塑料材料学课件第二章、组成与配制

第2章塑料材料的组成及配制 2 1塑料材料的组成 2 2塑料的配制 2 1塑料材料的组成 助剂的作用 改善成型工艺性能 改善制品的使用性能或降低成本 第2章塑料的组成与配制 塑料材料的助剂 2 1 1填料和增强剂 2 1 2增塑剂 2 1 3热稳定剂 2 1 4光稳定剂 2 1 5固化剂 2 1 6抗氧剂 2 1 7抗静电剂 2 1 8阻燃剂 2 1 9润滑剂 2 1 10着色剂 2 1 11发泡剂 基质材料 树脂 对助剂的基本要求是 功能上有效 在塑料加工使用条件下稳定 与树脂结合稳固 不渗析和喷霜 无毒无味 价格适宜 2 1塑料材料的组成 渗析 是指塑料中某助剂向相接触的其它材料中迁移的现象 渗析发生的条件 当一种添加剂在被掺合的聚合物里以及在能够是液态或固态的邻近材料内部具有一定溶解度的时候 便会迁移到邻近材料里去 这就发生了添加剂的渗出 喷霜 是指塑料中某助剂向制品表面迁移的现象 一般主要是指增塑剂和润滑剂 当该助剂在加工温度下在树脂中完全溶解 但在室温下仅部分溶解时 所成型的制品在室温下存放或使用时就会发生喷霜现象 2 1塑料材料的组成 喷霜发生的条件 如果添加剂在加工温度下只是部分的溶解 则剩余的物质可以形成一个核心 围绕这个核心 析出的添加剂分子便会聚集在一起 只使很少的添加剂在表面上喷霜 其他的添加剂也可以在上述情况下形成相应的核心 如果添加剂在加工温度下是完全不溶或者在室温下完全可溶 则喷霜不会发生 塑料助剂 塑料材料学 在塑料加工和使用过程中加入塑料助剂 是因为有些树脂或产品其固有性能不适应其产品所需加工工艺的要求 添加助剂仅仅是需要改变其加工性 有些材料其加工性能较好 而产品性能却达不到我们的要求 这也要添加助剂 以改变其产品性能 2 1 1填料和增强剂 fillerandintensifier 填料是用来改善某些物理性能或力学性能 有时填料的使用主要是为了降低材料的造价 增强剂主要是用来改善力学性能 有时也伴随着改善材料的某些力学性能 增强剂对塑料达到最佳增强效果的条件 基本因素 1 增强剂或填料本身的物理力学性能 2 增强剂或填料的表面性质 只有增强剂或填料与树脂牢固的结合 才能最大限度的产生增强效果 3 增强剂或填料的比表面大小 2 1塑料材料的组成 2 1 2增塑剂 plasticizer 定义 增塑剂是用来改善塑料的塑性 增加成型加工时的流动性 降低制品的脆性 改善塑料耐寒性的一种助剂 增塑机理 间隔作用 极性理论和氢键理论 增塑剂的主要功能是通过在聚合物分子间起间隔作用 使不同分子链间的距离增大 从而使分子链旋转需要的能量降低 在低于分解温度时聚合物变得可以流动 极性理论认为 增塑剂不是简单的起间隔作用 而是与聚合物分子形成键 氢键理论认为 增塑剂和聚合物之间是通过氢键连接起来的 2 1塑料材料的组成 DOP对PVC增塑模式 增塑剂作用 对增塑剂的基本要求 挥发性小 与树脂的相容性好 常用增塑剂种类 1 苯二甲酸酯类 2 磷酸酯类 3 己二酸 壬二酸 葵二酸等的二辛酯 2 1塑料材料的组成 2 1 3热稳定剂 thermalstability 定义 加入到塑料配料中 能改善树脂的热稳定性 抑制其热降解 热分解的助剂称为热稳定剂 对热稳定性问题比较突出的是聚氯乙烯和聚甲醛两种塑料材料 聚甲醛主要是采用对树脂端基封闭处理的方法提高热稳定性 我们一般所讲的热稳定剂 指的是对聚氯乙烯塑料专用的热稳定剂 2 1塑料材料的组成 PVC的热降解机理 自由基链式反应机理 1 自由基的形成 聚氯乙烯在制备过程中由于聚合反应的复杂性 使分子链中所产生的双键 支化点 含氧结构等在光 热作用下形成自由基 2 1塑料材料的组成 2 自由基引发聚氯乙烯脱氯化氢脱出的HCl对聚氯乙烯进一步分解有自动催化作用 2 1塑料材料的组成 降解或变色 195 C下在双辊混炼机中随时间 分 的变化 透明的PVC 二 热稳定剂的作用机理1 抑制自由基生成和脱HCl的过程有机锡类热稳定剂 可以与聚氯乙烯中不稳定的氯原子配位结合 使之形成稳定的络合物结构 2 吸收中和HCl 抑制它的自动催化作用 盐基铅盐 金属皂类等热稳定剂 都是HCl的接受体 可以有效地捕捉HCl 并与之反应形成稳定产物 2 1塑料材料的组成 有机锡类热稳定剂结合聚氯乙烯中不稳定的氯原子配位形成稳定的络合物结构 式中 R 烷基 Y 羧酸酯基 2 1塑料材料的组成 盐基铅盐 金属皂类热稳定剂捕捉HCl 2 1塑料材料的组成 三 常用热稳定剂种类1 盐基铅盐热稳定剂 这类热稳定剂的优点是长时间耐热性优 耐候性优 且价廉 缺点是毒性较大 在树脂中的相容性和分散性较差 2 金属皂类热稳定剂 这类热稳定剂的优点是除起热稳定作用外 并可兼起材料的润滑作用 3 有机锡化合物热稳定剂 这类热稳定剂的优点是可使塑料制品保持良好的透明性 突出的耐热性 并可与金属皂类热稳定剂产生协同效应 缺点是价格较贵 2 1塑料材料的组成 热稳定剂 定义 加入到塑料配方中 改善塑料的耐日光性 防止或降低日光中紫外线对塑料的破坏的助剂 一 光对塑料的破坏波长为300nm的光波所具有的能量为397 5KJ mol 而大部分聚合物发生自动氧化反应的活化能约在41 8 167 4KJ mol之间 分子链中化学键的解离能约在167 4 418KJ mol之间 这些数据说明 紫外光对塑料会产生严重的破坏作用 2 1 4光稳定剂 抗紫外线剂 lightstability 2 1塑料材料的组成 二 光稳定剂的类型及作用光稳定剂对塑料的保护 按其作用实质可以分为以下几类 1 紫外光屏蔽剂 作用方式有两种 以本身可以吸收辐射的 而可以经受有害化学作用的聚合物作为涂层 光屏蔽剂可以被分散 如同粉末一样进入聚合物里 这样的物资不散射辐射能 2 紫外线吸收剂 水杨酸酯类 二苯甲酮类 苯并三唑类 3 紫外线淬灭剂 这类光稳定剂的作用是捕灭紫外线的活性 2 1塑料材料的组成 光稳定剂 作用机理 2 1 5抗氧剂 antioxidant 定义 添加到塑料配方中 能延缓或抑制塑料氧化降解的物质 一 塑料氧化机理链引发 链增长 链终止 抗氧剂品种及作用机理 1 抗氧剂品种 酚类 胺类 亚磷酸酯类 2 作用机理 酚类 胺类抗氧剂中含有 OH NH 能与自动催化氧化反应中形成的自由基作用 最终使自由基消失 使氧化的链式反应终止 亚磷酸类抗氧剂能够将氧化反应过程中形成的氢过氧化物分解为不活泼产物 使其失去活性 R 树脂分子链主体 R 抗氧剂结构主体 2 1 6抗静电剂 antistaticagent 定义 加入塑料配方中或涂敷到塑料制品表面 防止制品表面聚积电荷的助剂 静电的产生 塑料制品在成型加工和使用过程中 表面很容易因摩擦而聚积电荷形成静电 静电的危害 1 表面吸尘 2 引起事故 2 1塑料材料的组成 抗静电剂作用机理 从根本上说 抗静电剂的作用在于降低塑料制品表面电阻 防止电荷积累 不同品种抗静电剂的具体作用 有以下几种 1 抗静电剂中所含的亲水基团增加制品表面的吸湿性 增加导电性 因表面形成导电膜 2 离子型抗静电剂可以增加制品表面离子浓度 增加表面导电性 3 抗静电剂具有较大的介电常数 加入塑料配方后可以增大材料电容 减少塑料制品表面摩擦时的电荷聚积 4 某些抗静电剂可以增加塑料制品表面的平滑度 降低摩擦因素 因而也可以减少摩擦时产生的电荷数量 抗静电剂品种 1 按化学结构分类 1 离子型阳离子型抗静电剂主要是季胺盐 此外还有各种胺盐 烷基咪唑啉等阴离子型抗静电剂包括有高级脂肪酸盐 各种磷酸衍生物 硫酸衍生物 两性离子型抗静电剂包括季胺内盐 两性烷基咪唑啉 烷基氨基酸类 2 非离子型主要有多元醇 多元醇的脂肪酸酯 胺类衍生物等 2 1塑料材料的组成 抗静电剂品种 2 按使用方法分类 1 内添加型内添加型加入到塑料的配料中 均匀地分散在材料内部 起到长久的抗静电作用 2 外涂型常常是配制成溶液 刷涂 喷涂或浸涂到塑料制品表面 它们见效快 但容易因摩擦脱落而失效 内添加型与外涂型两种抗静电剂并无明确界限 往往同一种化合物可兼做两用 2 1 7阻燃剂 inflame retardant 定义 加入到塑料配方中 能够降低材料的燃着倾向和程度 或降低燃烧速率和火焰传播速率的助剂 阻燃机理 1 燃烧时可形成不透的耐火涂层 隔绝燃烧物与氧的接触 2 改变燃烧过程的热状态 3 冲淡氧的供给 4 从化学反应上妨碍燃烧过程 2 1塑料材料的组成 阻燃剂品种按使用方法分类添加型 在塑料配制或成型过程中掺入塑料中 这种类型多用于热塑性塑料 也可用于热固性塑料 反应型 在塑料内的树脂合成时作为反应组分之一参与合成反应 成为树脂分子链的组成部分 这种阻燃剂只用于热固性塑料 不论是添加型阻燃刑 还是反应型阻燃剂 都不外乎是以下各类化合物 1 周期表中第v族元素N P Sb的化合物 2 周期表中第 族元素F Cl Br I的化合物 3 周期表中第 族元素Al B的化合物 2 1塑料材料的组成 2 1 8润滑剂 lubricant 定义 加入到塑料配料中 以便在塑料成型加工中减小摩擦 改善加工性能的助剂 塑料润滑剂有外润滑剂与内润滑剂之分 1 作用改善塑料在挤塑 压延 注塑等工艺中的加工性能 防止发生粘附现象而损害制品外观 使用时必须控制用量 少则粘附 多则喷霜 2 作用方式 内润滑 与树脂有适当的相容性 可改善流动性能 降低塑料内部各组成的内摩擦 硬脂酸 硬脂酸甘油脂等 外润滑 与树脂不亲和 在树脂表面形成薄膜 防止塑料粘结在金属设备 模具上 如石蜡 硅油等 2 1塑料材料的组成 3 对润滑剂性能要求 1 能分散于树脂中 与树脂及其他助剂的相容性好 2 不影响塑料的塑化性能 3 润滑效率高 能使制品表面光洁 而且有持久的润滑性能 4 不妨碍树脂的耐热性和耐气候性 5 不降低产品质量 改善制品性能 2 1塑料材料的组成 4 润滑剂的分类 1 脂肪酸及其酯类 硬脂酸 硬脂酸甲酯 硬脂酸丁酯等 2 脂肪酸酰胺类 硬脂酸酰胺 油酸酰胺 己酰胺等 3 金属皂类具有内外润滑作用 是最好的润滑剂兼稳定剂 硬脂酸铅润滑性最强 硬脂酸镉则最差 4 饱和烃类液态 流动石蜡 白油 固态 固体石蜡 矿烛 分为精石蜡 白石蜡 黄石蜡三种 精石蜡含油量最少 色度最好 一般用作聚氯乙烯润滑剂 5 硅有机化合物主要是甲基硅油 聚二甲基硅氧烷 和乙基硅油 聚二乙基硅氧烷 2 1塑料材料的组成 2 1 9着色剂 colorant 定义 加入到塑料配料中使塑料制品具有各种颜色的助剂统称为着色剂 1 作用 1 具有鲜艳夺目的色泽 增加美观 2 改进耐气候性和抗老化性 延长使用寿命 3 工业 军事上特殊意义 2 1塑料材料的组成 2 1塑料材料的组成 2 分类染料 一般溶于水 特种溶液或其他化学药品 使其成可溶性 以达到染色的目的 他不但是被染物表面有着色现象 而且内部亦被着色 颜料 也是一种有色材料 他调和于展色剂 油或树脂 之中 作为物体表面的着色或以极细微的颗粒状混合于塑料 玻璃等之中作为着色剂 但不溶于水 也不溶于展色剂中 二者区别 染料是透明的 而颜料则具有遮盖力 用在塑料中的着色剂基本上是颜料 3 对着色剂基本要求 1 良好的耐热性除应适应塑料加工温度和成品使用温度外 还要考虑温度与时间的关系 2 良好的耐光性一般把着色剂对光稳定性的级别称为耐光级 共分八级 级别愈高 光稳定性愈好 一般着色级都有耐光级别 作为聚氯乙烯的着色剂 应在5级以上 有的着色剂必须配至一定浓度才符合要求 若低于规定浓度 则耐光性明显下降 3 良好的分散性由于着色剂的加入 树脂原来的颜色被覆盖 着色一平方米表面所需的颜料量 称为遮盖率 单位为克 米2 着色剂颗粒越细 遮盖率越大 分散性愈好 遮盖率越大 4 无迁移性某些着色剂由于和树脂相溶性差 使颜料在制品表面有析出现象 这就叫着色剂的迁移性 多发生于有机颜料 无机颜料少见 2 1塑料材料的组成 2 1 10发泡剂 blowingagent 定义 为使塑料制品产生泡沫结构所需加入的助剂称为发泡剂 一 物理发泡剂 依靠汽化或升华作用产生大量气体而起发泡作用的发泡剂称物理发泡剂 这类发泡剂一般是低沸点液体或易升华的固体 主要是前者 例如丁烷 戊烷 己烷 三氟氯甲烷 氮气和二氧化碳也是常用的物理发泡剂 二 化学发泡剂 易分解产生大量气体而起发泡作用的一类物质 如碳酸氢钠 碳酸铵 偶氮化合物等 2 1塑料材料的组成 2 1 11固化剂 curingagent 定义 加入到热固性塑料配方中 可以使树脂分子链间产生交联反应 形成三维网状或立体结构大分子的一种助剂 固化剂具有专用性 每类热固性塑料均采用与其它热固性塑料所不同的固化剂 固化剂在各热固性塑料相应章节中加以介绍 2 1塑料材料的组成 2 2塑料的配制 塑料的配制是按照塑料预定用途将各种助剂加入到基本成分树脂中的过程 2 2 1热塑性塑料的配制热塑性塑料的供料形式一般是颗粒状 粉状配料的配制过程是 层压板 棒材的制备过程大致是 团块状配料配制 2 2 2热固性塑料的配制 2 2塑料的配制 硬聚氯乙烯的成型加工 实验原理 采用压制法获得硬PVC板材 实验原理 纯PVC树脂是不能单独成为塑料的 PVC树脂具热敏性 加工成型时在高温下很容易分解 熔融粘度大 流动性差因此在PVC中都需要加入适当的助剂 通过一定的加工程序制成均匀的复合物 才能成型得到制品 实验原理 本实验配方的介绍 PVC树脂 SW 1000 100邻苯二甲酸二辛酯 DOP 5三盐基性硫酸铅3二盐基亚磷酸铅2硬酯酸钡1 5硬酯酸钙1 0石蜡0 5轻质碳酸钙0 15CPE或ACR0 10着色剂适量 实验原理 PVC树脂是配方的主体 PVC树脂通常是白色粉状固体 本实验选用聚合度为700 1000的悬浮法疏松型树脂 它有较好的加工性能 又能满足硬PVC的要求 实验原理 DO