淺談高分子材料成型及其控制技術(shù)

雷玉臣 唐剛

摘 要：高分子材料是近年來應(yīng)用較為廣泛的，具有較高技術(shù)含量的新型材料，可以生產(chǎn)出各種各樣的產(chǎn)品。尤其是在國防、載人航天等高科技領(lǐng)域，高分子材料發(fā)揮了重要的作用，并取得了顯著的成果。在廣大科研工作者的共同努力下，高分子材料的成型和控制技術(shù)，獲得了飛速的發(fā)展。為此，文章針對(duì)高分子材料成型的原理、加工技術(shù)、成型控制以及高分子材料未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：高分子材料；材料成型；控制技術(shù)

1 高分子材料成型的原理

與普通的材料不同，高分子材料的物料運(yùn)輸與平衡、能量的傳遞與平衡都有其自身的特點(diǎn)。高分子材料的合成和制備，并非通過單個(gè)化工單元來實(shí)現(xiàn)，而是由幾個(gè)單元操作組成，在這些單元的共同作用下完成合成和制備的過程。在材料的聚合過程中，會(huì)面臨兩大問題，即傳熱和傳質(zhì)。對(duì)于傳統(tǒng)的聚合過程來說，通常利用溶劑以及緩慢反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。而聚合反應(yīng)則與之有著很大的不同，反應(yīng)較為迅速和激烈，物料溫度升高的速度非?？?，在短短的幾分鐘內(nèi)就可以達(dá)到400～800℃，因此在反應(yīng)中將產(chǎn)生較大的熱量，必須對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的脫除，從而避免在物料中發(fā)生降解和碳化現(xiàn)象。由此可見，傳統(tǒng)的加工過程和聚合反應(yīng)的加工過程存在著本質(zhì)的不同，聚合反應(yīng)需要利用設(shè)備將生成的熱量移去，而傳統(tǒng)的加工過程則需要利用設(shè)備對(duì)聚合物加熱。

2 高分子材料成型的加工技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)及設(shè)備

在高分子材料加工領(lǐng)域，國外的研究已經(jīng)取得了一定的成果，其設(shè)備和技術(shù)相對(duì)于國內(nèi)而言更為先進(jìn)。當(dāng)前國外研究出的混煉的十螺桿擠出機(jī)以及連續(xù)反應(yīng)，能夠有效解決其他擠出機(jī)作為反應(yīng)器所產(chǎn)生問題。與技術(shù)發(fā)達(dá)國家相比，我國的高分子材料成型技術(shù)還與其存在很大的差距，仍然處于起步階段，由此可知，我國的高分子材料的科研工作者任重而道遠(yuǎn)，還需不斷的努力，提高我國的技術(shù)，不斷縮短與發(fā)達(dá)國家的差距。在對(duì)傳熱以及化學(xué)反應(yīng)的過程控制等方面，傳統(tǒng)的加工設(shè)備具有一定的缺陷，而且需要較大的投資，產(chǎn)生較大的噪音等。傳統(tǒng)技術(shù)及設(shè)備與聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)技術(shù)及設(shè)備存在著本質(zhì)的不同，可以從其反應(yīng)原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析。在聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)中，其目的為對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程、反應(yīng)生產(chǎn)物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)制品的物理化學(xué)性能進(jìn)行控制，因此需要利用電磁場的作用，由其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)場，并引入聚合物反應(yīng)擠出的全過程。在高分子材料成型加工的過程中，熔融塑化及輸送貫穿于材料的擠出、注射和成型的過程之中，因此產(chǎn)生的能耗非常大。高分子材料成型所采用的設(shè)備具有傳統(tǒng)的設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢，如具有較高的可靠性、適應(yīng)性強(qiáng)、體積輕重量小，而且產(chǎn)生的噪音較低，有利于環(huán)境的保護(hù)。

2.2 動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工設(shè)備為基礎(chǔ)的新材料制備新技術(shù)

目前，我國科研工作者經(jīng)過長期的努力，研究出了新的材料制備技術(shù)，其基礎(chǔ)為動(dòng)態(tài)反應(yīng)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，標(biāo)志著我國在高分子材料加工領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)步。反應(yīng)成型技術(shù)直接作用于基礎(chǔ)原型之上，而該項(xiàng)技術(shù)選擇的基礎(chǔ)原型則為存儲(chǔ)光盤盤基。在傳統(tǒng)技術(shù)中，存在著很多不利因素，影響生產(chǎn)效率的提高，并對(duì)環(huán)境造成一定的污染。而改進(jìn)后的新技術(shù)，則精簡了過多的環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，降低復(fù)雜程度，減少了能源的損耗和對(duì)環(huán)境的污染。在這種新型的技術(shù)模式下，可以將制作光盤的工藝過程進(jìn)行串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的有效控制，避免資源浪費(fèi)，并能夠在很大程度上提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.3 聚合物/無機(jī)物復(fù)合材料物理場強(qiáng)化制備新技術(shù)

研究表明，對(duì)無粒子進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，可以得到一些好的效果，比如說利用聚合物進(jìn)行原位表面改性處理、原位包覆、強(qiáng)制分散等處理后，就可以使復(fù)合材料成型。

2.4 熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)全硫化制備技術(shù)

此技術(shù)將混煉引入到振動(dòng)力場擠出全過程，為實(shí)現(xiàn)混煉過程中橡膠相動(dòng)態(tài)全硫化，對(duì)硫化反直進(jìn)程進(jìn)行控制，從而使得共混加工過程共混物相態(tài)反轉(zhuǎn)問題得到了解決。實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)硫化技術(shù)與設(shè)備的研制開發(fā)，有力的促進(jìn)了我國TPV技術(shù)水平的提高。

3 高分子材料成型過程中的控制

為確保高分子材料產(chǎn)品的質(zhì)量，應(yīng)在其成型的過程中進(jìn)行嚴(yán)格的控制。通常來說，影響高分子材料成型的因素有很多，造成的影響也各不相同。在外場如復(fù)雜溫度和外力等的作用下，高分子聚合物形態(tài)結(jié)構(gòu)的演化形式各異，而高分子材料的形成是有一定的規(guī)律可循的，我們需要研究的課題就是從普遍現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)出相應(yīng)的規(guī)律，并將其運(yùn)用到生產(chǎn)和研究中去。此外，高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)在溫度和壓力等極端狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出一定的特點(diǎn)和規(guī)律，這也是成型過程控制的重點(diǎn)研究內(nèi)容。近年來，對(duì)于高分子材料成型控制的研究已經(jīng)獲得了一定的進(jìn)展，具備了相當(dāng)?shù)睦碚摮晒蛯?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，許多新型高效的高分子材料被研究和制造出來，并獲得了很高的經(jīng)濟(jì)效益。在材料的加工過程中，對(duì)于共混物的形態(tài)控制較為困難，其穩(wěn)定性也較差，這是由大部分的聚合物多相體系不相容的特性決定的。因此，為提高體系的相容性，通常采用加入第三組分的方式，從而便于對(duì)共混物形態(tài)的控制，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。在聚合物加工過程中，制品的性能和形態(tài)會(huì)受到很多因素的影響，而溫度則是其中影響最大的因素之一。對(duì)于不同的制品位置，溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律很難進(jìn)行掌握，并且該溫度場為非等溫場，因此十分不利于對(duì)于制品溫度的控制，針對(duì)性較差。

4 高分子材料的發(fā)展趨勢

4.1 高分子材料的高性能化

目前，高分子材料的各項(xiàng)性能已具有非常好的表現(xiàn)，以其強(qiáng)度和韌性為例，某些品種的強(qiáng)度和韌性甚至比鋼鐵還要好。即便如此，高分子材料所具有的潛力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)掘出來，理論上還具有廣闊的發(fā)展空間。而當(dāng)前高分子材料的發(fā)展方向，則在很大的程度上體現(xiàn)了其應(yīng)用的需要，即向著耐磨、抗老化、耐高溫的方向發(fā)展。提高高分子材料性能的主要方式有改善加工成形工藝、共混、復(fù)合等。

4.2 高分子材料的功能化

高功能化主要是指具有特定作用能力的高分子材料。這種特定作用能力，即“特定功能”是由于高分子上的基團(tuán)或分子結(jié)構(gòu)或兩者共同作用的結(jié)果。

4.3 高分子材科的生物化

生物化是高分子材料發(fā)展最快的一個(gè)方向。各種醫(yī)用高分子就屬于這一范疇。有人認(rèn)為，人腦除僅1.5kg重的大腦外，其他一切器官均可用高分子材料代替。目前，生物化學(xué)已成為高分子科學(xué)的一個(gè)最主要發(fā)展方向。

5 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，帶動(dòng)了高分子材料成型加工行業(yè)的迅速發(fā)展，雖然與發(fā)達(dá)國家在設(shè)備和技術(shù)方面仍然存在一定的差距，然而在廣大的研究人員和技術(shù)工作者的不懈努力下，我國的高分子技術(shù)正朝著具有中國特色的高科技產(chǎn)業(yè)方向邁進(jìn)。促進(jìn)科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)界的結(jié)合，加快成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的進(jìn)程，加快我國高分子材料成型加工高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是必由之路。

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