1、第三章 高分子材料配方设计3.1 设计原则和程序3.2 设计要求3.3 设计方法3.4 实例3.5 性能估算配方设计需要考虑的问题 试样：如何制成的？制法不同性能不同 性能：如何测试的？与实际性能第102页表可能有差别 使用场所：室内户外？静态动态？价格 环保第一节 制品设计原则和程序 总的原则：实用、经济、环保 总的程序：101图制品用途技术标准形状设计样品初步设计【配方设计工艺设计结构设计模具设计样品试制性能测试】【】合格制品工艺规程、产品标准第二节 配方设计 一般步骤：配方样片实物定配方定工艺。数据库？计算机模拟？数据库？计算机模拟？配方的两种表示方法：高分子化合物为100份（质量）。使
2、用方便 所有物料总和为100份（质量）。第三节 配方设计方法 在尽可能少的实验次数下获得最优的配方 数理统计中的正交试验、回归分析；最优化方法 因数，水平，步长 常常为多因素，且因素间常常有交互作用 试验的每个步骤试验条件严格控制一致，以尽量减少试验误差配方设计方法单因数变量单因数变量指标函数是试验区间内是单峰函数（只有一个极值点）。遵循一定的数学方法做一系列试验，逐步将区间缩小成为（找到）一点，此点为极值点（极值点是理论上的最优点）或根据情况定为其附近一点，即确定了一个因数。爬山法 黄金分割法 平分法 分批试验法 抛物线法 费波那奇序列法0，1，1，2，3，5，8，13，21，配方设计方法多
3、因数变量 正交设计：常用。能够在尽可能少的实验次数下获得最优的配方 回归分析：通过实验建立数学方程式 性能=f(原料1，原料2，)正交设计简介 正交表La(bc)，其中a试验次数，即正交表行数b水平数，常常取3(或2、4）c因数数，即正交表列数 通过对实验结果（指标）的分析，找出因数的主次最佳水平组合 指标分析方法直观分析法（极差分析法）：简单实用方差分析法：能够定量给出因数的主次关系 对于单因素或两因素试验，因其因素少对于单因素或两因素试验，因其因素少，试验的设计试验的设计、实施与分析都比较简单、实施与分析都比较简单。但。但在实际工作中在实际工作中，常常需要同时考察，常常需要同时考察 3个或
4、个或3个以上的试验因素个以上的试验因素，若进行全面试验，若进行全面试验，则则试验的规模将很大试验的规模将很大，往往因试验条件的，往往因试验条件的限制而难于实施限制而难于实施。正交试验设计就是安排正交试验设计就是安排多因素试验多因素试验、寻求最优水平组合、寻求最优水平组合 的一种高的一种高效率试验设计方法。效率试验设计方法。例如，要考察增稠剂用量、例如，要考察增稠剂用量、pH值和杀菌温度对豆奶稳定值和杀菌温度对豆奶稳定性的影响。每个因素设置性的影响。每个因素设置3个水平进行试验个水平进行试验。A因素是增稠剂用量，设因素是增稠剂用量，设A1、A2、A3 3个水平；个水平；B因素是因素是pH值，设值
5、，设B1、B2、B3 3个水平；个水平；C因素为杀菌温因素为杀菌温度，设度，设C1、C2、C3 3个水平。这是一个个水平。这是一个3因素因素3水平的试水平的试验，各因素的水平之间全部可能组合有验，各因素的水平之间全部可能组合有27种种。对于上述对于上述3因素因素3水平试验，若不考虑交互作用，可利用水平试验，若不考虑交互作用，可利用正交表正交表L9(34)安排，试验方案仅包含安排，试验方案仅包含9个水平组合，就能个水平组合，就能反映试验方案包含反映试验方案包含27个水平组合的全面试验的情况，找个水平组合的全面试验的情况，找出最佳的生产条件。出最佳的生产条件。正交表的类别正交表的类别 1、等、等水
6、平正交表水平正交表 各列水平数相同的正交表称为等各列水平数相同的正交表称为等水平正交表。如水平正交表。如L4(23)、L8(27)、L12(211)等各列中的水等各列中的水平为平为2，称为，称为2水平正交表；水平正交表；L9(34)、L27(313)等各列水等各列水平为平为3，称为，称为3水平正交表。水平正交表。2、混合水平正交表混合水平正交表 各列水平数不完全相同的正交表各列水平数不完全相同的正交表称为混合水平正交表。如称为混合水平正交表。如L8(424)表中有一列的水平数表中有一列的水平数为为4，有，有4列水平数为列水平数为2。也就是说该表可以安排一个。也就是说该表可以安排一个4水水平 因
7、 素 和平 因 素 和 4 个个 2 水 平 因 素。再 如水 平 因 素。再 如 L1 6(44 23)，L16(4212)等都混合水平正交表。等都混合水平正交表。水平水平试验因素试验因素加水量加水量（mL/100g）A加酶量加酶量（mL/100g）B酶解温度酶解温度（）C酶解时间酶解时间（h）D1101201.52504352.53907503.5选择合适的正交表正交表的选择是正交试验设计的首要问题。正交表的选择是正交试验设计的首要问题。确定了确定了因素及其水平后，根据因素、水平及需要考察的因素及其水平后，根据因素、水平及需要考察的交互作用的多少来选择合适的正交表。交互作用的多少来选择合适
8、的正交表。正交表的正交表的选择原则是在能够安排下试验因素和交互作用的选择原则是在能够安排下试验因素和交互作用的前提下，尽可能选用较小的正交表，以减少试验前提下，尽可能选用较小的正交表，以减少试验次数次数此例有此例有4个个3水平因素，可以选用水平因素，可以选用L9(34)或或L27(313)；因本试验仅考察四个因素对液化率的影响效果，因本试验仅考察四个因素对液化率的影响效果，不考察因素间的交互作用，故宜选用不考察因素间的交互作用，故宜选用L9（34）正）正交表。若要考察交互作用，则应选用交表。若要考察交互作用，则应选用L27(313)。试验号试验号因因 素素ABCD11（10）111212223
9、133342（50）123522316231273（90）1328321393321试验结果试验结果（液化率（液化率%）0172412472811842因素之间的交互作用因素之间的交互作用：如果因素A的水平发生变化时，试验指标随因素B变化的规律也生变化。或反之，若因素B的水平发生变化时，试验指标随因素A变化的规律也发生变化。则称因素A、B间有交互作用，记为AB。交互作用的判别例 在合成橡胶生产中，催化剂用量和聚合反应温度是影响转化率的两个重要因素。判别这两个因素是否有交互作用，方法是按交互作用AB的二元表，做四次实验，而后分析。在聚合反应温度为30时，转化率随催化剂用量的增大而减少；在聚合反应
10、温度为50时，转化率却随催化剂用量的增大而增大。如果以y转化率为纵坐标，为横坐标，作直线，则得到A温度30和50时的两条直线，两直线相交，说明A温度和B催化剂用量有强的交互作用。若两因素间没有交互作用，则两直线严格互相平行（在没有实验误差的情况下）。y转化率%A聚合温度3050B催化剂用量mL484.896.2287.675.5结果分析结果分析 按表所列的试验方案进行试验，其结果分析按表所列的试验方案进行试验，其结果分析与前面并无本质区别，只与前面并无本质区别，只是：应把互作当成因素处理进行分析；是：应把互作当成因素处理进行分析；应根据互作效应，选择优化组合。应根据互作效应，选择优化组合。方差
11、分析法极差分析法简单明了，通俗易懂，计算工作量少便于推广普及。但这极差分析法简单明了，通俗易懂，计算工作量少便于推广普及。但这种方法种方法不能将试验中由于试验条件改变引起的数据波动同试验误差引不能将试验中由于试验条件改变引起的数据波动同试验误差引起的数据波动区分开来，起的数据波动区分开来，也就是说，不能区分因素各水平间对应的试也就是说，不能区分因素各水平间对应的试验结果的差异究竟是由于因素水平不同引起的，还是由于试验误差引验结果的差异究竟是由于因素水平不同引起的，还是由于试验误差引起的，起的，无法估计试验误差的大小无法估计试验误差的大小。此外，各因素对试验结果的影响大。此外，各因素对试验结果的
12、影响大小无法给以精确的数量估计，不能提出一个标准来判断所考察因素作小无法给以精确的数量估计，不能提出一个标准来判断所考察因素作用是否显著。为了弥补极差分析的缺陷，可采用方差分析。用是否显著。为了弥补极差分析的缺陷，可采用方差分析。第四节 配方实例 橡胶制品107表3-35 热塑性塑料制品109表3-67 热固性塑料、复合材料制品111表3-810省份省份产能产能省份省份产能产能山东山东218湖南湖南35天津天津141吉林吉林28内蒙内蒙129辽宁辽宁28河南河南123贵州贵州27江苏江苏111陕西陕西26新疆新疆118云南云南26四川四川102广东广东22河北河北90安徽安徽17山西山西86.
13、5广西广西16浙江浙江72黑龙江黑龙江13.5上海上海48福建福建11.5宁夏宁夏47江西江西8湖北湖北35.5青海青海2总计：总计：1581 2008中国聚氯乙烯产能省份分布中国聚氯乙烯产能省份分布 单位：万吨单位：万吨中国聚氯乙烯装置开工率分析聚氯乙烯供应过剩压力日益增大是造成装置开工率降低的最主要原因之一。省份省份2008消费量消费量省份省份2008消费量消费量山东53重庆10河南35云南9新疆10广东162东三省50广西10安徽26贵州12湖北17陕西12湖南15宁夏8江西10北京10江苏90天津24上海56河北43浙江125内蒙7福建69山西9四川26其它26合计：924中国聚氯乙烯
14、消费省份分布中国聚氯乙烯消费省份分布单位：万吨单位：万吨制品名称消费比例消费比例%合计%软制品鞋及鞋底材料535人造革5薄膜6电缆料6地板革、壁纸、发泡材料3其他10硬制品管材1565管件5型材、门窗30硬片、板材及其他型材8其他7中国聚氯乙烯下游制品消费构成比例中国聚氯乙烯下游制品消费构成比例PVC型号SG-1SG-8型（国家标准GB/T5761-2006）表中黄绿色为旧型号低型号 软制品 （分子量高的做软制品）高型号 硬制品 （分子量低的做硬制品）K值低，聚合度低，分子量低SG-1SG-2XS(J)-1SG-3XS(J)-2SG-4XS(J)-3SG-5XS(J)-4SG-6XS(J)-5
15、SG-7XS(J)-6SG-8K值值7774727065-6762-636157聚合聚合度度1580-17501400-15001250-13501100-12501000-1100850-950750-850650-750各型号电石法聚氯乙烯的主要生产企业及用途：型号型号典型生产企业典型生产企业主要用途主要用途SG-1电缆料、薄膜等SG-2浙江巨化等电缆料、薄膜等SG-3中银电化、杭州电化、无锡化工等普通软制品SG-4人造革、鞋类等SG-5绝大多数企业均可生产通用型（型材、管材）SG-6硬质管、片材等SG-7内蒙海吉、株洲化工、宜宾天原、金路树脂等硬制品（板片材等）SG-8渤天化工、浙江巨化
16、硬制品（板片材等）注：注：1、4、6型当前市场流通量很少，不常见。型当前市场流通量很少，不常见。第五节 性能估算密度，Tg，Tm，溶度参数 性能估算对科研、生产有一定意义 估算原理：基团贡献值加和法一、密度（第113114页有例题）利用公式=M M/V V298K时：非晶g=结构单元的M/基团摩尔体积Vg 结晶c=1.13 g T K时：VT=Vg298+0.00045Vw(Tg-298)+0.001Vw(T-Tg)式中Eg=0.00045Vw，El=0.001Vw称为摩尔热膨胀率；Vw是高分子化合物的分子范德华体积贡献值（多数高分子有Vg298/Vw=1.55）第五节 性能估算密度，Tg，T
17、m，溶度参数二、玻璃化转变温度 Tg=基团摩尔玻璃化转变数Yg/结构单元的M 计算时要考虑是什么链（柔性，刚性，极性），有无支链及支链长短（有支链时，开始时Tg随着支链变长而降低，达到一定长度时10个C Tg最低，而后Tg升高），不同情况下 Yg数值是不一样的三、熔点Tm 估算方法类似Tg。有支链时，在6个C时Tm最低第五节 性能估算密度，Tg，Tm，溶度参数二、内聚能密度e、溶度参数内聚能E：1mol物质分子间力的能量 J/mol内聚能密度e=E/V (e=E/V)J/cm3溶度参数=e 1/2 (J/cm3)溶度参数可以衡量两种材料是否共容。当溶度参数相近时，有良好的共容性。液体的溶度参数可从它们的蒸发热得到。然而聚合物不能挥发，因而只能从交联聚合物溶胀实验或线型聚合物稀溶液黏度测定来得到。能使聚合物的溶胀度或特性黏数最大时的溶剂的溶度参数即为此聚合物的溶度参数。具体应用：选择溶剂，相容剂 作业-第三章 P124 1，2 仔细研读P107112的配方实例
