化合, 添加劑, 混合原理 (24, 25)

5. 化學品和添加劑 (Chemicals and Additives)

5.1. 簡介
本節，第一個概念是解釋添加劑混合到塑膠材料中，第二部分，則是說明如何使用添加劑來提升塑膠材料的特性和改善塑膠材料製品的品質。
化合(Compounding)是混合各種添加劑到基本塑膠材料中的過程。許多塑膠材料，在天然後聚合(post-polymerized)的狀況下，是無法被加工的。後聚合(post-polymerized)塑膠是一種原材料，他們必須先加強後，再加工。如果塑膠材料未加製程添加劑(process additives)，在處理過程中會被分解，而產生無用的產出。早期化合技術的重點，是加入添加劑，使在製造過程中的材料更安定。現今，在所有塑膠材料產品應用中，化合添加劑，在特性的改善上，更好的技術優勢提供上，及塑膠原料的性能加強上，扮演很重要的角色。
創造性的使用添加劑，對塑膠材料新用途的發展，有很大的幫助。有數以千計的添加劑；每一種添加劑，可歸類為16 種不同的類別；其中，用以改善加工製程的添加劑，被稱為製程添加劑(process additives)。製程添加劑(process additives)，在不被分解的狀況下，可改善材料的特性，包括被熔化(melted)，成型(molded)，定形(shaped)，和被壓縮(compressed)。如果添加劑用於提供產品的安定性，則被稱為功能性添加劑(functional additive)。功能添加劑(functional additive)，可藉由改善化學、物理和環境等材料的性能，來提升塑膠產品的壽命。近年來，由於功能添加劑(functional additive) 的發展，塑膠材料被更廣泛的使用。但是，對於塑膠產品，塑膠材料只能使用製程添加劑(process additives)和功能添加劑(functional additive)。

5.2. 化合物 (Compounding)
化合過程可透過混合原理來了解。混合原理，可透過產物的均勻質量，均勻的組成和其結構來說明。有三個基本的混合原理，是必須考慮的。第一，表面積，要讓更多的材料分子間，能相互接觸。在化合過程中，添加劑可借助下述的方式，熔化於塑膠(melting)中，方式包括捏合(kneading)、塗抹(smearing)、折疊(folding)、伸展(stretching)、擦拭(wiping)、壓縮(compressing)、和剪切(shearing)等。第二，在化合過程中，剪切率（shear rate）和混合力(mixing force)必須是均勻一致的。所有塑膠材料的各個部分，都必須遵循同樣的方式，對剪切(shear)和熱（heat），經歷相同的歷程。第三，添加劑必須均勻的分佈在整個混合物中，達到一致且均勻的混合程度。化合是依據下述的方式完成，首先，在流動方向上，以適當的角度，將添加劑剪切（shearing）入塑膠熔化物中，接著，控制其傳輸速率或剪切率，再借助改變混合裝置中，固定(stationary)單元和/或轉動（rotating）單元之間的差距(gap)，去完成化合。

5.2.1. 化合問題 (Compounding Problems)
用添加劑混合塑膠時，有四個混合物(compounder) 的問題是必須先解決。第一個問題是，將無機添加劑（inorganic additives）混合到有機塑膠（organic plastics）中，如玻璃纖維，此塑膠會自動排斥無機玻璃填充料（inorganic glass fillers），在混合時，會分別形成塊狀玻璃和團狀塑膠；有機和無機物質之間自然排斥的問題，可藉由控制混合加工和使用適當的化學連結劑（coupling agents）來克服。連結劑（Coupling agents）是由兩種互相依附的化學成分所組成；一種是容易塗層並弄濕該塑膠表層，而另一種為塗層在玻璃纖維上。連結劑（Coupling agents）是在混合前，針對特定的塑膠材料，及塗層在玻璃表面上。

第二個問題是，塑膠分子在加熱時，分子趨向斷裂。許多塑膠原料是剪切敏感的。如加上熱和高壓的影響，塑膠分子的加強混合，會加速剪切敏感的塑膠分子斷裂。這個問題可藉由混合器的幾何設計，部分克服，而不需要加強混合。尼龍(nylon)和聚碳酸酯(polycarbonate)都屬於剪切敏感的塑膠原料，需要特殊技術去混合。

第三個問題是，塑膠原料的複雜流體行為；水，是可以在任何速度、不改變水的黏性情況下，達成混合；但是，塑膠是不可以的。黏性(viscosity)，是指液體抵抗流動的量測數值。濃度高的液體具有較高的黏性，濃度低的，則黏性也較低。水的黏性，是不會改變的。水分子具有一致的濃稠度，相較之下，塑膠分子的糾纏結構所形成的尺寸大小，就隨機許多；換言之，塑膠分子抵抗流動的能力就較強。在熔融塑膠中，熱傳導是非常困難的。為了熔化塑膠，混合過程中，必須將大的塑膠分子拉開，同時，加入添加劑與其混合。如果剪切動作太高或太快，則分子會斷裂、分解。
此外，當混合動作增加時，塑膠的粘度會減少。隨著混合的增加，塑膠分子將會解開，且更加分散，此將分子間產生更多空間，來讓分子移動。增加分子間的距離，將減少分子間的凡得瓦力（Van der Waal's force），進而使分子滑動（slip）和融化。從混合過程中所產生的熱，將有助於加速此一加工。當塑膠熔化時，熱能必須維持這熔融的動作，而造成溫度流失。然而，如果過程中，混合動作太快，長塑膠分子將沒有足夠的時間產生空間，長塑膠分子本身將被打斷並分解。此外，剪切行動也會破壞低粘度分子。剪切和混合過程，必須依據塑膠粘度變化的關係，去控制和改變。

第四個問題是，由於一些添加劑的物理性質和在混合過程中，添加劑不易於均勻地分散；具有不同大小尺寸與鋒利邊緣或粗糙表面的添加劑，其會干擾分子間的滑動，進而增加塑膠熔體的粘度。如果添加劑沒有均勻的被混合，載體與載體間的一致性是很難達成的。

這些問題，將描述如下：
_ 就所用的塑膠材料和添加劑，選擇正確的化合程序
_ 在化合之前，控制添加劑和塑膠材料的乾攪拌(dry mixing)
_ 制定濃縮母粒，將其與基本塑材一起乾攪拌
_ 最後，控制混合物（compounder）的攪拌壓力和剪切應力