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手机外壳配方设计


手机外壳配方设计 一、实验目的 1、 掌握塑料改性配方设计的基本知识; 2、 了解聚乙烯塑料加工常用的设备(如高速混合机、双螺杆挤出机、塑料注射 机等)的基本结构原理与操作方法; 3、 掌握聚烯烃配方试验的混合、混炼、注射制样等基本操作方法; 4、 掌握塑料基本性能的测试方法。 二、改性塑料配方设计实验任务、目标、提示与要求 改性塑料新材料配方设计实验任务、目标、提示与要求见下表所示。 任务名称 目标与要求 配方设计提示 所需仪器 高速混合机 双螺杆挤出机 塑料注射机 电子拉力机 冲击实验机 DMA DSC

手 机 外 壳 设计并制备出用于手机、笔 PC 树脂 用 改 性 新 记本电脑外壳用 PC/ABS 共 ABS 树脂 材 料 配 方 混合金材料,检测主要力学 抗氧剂 设 计 与 制 性能和相容性(DMA 或 DSC) 润滑剂 备 偶联剂 增容剂 增韧剂 三、设计过程 1.前言

目前, 手机常用塑胶材料主要有 PC、 ABS 和 PC+ABS 三大类.日本手机主要 采用 PC+ABS,甚至采用 ABS 做手机外壳;韩国几家制造商最早采用纯 PC 材料。 GE 公司原来不推荐采用 PC 材料做手机外壳,主张采用 PC+ABS 材料,但最近一 两年也推出适合做子机外壳的 PC 材料。近年来,各大手机厂商采用 PC 材料做手 机壳的比例正在逐渐上升。 表 1 为几种材料的一般特性表: 材料 PC ABS PC+ABS 2.材料介绍 2.1 PC PC 学名聚碳酸酯。材料的性能特点: ①强度高,抗拉伸强度 69MPa、抗弯曲强度 96MPa。 强度(拉力 Mpa) 69 43 56 硬度(洛氏 R) 120 100 110 温度(使用) 130 60 60 其它特性 无毒、透光、低温特性较好 配色、喷涂、电镀等特性好 各项性能居中,加工、流动性 好

②耐高温,长期使用可耐 130 摄氏度温度环境。 ②透明性好,无毒。 ④原料配色及表面涂覆不如 ABs。 ⑤Pc 应选高流动性牌号。适用于翻盖机和在恶劣环境下使用的手 机。 2.2 ABS ABS(丙烯脂—丁二烯—苯乙烯共聚物)材料的性能特点: ①强度低,抗拉伸强度 43MPa,抗弯曲强度 79MPa。 ②不耐温,长期使用温度不得高于 60 摄氏度。 ③流动性、着色及表面喷涂和电镀性能均好。 2.3 PC+ABS PC 与 ABS 的合成材料,取前面两者之特点,具有优良的成型

加工性能, 流动性好, 强度较高(抗拉伸强度 56MPa, 抗弯曲强度 86MPa)。 PC+ABS 材料主要用于直板机和一般外观、色彩要求高而对环境无特殊要求的翻盖机 3.PC 与 ABS 比例的选择 PC 中加入ABS 制成的PC/ ABS 合金确能改善其性能并保持二者原有的性能 优势。查文献得[1]50%ABS 对50% PC 的合金效果最佳, 此时材料的冲击强度呈最 高值。在别的文献中又有,当PC/ ABS=75/25时,合金的拉伸强度、热变形温度 达到最大值。 实际生产中常用的配比为60/40。 又, 本实验选择选择比例60/40。 4.相容剂的选择 相容剂也称增容剂、高分子偶联剂,是一种新颖的塑料助剂。 相容剂是通过 嵌段或接枝相容,以改善二种以上高分子之间共混互不相容的聚合物(通常,一 种是极性聚合物,另一种是非极性聚合物)而加入的第三组分,这第三组分即系 相容剂。而相容剂的作用,是增加两种聚合物的相容性,使之两种聚合物间粘接 力增大,形成稳定的结构,使分散相和连续相均匀,即相容化。相容剂起到降低 界面张力、增加界面层厚度、降低分散粒子尺寸的作用,使体系最终形成具有宏 观均匀微观相分离特征的热力学稳定的相态结构。由于相容剂对高分子合金体系 的混合性和稳定性会产生重要的影响,因此,相容剂的合理选择和使用对高分子 合金技术的实现是至关重要的根据相容剂的基体高分子之间的作用特征。 查文献 [2] 等得常用的有 ABS-g-MAH,PE-g-MAH,SMA 树脂,SEBS-g-MAH 等等。 ABS-g-MAH: ABS接枝马来酸酐,其ABS部分与PC/ABS合金中ABS具有相似结构, 且酸酐基团可以与PC发生酯交换反应,因而可以更好的融入PC相中,提高两相的 界面粘结力,从而导致其力学性能提高。 SMA树脂:在众多的增容体系中, 较为有效的是能在熔融共混过程中通过活性基 团之间的反应而形成嵌段或接枝共聚物的体系, 即反应型增容剂。 苯乙烯- 马来 酸酐无规共聚物( R- SMA) 是反应型增容剂中较为重要的一种, 也是人们研究较 多的一类增容剂, 特别是在国外有关R- SMA 增容聚合物共混体系的研究报道较 多。R- SMA 作为增容剂主要应用于聚酰胺共混物及其它热塑性聚合物共混物体 系, 此外在热固性树脂与热塑性树脂的共混物中也有加入R- SMA 作为增容剂的,

这类体系目前还较少, 主要应用于环氧树脂( EP) 与聚苯醚( PPO) 的共混物体 系中。 5.增韧剂的选择 凡能增加聚合物的塑性, 使之易于加工的物质称为增塑剂。 增塑剂通常为高沸点、 难挥发的液体或低熔点的固体,主要是低相对分子量的酯类。 MBS(Methyl methacrylate-Butadiene-Styrene)树脂是甲基丙烯酸甲酯(M) , 丁二烯(B)及苯乙烯(S)的三元共聚物,由甲基丙烯酸甲酯(40%) 、丁苯胶乳 (30%) 、苯乙烯(30%)通过乳液接枝法制得。它具有典型的核-壳结构,浅稻草 黄色透明固体颗粒,密度1.09~1.11,制品透光率可达90%。透明和耐紫外光老化 是其突出的优点,耐油、耐弱酸、耐弱碱,溶于丙酮、苯、甲苯、二氯乙烷等有 机溶剂。可用注射、模压、挤出和吹塑等方法成型,制成电器和机械产品的透明 外壳和零件等。 也是一种优良的高分子改性剂, 能改善高分子透明性和抗冲击性。 与纯聚苯乙烯相比,MBS抗冲击强度更好,与纯ABS树脂相比,因丙烯腈组分被甲 基丙烯酸甲酯所取代, 故可制得透明聚合物。用MBS树脂改性后的PVC可制成各种 耐冲击的软硬透明管材、 片材制品, 另外MBS树脂也用来改性聚苯乙烯和ABS树脂。 6.抗氧剂的选择 抗氧剂1010是大分子型抗氧剂,无污染,不着色,挥发性小,耐水抽低。 可用于聚乙烯、聚甲醛、ABS树脂,对聚丙烯特别有效。本品与辅助抗氧剂 DLTDP并用于聚丙烯树脂中,可以显著地提高其热稳定性,是目前酚类抗氧 剂中性能最为优良的品种之一。本品一般用量为0.1%~0.5%,随着国外发 达地区环保法规的限制,原含锡产品将逐渐过度到无锡化产品。它是一种 多元受阻酚型抗氧剂,与大多数聚合物具有很好的相容性。有良好的防止 光和热引起的变色作 用。广泛用于PE、PP、PS、聚酰胺、聚甲醛、ABS树 脂、PVC、合成橡胶等高分子材料中。也用来防止油脂和涂料的 热氧老化。 抗氧剂DLPT是硫代二丙酸二月桂酯,白色粉末或鳞片状,具有分解过氧化 物的作用,不污染、不着色、高温加热不分解,可显著改善制品耐热性和 抗氧性,适用于PO、ABS、PVC等,与酚类抗氧剂,紫外线吸收剂并用有协 同效果,也可用于橡胶。 7.润滑剂的选择 乙撑双硬脂酰胺( EBS) 是塑料润滑剂脂肪双酰胺类化合物中的代表性品种, 在硬质PVC、ABS、AS、PC、POM 等热塑性树脂的加工中具有举足轻重的地位。由 于EBS 分子存在极性酰胺基团, 因此它对聚合物树脂具有加工润滑作用和低温 防粘作用。 EBS 可以插入聚合物树脂内部, 降低树脂分子间的相互作用, 起到内 润滑剂的作用; 另一方面, EBS 可以由树脂熔体内部迁移到表面, 减少了树脂 粒子之间、 树脂熔体与加工设备之间的相互摩擦, 防止其粘附到金属表面, 起到 外润滑作用。 8.小组确定的配方 采用 PC 与 ABS 混合使用,其中 PC 作为主要原料,具有较高强度,加入 ABS 是为了使之与 PC 形成高分子合金,可以增加材料的韧性。 配方设计用 MBS 对 PC+ABS 进行增韧改性; 加入 SMA 进行填充, 对改善 PC/ABS 合金的冲击强度有较大的帮助,同时也可以提高耐热性和表面性能;利用 EBS 可以降低树脂分子间的相互作用,起到内润滑剂的作用,EBS 还可以由树脂熔体

内加工设备之间的相互摩擦,防止其粘附到金属表面,起到外润滑作用。加入氧 化剂可改善其加工性能。 总量2000g 序 配方 号 1 2 3 4 5 6 7 PC ABS MBS SMA EBS 抗氧剂 1010 抗氧剂 PKY-168 北京加工助剂研究所 北京加工助剂研究所 厂家 GE-141R 奇美 PA-757 份 数 70 30 质量/g 1217.39 521.74 86.96 139.13 8.70 8.70 17.39

ROHM AND HAAS CHEMICALS SINGAPORE DET 5 LTD 上海石油化工研究所 8 0.5 0.5 1

四.实验过程 1.混合 首先将各组分称量, 先将各固体组分进行混合, 然后放入高速混合机 (SHA10A 高速混合机,宏基机械),中进行高速混合,混合约 3min 后出料,清理混合机。 2.造粒 各种配方经高速混合机混合均匀后可以再双螺杆挤出机中挤出造粒。 所用设备:流变仪-LSSHJ-20 双螺杆挤出机,上海科创橡塑机械设备有限公 司;XSS-300 转矩流变仪,上海科创橡塑机械设备有限公司。 双螺杆造粒的时候采用中等偏强剪切的螺杆组合,各段温度为:第一段 180℃,第二段 235℃,第三段 240℃,第四段 235℃。然后根据出料的速度调节 转速,保证出料稳定。在基础过程中转速设定为 50r/min 至 100r/min 之间,相 应的转矩变化为 37 至 65 之间。 注意事项: (1)操作人员填料时,一定要看好,料中不要进杂物,掌握好温度 (2)如果一开机时,料不成条出现粘模头的现象,是模头温度过高, 等稍冷却即可正常,一般情况下不用停机。 (3)水温一般应在 50---60℃,低了容易断条,超出容易粘连,初开机时最好 加一半热水,如没有条件,切粒时可用人向切粒机内输送一段时间,等水温升高

后再让其自动切粒,以免断条,水温超过 60℃后,需向内循环加入冷水,以保 持温度。 (4)切粒时一定要将条拉均后才能入兑辊,否则将损坏切粒机。如排气孔向外 争剧冒料,证明杂质已堵住了过滤网,此时须速停机更换网片,网片可选用 40---60 目。 3. 注射成型 混合好的配方经挤出机基础造粒,在 80℃下干燥 40min 即可以进行注射加 工成型。 所用设备:SZ—160/900NB 型注塑机(宁波塑料机械总厂) 注射条件:温度 190-210℃,压力 30-60MPa,注射速度中-快,背压 0.6MPa, 螺杆转速 20-70r/min,模具温度 40-60℃,排气口深度 0.0038-0.0076mm。 注意事项: (1)操作安全。注意注射成型机的运行安全及操作者的人身安全。注射成型机 的安全装置如安全门等必须可靠,处于正常工作状态。 (2)模具安装必须牢固、可靠。 (3)顶出卸件距离必须调整合适。 (4)油液保持清洁,油温控制适当(一般在 50℃以下)。 (5)注射压力应在规定范围内,避免压力过高,影响制件质量及模具、机器使用 寿命。 (6)勤于检查紧固件是否松动,运动部件是否润滑,安全装置是否失灵,电器、 液压系统是否正常工作等。 4. 弯曲强度的测定 弯曲试验采用简支梁法,将试验跨在两支座上,在试样中心(两支座中心) 施加集中载荷,以测定其弯曲性能,如弯曲强度、弯曲弹性模量等。弯曲试验主 要用来检验塑料在经受弯曲负荷作用时的性能,用弯曲试验来评定 PP 的弯曲强 度和塑料变形的大小。 所用设备:CMT-6104 型微机控制万能试验机;游标卡尺。 测试步骤: (1)选取 5 个合格的样条,用游标卡尺测量器厚度和宽度,测 3 次取平均值; (2)把试样对称地放在两个支座上,并于跨度中心施加力,使万能试验机刚开 始显示有力施加在样条之上; (3)在计算机中输入样条的厚度和宽度,设置好参数,进行测试。 (4)实验结束后记录实验数据,可得到塑料样条的弹性模量和最大应力。

实验数据记录及处理: 编号 1 2 3 4 5 样条宽度/mm 10.02 10.00 10.00 10.03 10.00 样条厚度/mm 4.02 4.01 4.00 3.99 3.98 弹性模量/MPa 3158.89 2973.02 3109.73 3124.70 3191.04 弯曲模量/MPa 90.0682 85.7177 87.5927 88.5184 88.1796

5. 拉伸强度的测定 利用拉伸试验测定样条的拉伸强度,在试样上沿轴向方向施加静态拉伸杜 荷,以测定塑料的力学性能。由实验测定的应力-应变曲线,可以得出评价材料 性能的屈服强度、断裂强度和断裂伸长率等。 结晶性高分子的应力-应变曲线一般分为三个区域,如下图所示:

拉伸强度的计算: σ t = p /( b×d) ;式中,σ t 为拉伸强度(MPa),p 为最大负荷(N),b 为试样宽度(mm),d 为试样厚度(mm)。 断裂伸长率的计算:ε =(F-G)/G×100%;式中,G 为标线间的距离(mm), F 为试样断裂时标线间的距离(mm)。 在应力应变曲线中, 即使负荷不增加,伸长率也会上升的那一点通常称为屈 服点,此时的应力称为屈服强度,此时的变形率就叫屈服伸长率;同理,在断裂 点的应力和变形率就分别称为断裂拉伸强度和断裂伸长率。 所用设备:CMT-6104 型微机控制万能试验机;游标卡尺。 测试步骤: (1)选取 6 个合格的样条,用游标卡尺测量器厚度和宽度,测 3 次取平均值;

(2)安装样条,分别安装上夹具、下夹具和传感器; (3)对传感器进行调零; (4)在计算机上对位移和峰值清零,输入样条的厚度和宽度,设定参数进行测 试; (5)实验结束后记录实验数据,可得到塑料样条的拉伸弹性、屈服应力、断裂 强度和断裂伸长率。 实验数据记录及处理: 编号 样条宽度 /mm 1 10.15 2 10.17 3 10.15 4 10.16 5 10.18 6 10.21 6. 熔融指数的测定 样条厚度 /mm 3.84 3.91 3.94 3.89 3.95 3.96 拉伸弹性 模量/MPa 3569.42 15411.2 3443.85 3330.86 3387.88 3253.71 屈服应力 /MPa 56.8940 215.339 55.1749 54.9688 55.0720 54.8210 断裂强度 /MPa 47.5164 207.620 51.7804 49.6364 44.7266 50.4568 断裂伸长 率/% 2.75 2.70 3.95 4.25 3.05 4.35

熔融指数,全称熔液流动指数,或熔体流动指数,是一种表示塑胶材料加工 时的流动性的数值。 在标准的塑性计中, 加热到一定温度 (PE, 190℃; 230℃) PP, , 树脂熔融后受一定的负荷(2160g)在 10 分钟内经过规定的孔径(2.09mm)挤压 出来的树脂重量,这个数值就被称为熔融指数,单位 g/10min。 所用设备:XNR-400B 熔体流动速率测定仪,承德德胜检测设备有限公司。 测试步骤: (1)确定实验条件,设置温度(PC 为 260℃),等待温度稳定,设置切割次数 (5 次)和切割时间间隔(5s); (2)加料,压实,插入活塞杆(在 1min 内完成); (3)等待温度稳定,约 4-5min; (4)加砝码,2160g; (5)当活塞杆下移至其实刻度线时,先手动切样一次,之后自动切样; (6)称重; (7)计算。

实验数据记录与处理:

编号 质量/g

1 0.2385

2 0.2525

3 0.2452
t r e f ×m t

4 0.2537

平均值 0.2475

计算公式:

M F R (? , m m o n ) ?

其中θ 为实验温度,mmon 为标准负荷,tref 为参比时间,t 为切割的时间 间隔。 计算结果:

MFR(260,2.16kg)=600*0.2475/5=29.7g/10min

7. 抗冲击强度的测定 抗冲击强度是材料突然受到冲击而断裂时, 每单位横截面上材料可吸收的能 量的量度。它反映材料抗冲击作用的能力,是一个衡量材料韧性的指标。冲击强 度小, 材料较脆。 对塑料冲击强度的测定一般采用简支梁式摆锤冲击实验机进行。 试样可分为无缺口和有缺口两种。 有缺口的抗冲击测定是模拟材料在恶劣环境下 受冲击的情况。 所用设备:电子简支梁冲击试验机 XJJD-5,承德德胜检测设备有限公司。 测试步骤: (1)试样的准备,取 5 个试样,测量厚度和宽度,并进行铣缺口处理,测量缺 口处的宽度; (2)对设备进行空摆测试,确定仪器参数;将试样放在设备平台上,加工面朝 冲锤,缺口试样,缺口背向冲锤,缺口位置应与冲锤对准; (3)进行冲击试验; (4)记录实验数据,并计算。 实验数据记录与处理 编号 1 2 3 4 5 样条宽度 /mm 9.94 9.92 9.96 9.95 9.89 样条厚度 /mm 3.88 3.88 3.98 3.92 3.89 吸收能量/J 0.346 0.434 0.329 0.256 0.278 抗冲击强度 破坏程度 /(J/mm2) 10.822 13.077 10.045 7.947 8.723 完全破坏 完全破坏 完全破坏 完全破坏 完全破坏

五、实验结果及讨论 以中国科学院化学所对于汽车保险杠用聚丙烯材料的技术指标标准为例进 行比较,在拉伸强度、断裂伸长率、抗冲击强度、熔体流动速率、弯曲强度、弹 性模量等方面进行比较如下:

性能 拉伸强度 断裂伸长率(%) 抗冲击强度 2 (KJ/m ) 熔体流动速率 (g/10min) 弯曲强度(MPa) 弹性模量(MPa)

工业生产 50 12 >50 7-15 65 1100

实验配方 49-52 最佳 4.35 最佳 13.077 29.7 85-90 2900-3200

是否合格 合格 较低 不合格 偏高 偏高 过高

经比较, 该配方对于 PC 和 ABS 的性能有一定的改进,增加了 PC 材料的强度 和韧性,但是用来当做手机外壳的材料仍需进一步的优化配方。 通过整个实验, 了解了一般塑料材料加工改性的加工成型工艺和对材料各种 性能的测定方法。在实验过程中,学习了高速混合机、双螺杆注射机及双螺杆挤 出机在塑料加工工艺中的是用方法,学会了塑料弯曲强度、拉伸强度、抗冲击强 度及熔融指数的测定方法。 另外,在整个实验过程中每个人的实验能力得到的提 高是不能忽视的,不仅要进行资料的查找与总结,也要进行具体的实验过程。这 些过程中,小组之间的交流与讨论也必不可少,小组之间因集思广益,这成为决 定实验结果的最要因素。

[参考文献 ] [1] 杨明山,聚丙烯改性剂配方,化学工业出版社,2009,1 [2]闫华、刘吉平,PC/ABS 合金研究进展,塑料,2004,33 卷第 1 期 [3] 田立斌,刘敏江. PC/ ABS 合金研究进展[J ] . 中国塑料,2002 ,16 (2) :8 - 11. [4] 曹文鑫. PC/ ABS 合金的开发和应用现状[J ] . 化工新型材料,2001 ,29 (8) :37 - 40. [5]杨明山、李林楷等,塑料改性工艺、配方与应用,化学工业出版社,2006 年 5月 [6] 柴国梁. 聚碳酸酯发展动向[J] . 化工新型材料,1999 ,27(6) :9 - 1 2 . [7] 罗筑,刘一春,于杰,等. PC/ ABS 合金的增韧研究[J ].塑料工业,2001 ,29 (5) :15 - 16. [8] 刘建,闻荻江. PC/ ABS 合金研究进展[J] . 苏州大学学报,2002 ,22 (2) :1 - 6. [9] 杨其,郑一泉,冯强,等. PC/ABS 共混体系的研究进展[J ].塑料科 技,2003 ,(5):58 - 61. [10] Jiann2Shing Wu , Shu2Chen Shen ,Feng2Chin Chang.Effect of polycarbonate molecular weight on polymer blends of polycarbonate and ABS[J ] . Journal of Applied Polymer Science ,1993 ,50 :1379 1389.

手机外壳使用 PC+ABS 的配方设计

院(系、部) : 姓 班 专 名: 级: 业:

材料科学与工程系 刘瑞 091464 高Z09 高分子材料与工程


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