在工程塑料中添加功能助劑可賦予工程塑料制品在力學(xué)性能、電性能、耐老化性、安全加工工藝性等方面的特定性能，然而面對種類繁多的功能助劑，工程塑料制品開發(fā)人員應(yīng)該如何正確選擇和應(yīng)用呢？
隨著我國塑料行業(yè)在21世紀(jì)的快速發(fā)展，工程塑料作為一類在機械、汽車交通、電子通訊、電氣電器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)材料，始終保持著15%~20%的年增長速度，其制品則日趨高性能化、差異化、精細化。
為了滿足工程塑料制品的特殊要求，對材料進行改性是必需的。目前對高分子材料進行改性的方法主要有三種：一是可以通過合成技術(shù)，引進新的單體和改變本體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)；二是可以將多種具有不同結(jié)構(gòu)的高分子材料進行物理化學(xué)的處理，以進行合金化改性；三是針對改性的目標(biāo)，添加各類高分子功能助劑。從經(jīng)濟性和快捷性來比較，第三種改性手段最有優(yōu)勢，只要合理設(shè)計和篩選使用助劑，就可以很方便地實現(xiàn)功能和成本的最佳結(jié)合。
不過，需要注意的是，助劑品種繁多，而且其功能和應(yīng)用特性也不盡相同，若選用不正確，不僅不能充分發(fā)揮助劑的功效，達不到預(yù)期的目標(biāo)，反而會對解決問題的思路產(chǎn)生誤導(dǎo)，從而不利于后續(xù)的改進工作，既浪費人力又浪費物力。因此，面對品種繁多的功能助劑和不同使用要求的工程塑料制品，如何正確選擇功能助劑是工程塑料制品開發(fā)人員必須認真對待的問題。下面就針對工程塑料制品所需的幾種典型性能逐一進行闡述。
高電性能
在電子電器控制開關(guān)元器件中，雖然傳統(tǒng)的熱固性塑料（如環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂）具有良好的電絕緣性能，特別是在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定電性能，但由于存在反應(yīng)注射成型周期長，澆口不可回用等問題，使其應(yīng)用受到限制。而新型的具有高濕熱穩(wěn)定性、高電性能的熱塑性工程塑料則不存在此問題。與熱固性不飽和樹脂（UP）對比，它具有如下優(yōu)點：產(chǎn)品成型周期短、能耗低、生產(chǎn)效率高，更適用于規(guī)?；a(chǎn)；產(chǎn)品無污染和固體廢棄物問題、環(huán)保性高、可回收利用，進一步降低了用戶成本；產(chǎn)品密度小，一般小于1.8 g/cm3（UP類產(chǎn)品比重一般在2.0 g/cm3以上），其單位成本較低，經(jīng)濟效益高。
具高電性能的電子電器元器件
對于該類新型材料中的阻燃類產(chǎn)品而言，為實現(xiàn)高電性能，特別需要對配方體系中的阻燃體系進行篩選，因為對電性能影響最大的往往是阻燃劑。如果使用常規(guī)鹵素阻燃劑體系，就必須解決其析出問題，降低對電性能的影響。為此，一方面可選用與樹脂基體相容性好的阻燃劑，如選用美國雅寶公司的BT-93，另一方面也可使用高分子量的阻燃劑來避免析出，如選用以色列ICL（死海溴公司）的溴化環(huán)氧類阻燃劑F2100或大湖產(chǎn)的聚溴化苯乙烯PBS-64HW等。
近幾年，采用對電性能影響小的含磷、氮類阻燃劑是一個趨勢。一般而言，含磷、氮類的阻燃劑與樹脂的相容性較好，且一般不需要無機助阻燃劑，從而使所制得的工程塑料產(chǎn)品的電性能比較高。例如，近幾年日本東麗公司新開發(fā)出的非鹵、非紅磷的PBT阻燃材料EC44G30，在阻燃達到V-0級（1/32″）的前提下，其CTI值可達600V。目前，含氮類阻燃劑主要有三聚氰胺氰脲酸酯（MC）及其鹽（MCA），含磷、氮類阻燃劑有三聚氰胺多聚磷酸酯（MPP）、聚間苯二酚磷酸苯基酯（RDP）等。
表1是北京市化工研究院開發(fā)出的用于電子溫控器的高電性能熱塑性PBT 551-GT30SF(H)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表，該產(chǎn)品屬含鹵素的阻燃體系（滿足歐盟RoHS要求），具有優(yōu)異的電性能（CTI達到425V）、良好的加工成型性，綜合性能優(yōu)良，可用于各類電子電器產(chǎn)品的生產(chǎn)。
耐溫性
隨著電子電器產(chǎn)品的焊接環(huán)?；械暮U焊錫使用受到限制。因此，各廠家為滿足環(huán)保的要求，紛紛采用環(huán)保型的無鉛焊錫。然而無鉛焊錫的熔融溫度提高較多，這就對起固定作用的塑料件的耐溫性提出了更高的要求。例如，在電子用線圈骨架材料中使用PET阻燃增強產(chǎn)品，要求其能滿足在420℃/3s的沾錫工藝條件下，位于插針根部的塑料不發(fā)生明顯的軟化。鑒于國內(nèi)現(xiàn)有的PET改性產(chǎn)品還不能耐受如此高的溫度，目前該材料還需從國外進口。
此外，隨著電器產(chǎn)品以塑代鋼的發(fā)展，一些塑料部件在使用過程中需要耐受短時間的高溫。例如，要求用于電熨斗的底座支架的材料能耐受200℃熱鋁板烘烤30min而不變形，24h內(nèi)不發(fā)生變色。對于工程塑料，特別是結(jié)晶型工程塑料而言，有兩條途徑可提高其耐溫性能，一種是通過合金化的手段，與耐高溫的高分子材料合金化，從而提高產(chǎn)品的耐溫性。另外一種方法是在增強的基礎(chǔ)上，通過添加成核劑，加快結(jié)晶速度，使晶粒更均勻、細化，從而提高材料的耐溫等級。這是根據(jù)結(jié)晶型高聚物的結(jié)晶機理（熔體在冷卻過程中，局部區(qū)域的分子鏈排列成有序結(jié)構(gòu)，形成晶核，隨著晶核向各個方向放射生長而完成結(jié)晶），通過成核劑的作用，促進結(jié)晶型高聚物熔體成核，進而促進和改善了產(chǎn)品的結(jié)晶。上述兩種方法相比較，顯然后者的成本相對較低，也更便捷，特別是對于像PET這樣自身結(jié)晶能力較弱的工程塑料，通過添加高效成核劑的方式實現(xiàn)耐溫性的提高更為直接和有效。
具高耐溫性的電熨斗的底座支架
成核劑一般分為無機成核劑、有機成核劑（含高分子類成核劑）。無機成核劑常見的有超細滑石粉、滑石粉、硅灰石、高嶺土、蒙脫土、云母、氧化鎂等，它們的粒徑一般為0.01~1mm，用量為1%左右。通用的無機粉體由于與基體不相容，常常會帶來一些性能上的副作用，如缺口沖擊強度下降明顯。而近來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米填料作為無機成核劑越來越普遍。由于納米尺度的效應(yīng)，不僅有較好的成核作用，而且可有效減少對其它性能的影響。
有機成核劑在較早時期主要是一元或二元脂肪酸和芳烷基酸及其鹽類，如苯乙酸鋁，苯甲酸鋁、鈉或鉀，硬脂酸鹽等。它們對于增加聚合物的模量，提高成型加工速度有一定的效果，但同時常會影響產(chǎn)品的機械和化學(xué)性質(zhì)，如大湖公司的Clearlite NU004。后期發(fā)展較為迅速的是山梨醇及其衍生物，主要用于PP產(chǎn)品，如Milliken公司的Millad 3988。國內(nèi)開發(fā)的用于PP的成核劑——稀土金屬（如鑭）化合物也已投入市場，如廣東煒林納公司出品的稀土配合物b晶型成核劑。目前用于工程塑料的有機低分子類成核劑主要是有機磷酸酯鹽類，其代表產(chǎn)品有日本旭電化公司的NA-11系列。有機高分子類成核劑包括一些可以直接起異相成核作用的具有高熔點的高分子化合物，以及可以通過反應(yīng)提高基體均相成核能力的高分子化合物。前者如熱致液晶高分子（LCP），高熔點聚酰胺、聚酯等，后者的代表產(chǎn)品首推美國杜邦的“沙林”系列EAA金屬鹽（Na+，Zn2+）化合物，主要用于PET的改性產(chǎn)品成核上。
北京市化工研究院從提高PET產(chǎn)品的成核性入手，開發(fā)出了用于薄壁制件（0.35mm厚）的高阻燃、高流動性的耐溫型PET3030F產(chǎn)品。表2為該產(chǎn)品與某進口高端產(chǎn)品的數(shù)據(jù)對比。
導(dǎo)電性
隨著電子電氣設(shè)備外殼、電線電纜絕緣護套、電子芯片用包裝材料等對抗靜電性能和抗電磁干擾性能的要求增多，市場對工程塑料的導(dǎo)電性需求越來越多。工程塑料本身具有良好的電氣絕緣性能，但并不具有導(dǎo)電性能。因此，為實現(xiàn)工程塑料的導(dǎo)電性，必須在體系中添加導(dǎo)電性添加劑。
具導(dǎo)電性的電子芯片承載支架
導(dǎo)電性添加劑包括無機物、金屬及其氧化物、有機類化合物。導(dǎo)電的無機物或金屬及其氧化物主要包括導(dǎo)電碳黑、導(dǎo)電氧化鋅、鋁粉、導(dǎo)電碳纖維、金屬纖維等，它們通過在樹脂基體中有效分散，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而消除了靜電，導(dǎo)通了電荷。有機類化合物主要是一些含親水基團（如羥基、羧酸基）或離子基團的有機化合物，如脂肪酸多元醇酯、烷基胺環(huán)氧乙烷加成物、烷基季銨鹽、磺酸鹽等。由于有機類化合物對表面電阻數(shù)值降低得較小，一般為109~1012Ω，且主要通過析出到制品的表面，其親水端吸濕電離或自身電離，衰減制品表面電荷，達到消除靜電的作用，故一般把這類化合物稱為抗靜電劑。
在電子電器用工程塑料中，由于它們的加工溫度高，其分子結(jié)構(gòu)不利于有機類化合物的遷移，因此抗靜電劑沒有導(dǎo)電的無機物或金屬氧化物用得普遍，只是在對制品的顏色和外觀要求比較苛刻時才選用，而且需要使用耐溫性好的較低分子量的抗靜電劑，以在短時間內(nèi)發(fā)揮效果。對于一些諸如PC、PMMA的透明工程塑料，則宜選用外涂型抗靜電劑（不影響透光性），由于不存在析出問題，可以直接發(fā)揮效能。
在添加導(dǎo)電的無機物或金屬氧化物時，由于電子電氣設(shè)備上對于靜電消除的水平要求較低，只要獲得108~1012Ω的表面電阻即可，因此，添加較少量的導(dǎo)電劑就能滿足要求。而對于一些電磁屏蔽的場合，或者電子元件包裝用的材料，由于要求表面電阻在106Ω以下，相應(yīng)的添加量就較大。例如，在添加導(dǎo)電碳黑時，只有加入量在不少于10%的情況下，材料的表面電阻值才能達到106Ω以下。
在導(dǎo)電助劑的選用中，只有對其結(jié)構(gòu)特點認真考慮，才能實現(xiàn)在獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性能的同時，避免其它性能發(fā)生大幅度的降低。以導(dǎo)電碳黑為例，其結(jié)構(gòu)度和比表面是它的兩個重要指標(biāo)。一般來說，導(dǎo)電碳黑的結(jié)構(gòu)度越高，在分散過程中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的幾率就越大，其添加量就越小。而比表面越大，則意味著導(dǎo)電性能越好，但同時導(dǎo)致分散性越差。導(dǎo)電碳黑若分散得不好，則會抵消導(dǎo)電性能的提高，反而會出現(xiàn)比表面大的導(dǎo)電性不如比表面小的情況。為了改善導(dǎo)電碳黑的分散狀況，可以同時添加分散劑來解決。
導(dǎo)電碳黑的這種導(dǎo)電性能的差異與其結(jié)構(gòu)選擇和加工分散狀態(tài)的相關(guān)性，向我們揭示了助劑性能的發(fā)揮與加工分散效果之間的密切聯(lián)系。因此不能只考慮助劑本身的特性，還需結(jié)合加工工藝進行助劑的配方篩選和調(diào)整。
安全與環(huán)保性
阻燃劑作為滿足電子電氣領(lǐng)域?qū)τ诎踩砸?guī)定所必不可少的一種助劑，在該領(lǐng)域的產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。
隨著歐盟制定的廢棄電子電氣設(shè)備環(huán)境指令（WEEE）和電子電氣設(shè)備中危害物質(zhì)禁用指令（RoHS）的出臺，以及各跨國公司（如Sony、philIps、Microsoft等）在相關(guān)領(lǐng)域出臺的對環(huán)境影響物質(zhì)的限制規(guī)定的逐步實施，對于電子電氣行業(yè)用工程塑料產(chǎn)品選用助劑的要求變得更加苛刻。事實上，上述規(guī)定重點限制了工程塑料產(chǎn)品體系中幾類大宗添加劑——阻燃劑、增強劑、填充劑的品種和成分。無機助阻燃劑、增強玻璃纖維和無機填充劑由于來源于天然礦物，在原材料的來源和加工過程中，若不嚴(yán)格控制，很容易造成重金屬超標(biāo)。例如，工程塑料中使用的三氧化二銻的純度一般在99.5%以上，但其中仍含有鉛、鎘、砷等物質(zhì)。而玻纖除原材料中的一些雜質(zhì)外，在加工過程中由于使用助劑不當(dāng)還會引入砷等元素。在涉及環(huán)保的相關(guān)法規(guī)中，由于會產(chǎn)生致癌物質(zhì)，多溴聯(lián)苯醚（PBDE）和多溴聯(lián)苯（PBB）類阻燃劑作為限制物質(zhì)一直是環(huán)保部門的控制焦點。
如何在保證安全性的同時，還能滿足環(huán)保性的要求，這是我們必須認真考慮和對待的問題。對于阻燃劑的限制最直接的解決方法就是選用其它非受限制的阻燃劑體系來取代受控產(chǎn)品。關(guān)于這方面，可以參見前文所述（見“高電性能”）的有關(guān)阻燃劑的正確選擇。這里特別強調(diào)兩點，一是在為同時滿足環(huán)保性和高性能的要求而采用聚合型阻燃劑時，一定要關(guān)注其對加工性能的影響；二是在電子類產(chǎn)品的一些不能使用含鹵素和紅磷類阻燃劑的領(lǐng)域，要對阻燃劑進行認真篩選，以避免其在耐溫性和吸濕性上的弊病（會影響阻燃效能的發(fā)揮），同時為了利于分散，需考慮分散助劑的協(xié)同使用。
提高長期耐溫性能
在汽車和機械領(lǐng)域，某些塑料部件需在高溫條件下工作，例如，采用尼龍66增強產(chǎn)品生產(chǎn)的汽車發(fā)動機罩蓋、汽車水箱等塑料件的長期工作溫度為-40℃~130℃，故對材料的耐溫性能要求比較高。這與電子電氣領(lǐng)域要求的短時耐高溫性能有所不同，它要求工程塑料在一定高的溫度下能長期保持相當(dāng)?shù)臋C械強度和性能。
要想提高工程塑料的長期耐溫性，首先可以篩選出適合的防老化助劑，以提高材料體系自身的耐熱穩(wěn)定性。耐溫性防老化助劑主要是指抗氧劑，抗氧劑一般分為主抗氧劑和輔助抗氧劑。主抗氧劑主要是指受阻酚類和仲芳胺類化合物，它們可消除高聚物中的過氧化自由基。而輔助抗氧劑主要是指亞磷酸酯類化合物和硫酯（醚）類化合物，它們可通過分解過氧化氫來發(fā)揮抗熱氧化作用。此外，抗氧劑還包含一些金屬鈍化劑，可鈍化促進高聚物鏈段降解的金屬離子的活性。在防老化助劑中，往往將主抗氧劑和輔助抗氧劑同時使用，以發(fā)揮協(xié)同效果。在汽車用工程塑料產(chǎn)品中，尼龍及其改性產(chǎn)品較多，一般為滿足使用中的耐溫性要求，通常使用含酰胺基團的受阻酚型抗氧劑1098與168配合使用，它們不僅與尼龍的相容性很好，而且可為尼龍制品提供較常規(guī)受阻酚（如在相同添加量下的抗氧劑1010）更為高效的長期熱氧化穩(wěn)定性。在長期接觸含水的介質(zhì)條件下，其抗氧體系可選用高溫耐水解型的9228型抗氧劑與1098配合使用，可有效提供長期耐濕熱穩(wěn)定性。而對于汽車電子控制器件使用的熱塑性聚酯塑料（PBT、PET），則一般情況下使用高添加量的168配合1010，或者選用高效的亞磷酸酯類的626配合1010，以防止材料長期使用下發(fā)生黃變。
其次，對于結(jié)晶型聚合物，也可通過添加成核劑的方式來提高其長期耐溫性。如上文所述（見“耐溫性”），添加成核劑可提高制品的結(jié)晶速度和結(jié)晶程度，提高制品的熱性能、力學(xué)性能。此外，添加成核劑后，對于材料本體分子鏈缺陷的降低極為有益，特別是由于結(jié)晶程度的提高，使制品表面結(jié)構(gòu)更易于致密性排列，進而使分子鏈段的薄弱環(huán)節(jié)在表面的發(fā)生幾率相對降低，這樣就有效延緩了制件表面在長期熱氧老化作用下的劣化，特別是在濕熱條件下的劣化進程，從而達到提高制品長期熱穩(wěn)定性的目的。
第三，合理選用相容劑，通過提高材料內(nèi)部界面的強度來提高材料整體的長期耐溫性能。如在玻纖增強阻燃體系中添加有大量的有機和無機添加劑，由于它們與基體樹脂的相容性較差，造成兩者之間存在薄弱界面，而熱氧老化和濕熱氧老化恰恰最容易發(fā)生在該界面處。因此，提升和改善體系的界面性能，不僅有利于材料整體力學(xué)性能的提高，而且可緩解基體的老化進度。
北京市化工研究院根據(jù)以上原則設(shè)計出了用于長期使用溫度在130℃（即RTI= 130℃，RTI是衡量材料長期暴露于高溫時能夠保持某種特定性能的能力指標(biāo)，是對材料耐長期熱老化性能的評價）的阻燃增強型PBT產(chǎn)品，其典型數(shù)據(jù)見表 3。
超韌性材料
在汽車產(chǎn)品中，對于工程塑料的韌性有一些特殊的要求。例如，特種汽車防彈輪胎的增強內(nèi)骨架及制冷系統(tǒng)軟管的護套等，需要材料具有較高的沖擊強度，特別是低溫沖擊強度。
為提高工程塑料產(chǎn)品的韌性，可添加一定量的增韌劑（沖擊改性劑）。增韌劑中最常見的是一些彈性體，如EPDM、SBS、POE、LDPE等。由于工程塑料樹脂基體與這些彈性體相容性不佳，單獨使用增韌效果不好。而添加一些諸如EBA、EMA、MBS、共聚酯等功能性彈性聚合物，由于其結(jié)構(gòu)中引進了與基體樹脂類似的基團，從而提高了界面的相容性，利于其在體系中的分散，增韌效果明顯。特別是由于它們的結(jié)構(gòu)相似，發(fā)生了一定的分子間內(nèi)潤滑作用，同時使產(chǎn)品的加工流動性也得以改善。
用超韌尼龍制作的地礦探測設(shè)備用超聲波探頭
一般來說，在一些對韌性要求不太高的場合使用上述功能性彈性聚合物，其性價比較高。而對于一些韌性要求較高的領(lǐng)域，工程塑料的增韌改性一般采用反應(yīng)型彈性聚合物，如接枝POE、接枝PE、聚烯烴共聚反應(yīng)活性單體等，通過它們所帶的反應(yīng)官能團與基礎(chǔ)樹脂反應(yīng)，提高增韌劑的相容性和分散性（按橡膠體增韌機理，提高彈性體的分散性，可降低臨界基體層厚度，從而利于韌性提高），以實現(xiàn)在提高韌性的同時，盡量減輕對材料其它性能的影響程度。在這些反應(yīng)型彈性聚合物中，按其反應(yīng)官能團單體的類型可分為兩類，一類是帶酸酐類官能團的單體 （如馬來酸酐）與彈性體的接枝物或共聚物，另一類是帶環(huán)氧官能團的單體（如GMA）與彈性體的共聚物或接枝物。
馬來酸酐接枝/共聚彈性體作為一種反應(yīng)型相容劑和增韌劑，通過馬來酸酐與高聚物鏈段端胺基、端羥基反應(yīng)，形成化學(xué)偶聯(lián)，從而提高了彈性體與高聚物界面的相容性，改善了產(chǎn)品的韌性。一般對尼龍產(chǎn)品的增韌選用此類增韌劑更多些。目前，國內(nèi)只能提供通過反應(yīng)擠出生產(chǎn)的接枝類產(chǎn)品，如接枝POE、接枝PE等，還不能提供采用共聚法生產(chǎn)的增韌劑，如美國Dupont公司的493D。相對而言，共聚產(chǎn)品在性能穩(wěn)定性上要優(yōu)于接枝產(chǎn)品。
GMA共聚/接枝彈性體則是利用環(huán)氧官能團與高聚物的羧基、端胺基等反應(yīng)，提高增韌劑與基體樹脂的相容性，實現(xiàn)均勻分散和增韌作用。目前，市場上常見的主要是共聚官能團的產(chǎn)品，如美國Dupont公司的PTW，國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品推出。而接枝類產(chǎn)品由于環(huán)氧基團的反應(yīng)活性大，不好控制，故較少有此類產(chǎn)品出售。GMA共聚彈性體增韌劑一般用于聚酯類產(chǎn)品的增韌。表4為北京市化工研究院超韌PA6產(chǎn)品的典型數(shù)據(jù)。
結(jié)語
綜上所述，工程塑料制品開發(fā)人員在選用應(yīng)用于工程塑料中的功能助劑時，必須首先滿足工程塑料制品使用場合的具體要求，然后在此基礎(chǔ)上再結(jié)合助劑的特性進行選擇和使用，這樣才能減少彎路，并正確發(fā)揮助劑的功效。同時應(yīng)選擇最適用的產(chǎn)品，盡量降低成本。
