塑料配方正交设计法 —— 多组分调整配方设计法的实际案例分析

摘要：某塑料注塑产品加工厂，主要生产用于电子产品外壳的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物（ABS）塑料制品。近期客户反馈产品存在表面硬度不足以及耐热性较差的问题，在高温环境下容易变形，影响产品的使用性能和外观。为解决这些问题，企业决定对塑料配方进行优化，通过添加玻

以下是一个运用塑料配方正交设计法 —— 多组分调整配方设计法的实际案例：

案例背景：

某塑料注塑产品加工厂，主要生产用于电子产品外壳的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物（ABS）塑料制品。近期客户反馈产品存在表面硬度不足以及耐热性较差的问题，在高温环境下容易变形，影响产品的使用性能和外观。为解决这些问题，企业决定对塑料配方进行优化，通过添加玻纤增强剂提高产品的硬度，同时添加耐热稳定剂来改善耐热性。已知玻纤增强剂的添加量初步考虑在 10% - 30%（重量百分比）之间，分三个水平：10%、20%、30%；耐热稳定剂的添加量在 2% - 6% 之间，也分三个水平：2%、4%、6%。由于产品批量大，希望快速且高效地找到最佳配方，决定采用正交设计法进行试验。

正交设计：

因素 A：玻纤增强剂添加量，水平分别为 A1 = 10%，A2 = 20%，A3 = 30%；

因素 B：耐热稳定剂添加量，水平分别为 B1 = 2%，B2 = 4%，B3 = 6%。

选择正交表：根据因素和水平的数量，选用 L9（34）三水平正交表，该表可安排 3 个因素，每个因素 3 个水平，共需进行 9 次试验，相较于常规的全面试验（3×3 = 9 次，这里因素少所以全面试验次数与正交试验次数相同，但实际多因素多水平时正交法优势明显）大大减少了试验次数。

按照正交表的安排进行 9 次试验，制备不同配方的 ABS 试样，并对试样进行性能测试。测试指标包括：

表面硬度：使用邵氏硬度计测量，单位为邵氏 D；

热变形温度：按照标准测试方法，在一定载荷下测定试样开始变形的温度，单位为℃。

假设试验结果如下表所示：

分析各因素对表面硬度的影响：

计算因素 A（玻纤增强剂添加量）不同水平下表面硬度的平均值：

A1 水平（10% 添加量）平均值：；

A2 水平（20% 添加量）平均值：；

A3 水平（30% 添加量）平均值：。

计算因素 B（耐热稳定剂添加量）不同水平下表面硬度的平均值：

B1 水平（2% 添加量）平均值：；

B2 水平（4% 添加量）平均值：；

B3 水平（6% 添加量）平均值：。

比较平均值可知，对于表面硬度，因素 A 的最佳水平是 A3（30% 玻纤增强剂添加量），因素 B 的最佳水平是 B3（6% 耐热稳定剂添加量）。

计算因素 A 不同水平间表面硬度指标值差：；因素 B 不同水平间表面硬度指标值差：。由此可见，因素 A 对表面硬度的影响更大。

分析各因素对热变形温度的影响：

计算因素 A（玻纤增强剂添加量）不同水平下热变形温度的平均值：

A1 水平（10% 添加量）平均值：；

A2 水平（20% weakend>% 添加量）平均值：；

A3 水平（30% 添加量）结果：。

计算因素 B（耐热稳定剂添加量）不同水平下热变形温度的平均值：

B1 水平（2% 添加量）平均值：；

B2 水平（4% 添加量）平均值：；

B3 水平（6% 添加量）平均值：。

比较平均值可知，对于热变形温度，因素 A 的最佳水平是 A3（30% 玻纤增强剂添加量），因素 B 的最佳水平是 B3（6% 耐热稳定剂添加量）。

计算因素 A 不同水平间热变形温度指标值差：；因素 B 不同水平间热变形温度指标值差：。由此可见，因素 A 对热变形温度的影响更大。

最佳配方确定：

综合考虑表面硬度和热变形温度两个指标，因素 A（玻纤增强剂添加量）和因素 B（耐热稳定剂添加量）的最佳水平组合均为 A3B3，即玻纤增强剂添加量为 30%，耐热稳定剂添加量为 6%。企业按照这个新配方进行小批量试生产，产品的表面硬度和耐热性都得到了显著提升，满足了客户的要求，于是正式投入大规模生产。

通过这个案例可以看出，塑料配方正交设计法 —— 多组分调整配方设计法在处理多组分调整问题时，通过合理选择正交表、科学安排试验以及运用直观分析法对试验结果进行分析，能够在大幅减少试验次数的同时，快速找到满足产品多种性能优化需求的最佳配方，为企业提高生产效率、降低成本、提升产品质量提供了有力保障。