氯乙烯塑料配方中多采用鉛系穩(wěn)定劑或硫醇錫系穩(wěn)定劑，不能加得太多，否則會影響塑化效果，同時也不經(jīng)濟。一般采用復合穩(wěn)定劑系統(tǒng)，可以達到相輔相成的效果。

⑷潤滑劑的選擇PVC-U配混料加工中熔體粘度高是其特點，在加工過程中的剪切作用會導致摩擦熱迅速增大，從而引起熔體溫度升高，因而為改善塑料的加工性能，必須加入一定量的內(nèi)外潤滑劑。在硬質聚氯乙烯塑料配方中，潤滑劑的加入量應適中，硬脂酸鈣和石蠟的用量一般不超過1份(以樹脂為100份計)，否則易使塑料在螺槽和機筒內(nèi)打滑，出料速度減慢，產(chǎn)量下降，并降低配混料的塑化效率，且潤滑劑容易析出，影響產(chǎn)品質量。在注塑中，硬脂酸鈣和石蠟的用量也不可過大，否則不僅會影響正常操作，而且會使產(chǎn)品產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象。

⑸填充劑的選擇

在硬質聚氯乙烯配方中常需加入適當?shù)奶畛鋭?，這不僅是為了降低成本，同時也是為了改善制品的某些性能和方便成型。例如，在擠出過程中，填充劑的加入能增加制品剛度，定型方便，以利于擠出工藝的控制。在注塑配方中加入一定量的填充劑能減少制品的收縮率，增加制品硬度，提高制品的耐熱形變溫度等。

硬質聚氯乙烯常用的填充劑有碳酸鈣、鈦白粉和硫酸鋇等。一般在擠出成型中常選用硫酸鋇和碳酸鈣作為管材或型材的填充劑，在生產(chǎn)白色制品和韌性較高的產(chǎn)品時，也可選用鈦白粉或以鈦白粉與其他填料混合使用作為填充劑。在注塑時通常要求較高流動性和沖擊強度，常選用充模性能好的鈦白粉，或者粒度合適的碳酸鈣、滑石等與鈦白粉的混合填料。選用填料時，也要考慮填充劑的來源及成本。

⑹其他添加劑的選擇

為了改善硬質聚氯乙烯塑料的加工性能，提高加工過程配混料的塑化質量，以及為進一步改善PVC-U制品的某些性能(如沖擊強度、耐熱變形溫度和模量等)，還需在配方設計中加入適當?shù)募庸ぶ鷦?、改性劑或其他添加劑?/p>

①丙烯酸酯類(ACR)和α-甲基苯乙烯等硬質聚氯乙烯塑料良好的加工改性劑常用機械共混法將其摻入聚氯乙烯中，可改善混熔性、降低塑化溫度、提高塑化質量或增大熔體的流動性、改善聚氯乙烯的成型性能。加有ACR的PVC共混物熔融溫度較低，流動性較好，成型溫度范圍寬，塑化快，受熱時延伸率和熔體強度較大，用于吹塑成型時，可改善制品表面平滑性和光澤性；用于擠出成型時，即使螺桿轉速較高也不會出現(xiàn)熔體破裂現(xiàn)象。在聚氯乙烯中摻入1。0份的丙烯酸酯類，比摻入10份鄰苯二甲酸二辛脂具有更好的改性效果。前者在改善加工性能的同時，也能有效地改善或提高制品的沖擊強度、拉伸強度和耐熱性等。②在改善硬質聚氯乙烯塑料沖擊韌性和加工性能方面，丙烯酸酯(ACR)、ABS、MBS(甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯)、MABS(丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯)、ACS(丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯)、AAS(丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯)、CPE(氯化聚乙烯)、CSPE(氯磺化聚乙烯)、EVA(乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)和EVA-VC(乙烯-乙烯乙酸-一氧化碳三元共聚物)及NBR(丁腈橡膠)等都可有效地提高或改善PVC-U的沖擊強度、耐候性、彈性及變形性能，并改善熔融體的流動性和成型工藝適應性。

ABS、MBS及MABS不僅可提高PVC-U制品的沖擊強度，而且提高其流動性、改善成型性能。ABS一般用于不透明PVC制品的抗沖擊改性，而MBS或MABS多用于透明制品，ACS及AAS則對改進耐候性有顯著效果。氯含量為30%~45%的CPE與PVC的共混物不僅有優(yōu)異的耐低溫沖擊韌性，而且能保持PVC良好的耐化學腐蝕性、點性能和耐熱性。CPE的用量一般為4%~8%，有時可達10%~15%。通常乙酸乙烯含量為35%~45%的EVA與PVC共混改性可提高PVC的沖擊強度值和耐大氣老化性能，摻混量為2%~10%。EVA-VC能改善與聚氯乙烯的共混相容性和分散性，并可提高硬質聚氯乙烯塑料的抗沖擊性能。

③在提高PVC-U耐熱性方面，由于硬質聚氯乙烯的玻璃化溫度約為80℃，因而使用溫度低，限制了PVC-U制品的應用。為提高PVC-U的耐熱性，可在PVC中摻混玻璃纖維和填料等，例如當摻入20%~30%的玻璃纖維時，其耐熱性可提高到100℃。此外，在PVC中摻入丙烯腈-α-甲基苯乙烯-苯乙烯共聚物及苯乙烯-馬來酸酐共聚物等進行共混，可是PVC的玻璃化溫度顯著提高，熱變形溫度可提高10~30℃。

2、軟質聚氯乙烯塑料的配方設計

在一般的軟質聚氯乙烯塑料配方組成中，除了添加穩(wěn)定劑、外潤滑劑外，還添加較大數(shù)量的增塑劑，以使PVC塑料具有柔軟性。由于添加的大量增塑劑已具有內(nèi)潤滑作用，因此，軟質聚氯乙烯塑料一般不加內(nèi)潤滑劑。

軟質聚氯乙烯塑料的性能在很大程度上取決于增塑劑的品種和用量。例如在高溫條件下使用的電線電纜，通常選用最高連續(xù)使用溫度為105℃的耐熱增塑劑(如苯三酸三-2-乙基己酯、均苯四酸酯和雙季戊四醇酯)。作為低溫條件(如-40℃以下)使用薄膜，其耐寒性主要與選用的增塑劑的化學結構、黏度及與流動活化能有關，常用的耐寒增塑劑有己二酸二辛脂、癸二酸二辛脂、環(huán)氧酯、磷酸二苯一辛酯等。軟質聚氯乙烯的耐候性、耐油性、耐溶劑性、遷移性、電絕緣性等也與增塑劑密切相關。

此外，塑料中增塑劑的品種及用量對成型加工也有明顯的影響。例如配方中相容性差的增塑劑用量增加時，會引起捏合和塑化的操作困難，并影響吹塑、壓延、擠出等成型工藝的正常實施和降低產(chǎn)品質量。因此，必須合理地配合使用增塑劑，并控制一定的用量。

在軟質聚氯乙烯塑料中需添加一定量的穩(wěn)定劑，但由于軟質聚氯乙烯塑料中添加了大量的增塑劑，流動性好，加工容易，因此對于穩(wěn)定體系的要求不像硬質聚氯乙烯塑料那樣嚴格。在軟質聚氯乙烯塑料中，為了抑制聚氯乙烯和增塑劑在成型和使用過程中因受到空氣氧化和紫外線作用下發(fā)生的降解老化，常需添加抗氧劑；對于某些軟質薄型制品，還要添加紫外線吸收劑。軟質聚氯乙烯塑料中所用的填充劑除要考慮價格、分散性、熱穩(wěn)定性、耐候性之外，還要考慮其對增塑劑的吸收量，盡量減小這種吸收作用對軟質塑料性能的不利影響。另外，軟質聚氯乙烯塑料的阻燃性、毒性等也與增塑劑及穩(wěn)定劑的品種和用量有關。

3、聚氯乙烯塑料糊的配方設計

塑料糊一般由樹脂、增塑劑或分散劑、稀釋劑、膠凝劑、穩(wěn)定劑、填充劑表面活性劑及其他助劑等所組成。對個組分的要求如下。

⑴樹脂

要求樹脂成糊性能好。塑性溶膠和塑性凝膠用的樹脂粒度為直徑0。2~2。0μm；而有機溶膠和有機凝膠用的則為0。02~0。2μm。顆粒太大時，糊的穩(wěn)定性較差，PVC粒子容易下沉，而且在加熱處理后不易得到質量均勻的制品；相反顆粒太小，成糊雖比較容易，但在室溫下常常因過度溶劑化而使塑料糊的黏度偏高，同時也不易貯存。通常采用乳液聚合法生產(chǎn)的樹脂，可分為拌