塑料用多功能母料的創(chuàng)新

陳更新

(上海市塑料制品工業(yè)研究所， 上海 200237)

塑料用多功能母料的創(chuàng)新

陳更新

(上海市塑料制品工業(yè)研究所， 上海 200237)

摘要介紹了塑料用多功能母料的創(chuàng)新，以及無載體塑料用阻燃彩色多功能母料的制備；論述了塑料用多功能母料的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞母料； 多功能； 改性

0前言

由于塑料改性技術(shù)能降低塑料材料及制品的成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，并賦予材料新的功能，因此，已成為近二三十年來，高分子材料科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步最活躍的領(lǐng)域[1]。

使用母料是一種塑料改性技術(shù)。這是因?yàn)樽鳛樘盍?，如碳酸鈣、滑石粉、硅灰石等，并不是簡單添加在PE、PP、PS等塑料樹脂中，還具有某些特殊功能。

1塑料改性的最新理論和成果

科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科技創(chuàng)新是經(jīng)濟(jì)社會持久繁榮的不竭的動力。黨中央、國務(wù)院將創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展作為面向未來的一項重大戰(zhàn)略。深化科技體制改革，加快國家創(chuàng)新體系建設(shè)，推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展。

各級政府積極落實(shí)各項優(yōu)惠政策，建立以企業(yè)為主體,市場為導(dǎo)向,產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系，增強(qiáng)企業(yè)活力，鼓勵企業(yè)自主創(chuàng)新，積極實(shí)施設(shè)備更新和技術(shù)改造。這就給廣大企業(yè)經(jīng)營者帶來極好的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。各企業(yè)將在現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代化管理機(jī)制，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級換代，引進(jìn)高新技術(shù)，充分發(fā)揮科技的支撐引領(lǐng)作用，切實(shí)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。

塑料生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品升級換代方向之一就是采用高新技術(shù)改性塑料。首先回顧塑料改性的最新理論和成果。

進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，塑料改性技術(shù)早已跳出經(jīng)典的偶聯(lián)表面處理粉體理論和改性，許多科技人員推出各自的科研成果，提出改性理論[2]，簡述如下：

(1) 無機(jī)粉體剛性粒子增強(qiáng)(增韌)理論；

(2) 納米材料和晶須增強(qiáng)(增韌)材料；

(3) 偶聯(lián)劑和助偶聯(lián)劑理論；

(4) 化學(xué)接技、化學(xué)交聯(lián)；

(5) 稀土偶聯(lián)劑；

(6) 有機(jī)包復(fù)、三元共混理論；

(7) 彈性體增強(qiáng)(增韌)技術(shù)；

(8) 不同基材共混、相容劑理論；

(9) 液晶原位復(fù)合技術(shù)；

(10) 粉體表面原位組合化學(xué)改性；

(11) 微膠囊化技術(shù)；

(12) 廢舊塑料的利用和改性，超臨界水降解廢舊塑料技術(shù)；

(13) 通用塑料工程化、合金化；

(14) 無機(jī)粉體改性塑料環(huán)境友好材料；

(15) 木塑復(fù)合材料；

(16) 塑料多元復(fù)合共混改性理論；

(17) 快速交聯(lián)聚乙烯技術(shù)；

(18) 全降解塑料的開發(fā)和生產(chǎn)；

(19) 流固耦合力學(xué)理論；

(20) 石墨烯改性技術(shù)；

(21) 長玻璃纖維和連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)技術(shù)。

1.1　無機(jī)粉體剛性粒子增強(qiáng)(增韌)理論

無機(jī)粉體剛性粒子增強(qiáng)(增韌)理論認(rèn)為超細(xì)粒子與大粒徑粒子相比，它們表面缺陷少，非配對原子與聚合物發(fā)生物理或化學(xué)結(jié)合的可能性大大提高，增強(qiáng)了粒子與聚合物基材的界面黏合力，因而可承擔(dān)一定的負(fù)載。在一定條件下，含有超細(xì)粒子的聚合物材料在受外力沖擊時，基體產(chǎn)生大量銀紋和塑性變形，吸收更多沖擊能，達(dá)到增強(qiáng)(增韌)的目的。所謂在一定條件下，即：填料的粒徑必須小于5 μm、2 μm，甚至更小，同時粒子表面經(jīng)過處理,在聚合物中分布分散均勻。這個理論的重要性在于打破了過去人們認(rèn)為只有橡膠、玻璃纖維和彈性體才能在塑料中起增強(qiáng)(增韌)的觀念，使得廣大無機(jī)粉體材料一躍成為功能性材料，從而拓寬了無機(jī)粉體材料在塑料中的應(yīng)用。同時它也在一定程度上解釋了納米材料添加在塑料中可以起到增強(qiáng)增韌的原因。

1.2　塑料多元復(fù)合共混改性理論

現(xiàn)代塑料改性時，添加的粉體材料，如填充劑、改性劑等必須進(jìn)行的表面處理并非采用一種方法處理，如僅用鈦酸酯或者硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理。這種表面處理已難以滿足高新技術(shù)對塑料材料的要求?？梢圆捎胐uo=1+2+3+…+n多元化復(fù)合表面處理，才能滿足技術(shù)和質(zhì)量以及加工工藝的高要求；同時針對不同使用場合、不同技術(shù)要求，復(fù)合配方，多種加工助劑，包括相容劑等，如FU=A+B+C+…+N。經(jīng)這樣處理的改性粉體添加在塑料中，才能滿足使用者對改性塑料材料的各種要求，或者在大幅度提高某一二項技術(shù)指標(biāo)的同時，其它指標(biāo)基本保持不變，或者在保證質(zhì)量的前提下大幅度降低成本，更好地參與市場競爭。這里 duo表示多元化處理，F(xiàn)U表示復(fù)合共混改性。

在多元復(fù)合共混改性理論指導(dǎo)下，根據(jù)現(xiàn)有的條件，如已有的加工設(shè)備、國產(chǎn)原材料、基本不改變原有加工工藝，在保證質(zhì)量前提下，充分挖掘原材料的潛能，達(dá)到物盡其用。

荀子是先秦儒學(xué)大師，雖與孟子俱尊孔子，但二人的氣質(zhì)、學(xué)說截然不同。馮先生依照威廉·詹姆斯區(qū)分柏拉圖和亞里士多德的方法，判孟子為軟心的哲學(xué)家、荀子為硬心的哲學(xué)家。因?yàn)槊献佑形ㄐ恼搩A向，而荀子有唯物論傾向。在荀子看來，孟子許多有神秘意味的思想，特別是他的修養(yǎng)方法、境界體驗(yàn)，可謂“僻違而無類，幽隱而無說，閉約而無解”(《荀子·非十二子》)。但荀子與孟子，就像道學(xué)中有程朱、陸王二大派，其不能無，亦不須無。

塑料多元復(fù)合共混改性理論的出現(xiàn)，改變了以往人們在塑料中添加粉體改性材料的習(xí)慣思維，使新產(chǎn)品層出不窮。例如：無機(jī)非礦粉料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%仍然透明，且物理性能良好的塑料薄膜制品；無機(jī)非礦粉料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20%～30%、密度小于1的改性塑料樹脂；淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥60%以上的聚乙烯超市購物袋等。

多年來，各國科學(xué)家都致力于將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)學(xué)科的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中。作為一名塑料科技人員一直夢想將計算機(jī)技術(shù)用于模擬塑料改性試驗(yàn)以提高工作效率，多快好省地完成課題。塑料多元復(fù)合共混改性理論的出現(xiàn)，為我們找到了將粉體表面處理技術(shù)和塑料共混改性技術(shù)與計算機(jī)應(yīng)用聯(lián)系結(jié)合的方法，將塑料改性技術(shù)應(yīng)用數(shù)字化，從而使計算機(jī)技術(shù)用于模擬塑料改性試驗(yàn)，同時為塑料共混改性的最新理論轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)提供了平臺。

2無載體塑料阻燃彩色多功能母料

2.1　特點(diǎn)

無載體塑料用阻燃彩色多功能母料添加在各種普通塑料中以制造阻燃塑料制品，同時又具有色母料功能，以便給制品染上各種鮮艷的色彩。

無載體塑料用阻燃彩色多功能母料的熱穩(wěn)定性好，加工溫度可達(dá)280 ℃。母料還添加了國內(nèi)首創(chuàng)的鹵素吸收劑，從根本上消除原料中存在的微量游離溴，保護(hù)了生產(chǎn)過程中所使用的設(shè)備和模具。全部原材料立足于國內(nèi)，添加無載體塑料用阻燃彩色多功能母料后，塑料制品的主要力學(xué)性能降低極小，同時用戶單位無需改變原有生產(chǎn)工藝條件，而且成本低廉，整個生產(chǎn)過程無三廢產(chǎn)生。母料的添加比高、成本低、使用方便，大大提高了用戶單位生產(chǎn)效率。

2.2　主要技術(shù)參數(shù)

HIPS 492J本色料的性能，以及與母料以20∶1的質(zhì)量比添加后的性能，如表1、2所示。

表1　HIPS 492J本色料的性能

表2　HIPS 492J與母料以20∶1添加后的性能

由表1與表2對比可知：HIPS 492J與母料以20∶1添加后，阻燃性能達(dá)到V-2級，而其它性能指標(biāo)幾乎不變或者下降很小。這在添加型阻燃塑料中是比較少見的。

當(dāng)ABS與母料的添加比為5∶1時，ABS的物理性能：

2.3　主要成分

2.3.1阻燃劑

(1) 不影響樹脂加工性能，并且在加工溫度下不分解，對塑料制品的力學(xué)性能影響不大。

(2) 在樹脂中分散性和相容性要好。

(3) 對加工設(shè)備和金屬模具不能有腐蝕作用。

(4) 純度高、毒性小、阻燃持久性能好，阻燃效果優(yōu)良。

(5) 來源充足，價格便宜。

事實(shí)上沒有一種阻燃劑，無論是有機(jī)型的，還是無機(jī)型阻燃劑可以同時滿足以上要求的。但是兩種或兩種以上阻燃劑復(fù)配，可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，阻燃效果明顯提高。最后選定了三種既能提高性能又可降低成本的復(fù)合型阻燃添加劑，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，提高各項性能，滿足了塑料制品的阻燃要求。

2.3.2改性劑

對改性劑的基本要求是，添加在母料中必須提高各種物理性能，同時又能改善吹塑加工性能[3-4]。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：添加一種添加劑提高性能效果不顯著，最后選定了兩種既能提高性能又可降低成本的復(fù)合型添加劑，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，提高各項性能，滿足塑料加工工藝要求。

2.3.3加工助劑

添加各種加工助劑的目的是綜合平衡母料的各種性能。每種加工助劑的添加量在母料中有一定范圍，使得各項性能保持穩(wěn)定，保證正常生產(chǎn)。主要加工助劑有：分散劑、內(nèi)外潤滑劑、著色劑等。

分散劑應(yīng)盡可能滿足以下要求：

(1)分散性能好，防止物料粒子之間相互聚集；

(2)與樹脂、物料有適當(dāng)?shù)南嗳菪?，熱穩(wěn)定性良好；

(3)成型加工時流動性好，不引起顏色飄移；

(4)不影響制品的性能，無毒，價廉；

(5)分散劑的用量一般為母料質(zhì)量的 5%左右。

2.4　生產(chǎn)工藝

當(dāng)今世界各國生產(chǎn)改性塑料制品，主要有兩種加工工藝。第一種是全造料法。即：按配方將改性劑、塑料樹脂、阻燃劑、加工助劑等一起混合擠出造料，成為改性阻燃彩色塑料專用料；然后直接送入塑料加工機(jī)械加工成需要的塑料制品。第二種是母料法，也就是部分造料法。即：按配方將增強(qiáng)改性劑、阻燃劑、加工助劑等混合擠出造料，成為阻燃彩色多功能母料；然后按配方規(guī)定的比例將母料與HDPE樹脂混合均勻，送入塑料加工機(jī)械加工成需要的塑料制品。

采用母料法生產(chǎn)無載體塑料用阻燃彩色多功能母料的優(yōu)點(diǎn)是：用戶使用方便，操作簡單，改性效果好，有利于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能。

采用現(xiàn)有的雙螺桿擠出機(jī)造粒法。

工藝流程：

2.5　應(yīng)用

2.5.1添加比

作為用戶和生產(chǎn)單位都希望添加比越大越好，在研制中，添加比5∶1時為V-0級；20∶1時為V-2級。實(shí)際測試添加比6∶1時也是V-0級，如需進(jìn)一步提高添加比，有一定的難度。這是因?yàn)槟壳白枞紕┥a(chǎn)技術(shù)水平有限，阻燃性能在達(dá)到UL94標(biāo)準(zhǔn)的V-0級時，整個阻燃體系中阻燃劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多在20%以上，這樣濃縮物(母粒)的添加比就有限了。若要提高添加比，必然增加阻燃體系中阻燃劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因而也必然減少配方中助劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這樣勢必影響添加母料后塑料制品的物理性能。目前國內(nèi)外達(dá)到UL94中V-0級的添加比一般為4∶1，個別的為5∶1。

2.5.2阻燃性

在塑料制品的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，同一品種材料制成的不同零部件，對阻燃性的要求不盡相同。在UL94標(biāo)準(zhǔn)中，有V-0級，V-2級，甚至HB級，作為同一阻燃母料，應(yīng)當(dāng)盡可能滿足這類要求，以方便用戶管理和生產(chǎn)。目前研制的無載體塑料用阻燃彩色多功能母料，在采用不同的添加比時，可使添加后的塑料制品的阻燃性分別達(dá)到UL94標(biāo)準(zhǔn)中的不同級別。例如：添加比為5∶1時為V-0級，20∶1時為V-2級；而進(jìn)口母料的添加比為4∶1時為V-0級，5∶1時為V-2級，8∶1和10∶1時則燃燒不止。可見，研制的塑料用阻燃彩色多功能母料，無論是添加比還是阻燃性均比國外進(jìn)口的更先進(jìn)、更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

3結(jié)語

塑料用阻燃彩色多功能母料由于沒有載體，理論上可以應(yīng)用在各種塑料中，也可以使用各種添加劑、填充劑、改性劑等生產(chǎn)具有各種功能的母料。目前已添加于ABS、HIPS、PP、PE等塑料中。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用和測試表明：塑料的阻燃性能符合UL94標(biāo)準(zhǔn)V-0級，物理性能達(dá)到設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉英俊,王錫臣. 改性塑料行業(yè)指南.北京：中國輕工業(yè)出版社, 2000年9月.

[2]陳更新,周宇. 在塑料多元復(fù)合共混改性理論指導(dǎo)下填充改性技術(shù)的新進(jìn)展[C]. 中國工程塑料新技術(shù)及配套產(chǎn)品論文集 ,2006年3月.

[3]王文廣.塑料改性實(shí)用技術(shù).北京：中國輕工業(yè)出版社, 2004年7月.

[4]鄧如生主編.共混改性工程塑料.北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2005年4月.

比利時國王菲利普：索爾維是我們在中國的創(chuàng)新大使

日前，比利時國王菲利普攜王后馬蒂爾德及皇室代表團(tuán)對中國進(jìn)行國事訪問。6月25日，國王一行在索爾維集團(tuán)首席執(zhí)行官讓-皮埃爾·克拉瑪?shù)傧壬呐阃?，參觀了索爾維上海創(chuàng)新成果展示廳。國王對索爾維多年來在科學(xué)發(fā)展領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)給予了高度贊揚(yáng)。

在當(dāng)天的參觀中，菲利普國王主要了解了索爾維在高新材料、新能源、生態(tài)流程，以及安全與健康等應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新成果。索爾維亞太區(qū)研發(fā)總監(jiān)梅德威(Pascal Metivier)向國王一行介紹了多款用于消費(fèi)品的環(huán)保材料和污水處理技術(shù)等創(chuàng)新解決方案。這些成果來自索爾維遍布全球的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，其中包括位于中國上海的研究與創(chuàng)新中心。

索爾維上海研究與創(chuàng)新中心成立于18年前，目前已成為集團(tuán)在全球范圍內(nèi)排名第三的研究與創(chuàng)新中心。作為索爾維可持續(xù)創(chuàng)新的前沿陣地，上海研究與創(chuàng)新中心總投資超過9 500萬元人民幣，旗下?lián)碛?47名研究與創(chuàng)新人員。2014年，該中心成功申請17項專利，并且在權(quán)威期刊上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文迄今已達(dá)20篇。僅在過去兩年內(nèi)，索爾維上海研究與創(chuàng)新中心已榮獲由上海市政府頒發(fā)的六項重要獎項。

Innovation of Multi-functional Masterbatch for Plastics

CHEN Geng-xin

(Shanghai Plastics Products Research Institute, Shanghai 200237, China)

Abstract：The innovation of multi-functional masterbatch for plastics, and preparation of no carrier flame-retardant color multi-functional masterbatch for plastics are introduced. The application of multi-functional masterbatch for plastics is reviewed.

Key words：masterbatch; multi-function; modification

收稿日期：(2015-01-28)

作者簡介：陳更新(1950—)，男，高級工程師，從事塑料制品的創(chuàng)新和塑料材料的改性。

中圖分類號：TQ 320.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-5993(2015)02-0027-04