第三节 塑料配方设计原理
一、塑料配方设计中助剂的选用原则
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。在具体设计配方时，要面对的可选用助剂种类很多，甚至可能令人眼花缭乱。如何能选到最合适的助剂呢？一般可遵循如下原则：
1.满足性能要求
在既定的配方体系和加工工艺中，所加入的助剂能充分发挥其预计功效，并达到规定指标。规定指标一般为产品的国家标准，也有客户提出的性能要求。但不要超过性能要求太多，过高的性能导致成本上升，或者带来其他问题。如客户要求导电PP的体积电阻率达到102Ω·cm以下，加入的助剂通常为高导电炭黑、金属纤维或粉末，其他材料难以完成上述指标。
2.保留原有性能
不劣化或最小限度地影响树脂原有的基本力学性能，最好能提高原树脂的某些性能。但任何事物都具有两面性，在改善某一性能时，可能降低其他性能。因此设计配方时，一定要全面考虑，尽量兼顾客户要求的所有性能和指标。例如：染料在很少量时仍会降低制品的电绝缘性能；少量酞菁颜料会影响聚烯烃的注射制品的结晶性而使其尺寸不稳定易发生挠曲等；使用液体助剂会使材料的热变形温度下降；高填充配方虽然可以降低成本，但填料对复合材料的力学性能和加工性能影响很大，冲击强度也会下降；较多量的阻燃剂也使材料的力学强度大幅度下降。如果制品对复合材料的力学性能有具体要求，在配方中要做具体补偿，如加入弹性体材料弥补冲击性能，加入润滑剂改善加工性能等。
3.避免对抗效应
不劣化或最小限度地影响其他助剂功效的发挥，最好与其他助剂有协同作用。在一个具体配方中，为达到不同的目的可能加入很多种类的助剂，这些助剂之间的相互关系很复杂。有的助剂之间有协同作用，而有的助剂之间有对抗作用。产生协同效应或者对抗效应的一般原因为：助剂与助剂之间或者助剂与树脂之间发生了物理或化学作用。如含硫类助剂和含铅类助剂之间会发生硫污染，两者一定不要同时加入。因此在PVC加工配方中，硬脂酸铅润滑剂和硫醇类有机锡不能一起加入。又如在含有大量吸油性填料的填充配方中，油性助剂的加入量要增大，以弥补被吸收的部分。助剂的酸碱性与树脂的酸碱性要协调。两种助剂反应有些能形成协同效应，有些则会形成对抗效应。
4.具有合适的加工性能
保证适当的可加工性能，保证制品成型时对原材料、其他助剂、加工设备和使用环境无不良影响。某些树脂的加工条件比较苛刻，一些耐热性不太高的助剂会由于高的加工温度或注射时喷嘴处高剪切产生的局部高温而挥发、分解。因此要求所用的助剂有较高的耐热性和低挥发性。另外，助剂的加入对树脂的原加工性能影响要小；各助剂之间不发生化学反应。还有，所加入的助剂对设备的磨损和腐蚀应尽可能小，加工时不放出有毒气体，不损害加工人员的健康。
5.与树脂相容性好
大多助剂必须长期稳定地存留在制品中，通常必须要求所选择的助剂或树脂与基体树脂有良好的相容性，保证在使用寿命内其效果持久发挥，耐抽提、耐迁移、耐析出，才能长期发挥其应有的效能。各种助剂与特定的树脂之间都有一定的相容性范围，超出这个范围助剂会很快地析出。固体助剂的析出俗称“喷霜”；液体助剂的析出称为“渗出”，俗称“出汗”。助剂析出后不仅失去了作用且影响制品的外观和使用。因此，必须设法提高或改善其相容性，如采用相容剂或偶联剂进行表面活化处理等。助剂与树脂相容性的好坏，主要取决于结构的相似性，例如极性强的增塑剂在极性PVC树脂中就有很好的相容性；在抗氧剂分子中引进较长的烷基，可以改善它与聚烯烃的相容性。但有时则需要助剂具有一定的析出性，以利于它在塑料表面所起的作用，如抗静电剂、润滑剂、防雾剂等。
6.制品用途对助剂的制约
助剂的应用常受到制品最终用途的制约，这应予以充分的注意，不同的制品对助剂的颜色、气味、耐污染性、耐久性、电气性、耐热性、耐寒性、耐候性及卫生性等有不同的要求。这里特别要强调的是助剂的耐久性包括其耐挥发性、耐迁移性和耐油、水等介质的抽出性。另外，助剂的毒性问题已经引起人们广泛的重视，尤其对食品和药物、饮用水管、医疗卫生器材、玩具等直接与人体健康有关的制品，必须选用恰当的助剂品种，或按标准限制其最大使用量。如PVC管材，下水管可用铅盐类稳定剂，而上水管则尽可能不用或少用铅盐类稳定剂，以防止铅中毒。
7.不影响制品的颜色
一定要注意助剂本身的颜色及变色性，有些助剂本身颜色很深，这会影响制品的颜色，难以加工浅色制品。如炭黑为黑色，只能加工深色制品；其他如石墨、红磷、二硫化钼、金属粉末及工业矿渣等本身都带有颜色，选用时要注意。
8.价格低、来源广
配方最终生产出来的产品需要进入市场，有的配方由于成本太高而不能投入生产，降低产品的市场竞争力，因此必须注意配方中每种助剂的市场价格和行情。在不影响或对主要性能影响不大的情况下应尽量降低成本，以保证制品的经济合理性。如在PVC稳定配方中，允许选用铅盐类稳定剂就不要选有机锡类稳定剂；在阻燃配方中，可以选硼酸锌则不选三氧化二锑或氧化钼。
此外，设计配方时应选择自己熟悉的原料，对于助剂供应商，也尽量选择有规模化产品的大公司，以保证助剂质量的长期稳定性。每种原料需要有1～2家供应商或替代品。配方中原料的种类应尽量减少。配方中原料种类过多在采购、仓储、配料和加工等方面带来麻烦，容易带来误差而导致成本上升。
二、塑料配方中助剂之间的相互作用
大多数塑料配方中都不是含有一种添加剂，而是含有两种或两种以上添加剂。这些不同的添加剂之间往往会产生一定的相互作用，从而影响整个配方的性能发挥。
配方中各种添加剂之间的相互作用有时有利于配方，而有时无助于配方，归纳起来，配方中各组分的相互关系有三类，即协同作用、对抗作用和加合作用。
1.协同作用
协同作用是指塑料配方中两种或两种以上的添加剂一起加入时的效果高于其单独加入的平均值。
不同添加剂之间产生协同作用的原因主要是它们之间产生了物理或化学作用。协同作用包括分子间协同和分子内协同两类。
分子内协同作用又称为自协同作用，它是一种助剂内含有多种官能团，不同官能团之间有协同作用。如分子中含卤素的磷化物即为分子内有协同作用的阻燃剂，可单独使用。受阻胺类稳定剂是最有效的紫外光稳定剂，同时又是极好的光稳定剂，同时具有两种功效。
分子间协同又可分为同类种助剂间协同和不同种类助剂间协同两种。具体协同的例子有：抗氧剂与光稳定剂、抗氧剂与热稳定剂、热稳定剂与润滑剂、铅类热稳定剂与发泡剂等。
低分子量助剂与相对高分子量助剂之间的协同作用。低分子量助剂扩散容易，效果迅速；而高分子量助剂扩散缓慢，效果持久。两者结合起来，效果既迅速又持久。
主、副助剂并用有协同作用，如主、副阻燃剂和主、副抗氧剂等。
如链终止型抗氧剂的抗氧机理是向过氧自由基释放氢原子，使其形成氢过氧化物。当两种抗氧效果不同的主、辅抗氧剂并用时，主抗氧剂与过氧自由基反应，使其活性终止时，产生一个抗氧剂自由基，此时辅助抗氧剂向此抗氧剂自由基提供氢原子，使主抗氧剂再生，重新发挥主抗氧剂的抗氧作用。
在抗老化的配方中，具体协同作用举例如下：
①两种羟基邻位取代基位阻不同的酚类抗氧剂并用有协同效果；②两种结构和活性不同的胺类抗氧剂并用有协同效果；③抗氧化性不同的胺类和酚类抗氧剂复合使用有协同效果；④全受阻酚类和亚磷酸酯类抗氧剂有协同作用；⑤半受阻酚类与硫酯类抗氧剂有协同作用，主要用于户内制品中；⑥受阻酚类抗氧剂和受阻胺类光稳定剂有协同作用；⑦受阻胺类光稳定剂与磷类抗氧剂有协同作用；⑧受阻胺类光稳定剂与紫外线吸收剂有协同作用。
在阻燃配方中，协同作用的例子也很多。
①在卤素/锑系复合阻燃体系中，卤系阻燃剂可与Sb2O3发生反应而生成SbX3，SbX3可以隔离氧气从而达到增大阻燃效果的目的。
②在卤素/磷系复合阻燃体系中，两类阻燃剂也可以发生反应而生成PX3、PX5、POX3等高密度气体，这些气体可以起到隔离氧化的作用。另外，两类阻燃剂还可分别在气相、液相中相互促进，从而提高阻燃效果。
2.对抗作用
对抗作用是指塑料配方中两种或两种以上的添加剂一起加入时的效果低于其单独加入的平均值。
产生对抗作用的原理同协同作用一样，也是不同添加剂之间产生物理或化学作用的结果，不同的是其作用的结果不但没有促进各自作用的发挥，反而削弱了其应有的效果。
在防老化塑料配方中，对抗作用的例子很多，主要有如下几类：
①HALS类光稳定剂不与硫醚类辅抗氧剂并用，因为硫醚类产生的酸性成分抑制了HALS的光稳定作用。
②芳胺类和受阻酚类抗氧剂一般不与炭黑类紫外光屏蔽剂并用，因为炭黑对胺类或酚类的直接氧化有催化作用抑制抗氧化效果的发挥。
③常用的抗氧剂与某些含硫化物，特别是多硫化物之间，存在对抗作用。其原因也是多硫化物有助氧化作用。
④HALS不能与酸性助剂共用，酸性助剂会与碱性的HALS发生盐化反应，导致HALS失效；在酸性助剂存在时，一般只能选用紫外线吸收剂。
在阻燃塑料配方中，也有对抗作用的例子，主要有：卤系阻燃剂与有机硅类阻燃剂并用，会降低阻燃效果；红磷阻燃剂与有机硅类阻燃剂并用，也存在对抗作用。
3.加合作用
加合作用是指塑料配方中两种或两种以上不同添加剂一起加入的效果等于其单独加入效果的作用，一般又称叠加作用和搭配作用。
加合作用是最常见的，在增塑剂、稳定剂、润滑剂、抗氧剂、光稳定剂、阻燃剂及抗静电剂中都有表现。如不同类型防老化剂并用后，可以提供不同类型的防护作用。如抗氧剂可防止热氧化降解，光稳定剂可防止光降解，防霉剂可防止生物降解等。在热稳定剂中，也常常将三碱式硫酸铅/二碱式硫酸铅并用，Ca/Zn、Cd/Zn及Ba/Zn等并用。润滑剂也常用内润滑剂和外润滑剂并用，从而发挥内部和表层的双润滑效果。在阻燃配方中，常将气相型阻燃剂与固相型阻燃剂并用、阻燃剂与消烟剂并用等。
此外，不同类型增塑剂、抗氧剂、光稳定剂、抗静电剂并用都是加合作用。