高分子材料加工成型技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展研究

袁英

摘 要：高分子材料在工業(yè)領(lǐng)域有諸多應(yīng)用，高分子材料成型技術(shù)也得到諸多關(guān)注和研究。本文從高分子材料的定義和分類出發(fā)，分析了高分子材料的基本性能、成型性能及其加工中的結(jié)構(gòu)變化等，并探討了現(xiàn)階段高分子材料加工成型技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：高分子材料;加工成型技術(shù);創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：TQ320.66文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）25-0039-03

Abstract： Polymer materials have many applications in the industrial field， and polymer material molding technology has also received a lot of attention and research. Starting from the definition and classification of polymer materials， this paper analyzed the basic properties， molding properties and structural changes during processing of polymer materials， and discussed the innovation and development direction of polymer materials processing and molding technology at this stage.

Keywords： polymer materials;processing technology;innovation

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高分子材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，高分子成型加工技術(shù)對(duì)高分子材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓展功不可沒。鑒于高分子材料在我國工業(yè)領(lǐng)域的重要地位，人們應(yīng)對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究和分析，推進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展。

1 高分子材料的基本性能、成型性能及其加工中的結(jié)構(gòu)變化

1.1 基本性能

高分子材料的基本性能包括力學(xué)性能、電性能、熱性能、滲透性能、光學(xué)性能和化學(xué)性能等。

力學(xué)性能是高分子材料最常用的屬性，高分子材料的力學(xué)性能包括比強(qiáng)度、彈性模量、黏彈性、耐磨性、相對(duì)分子質(zhì)量依賴性等[1]。這些性能又可以通過拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、摩擦與磨耗、邵氏硬度、洛氏硬度等進(jìn)行表征。

聚合物的電性能往往是指將聚合物放置在外加電壓或電場(chǎng)下表現(xiàn)出的性能，具體可以通過電傳導(dǎo)性能、介電性能、靜電現(xiàn)象、駐極體和熱釋電流等進(jìn)行表征。

通常，高分子材料都是聚合物，是熱的不良導(dǎo)體，其熱性能可以用導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、線膨脹系數(shù)、熔融（化）熱、比熱容、熱變形溫度、維卡軟化溫度等進(jìn)行表征。

聚合物的滲透性能包括透氣性能和透濕性能兩種，制成薄膜的聚合物可以用氣體透過系數(shù)和水蒸氣透過系數(shù)表征。

聚合物的光學(xué)性質(zhì)可以通過折射、投射等相關(guān)指標(biāo)來表征。聚合物的化學(xué)性能可以按照老化性能、燃燒性能等來表征。由于大多數(shù)聚合物是可燃的，為了提高聚合物的安全性，人們會(huì)在加工過程中添加阻燃劑、無機(jī)填料等來降低其可燃性。

1.2 成型性能

聚合物在不同物理狀態(tài)下的性能差異往往很大，因此首先要對(duì)聚合物的熔融性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。非晶體高分子聚合物存在玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)，而晶體高分子聚合物可能僅存在結(jié)晶態(tài)和黏流態(tài)兩種狀態(tài)。其中，玻璃態(tài)、高彈態(tài)和結(jié)晶態(tài)是聚合物使用時(shí)的狀態(tài)，而黏流態(tài)往往是聚合物加工時(shí)的狀態(tài)，但也有一些情況聚合物的成型方法是在高彈態(tài)完成的。由于聚合物主要是在黏流態(tài)進(jìn)行加工成型的，聚合物的熔融方法就十分重要。聚合物的熔融方法主要有5種，即無熔體移走的傳導(dǎo)熔融，有強(qiáng)制熔體移走的傳導(dǎo)熔融，耗散混合熔融，利用電、化學(xué)或其他能源的耗散熔融，壓縮熔融。

由于大多數(shù)聚合物成型是先將其加工成熔體，然后使其在流道和模具中流動(dòng)、變形、冷卻固定，因此高分子聚合物的流變性也十分重要。影響聚合物流變行為的因素主要有溫度對(duì)剪切黏度的影響、壓力對(duì)剪切黏度的影響、黏度對(duì)剪切應(yīng)力（或剪切速率）的依賴性、黏度隨時(shí)間的變化、聚合物分子結(jié)構(gòu)對(duì)黏度的影響以及添加劑對(duì)聚合物黏度的影響。另外，還需要注意聚合物流體的彈性，尤其要要注意韋森堡效應(yīng)、入口效應(yīng)、出模膨脹、不穩(wěn)定流動(dòng)和熔體破裂現(xiàn)象。關(guān)于高分子聚合物的可加工性，還需要通過材料的可擠壓性、可模塑性、可紡性、可延性以及聚合物的聚集態(tài)與加工方法等進(jìn)行探討。

1.3 加工中的結(jié)構(gòu)變化

聚合物加工過程中會(huì)發(fā)生一系列結(jié)構(gòu)變化，主要有取向、結(jié)晶、降解和交聯(lián)等。

取向過程是鏈段運(yùn)動(dòng)的過程，可以分為流動(dòng)取向和拉伸取向兩種。影響聚合物取向的因素有很多，主要包括溫度、拉伸比和拉伸速率、聚合物的結(jié)構(gòu)、添加劑以及模具。取向會(huì)使聚合物具有各向異性，具體表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長率等沿取方向的性能大幅提升，相應(yīng)的垂直方向的性能則會(huì)減弱。對(duì)于結(jié)晶聚合物，取向也有助于改善制成品的透明度。

結(jié)晶聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)與結(jié)晶度、結(jié)晶體的形態(tài)和織態(tài)等有關(guān)，而結(jié)晶過程中的變化又與成型控制條件有關(guān)，如溫度、應(yīng)力、成核劑等，其中成核劑發(fā)揮異相成核效用。結(jié)晶聚合物中分子鏈的收縮聚集使得聚合物密度增加，彈性模量、硬度、屈服強(qiáng)度等也隨結(jié)晶度的增加而增加。另外，結(jié)晶度還影響著折射率、透明度、耐溶劑性能、材料的熱性能、化學(xué)反應(yīng)活性和模量等。

聚合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其基本形式有兩種，分別為接枝和交聯(lián)。其中，接枝主要通過共聚將帶功能的基團(tuán)或支鏈連接到大分子主鏈上，而交聯(lián)是線形大分子鏈之間形成新化學(xué)鍵，形成三維網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。接枝和交聯(lián)會(huì)使共聚物的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，相關(guān)產(chǎn)品也用于諸多領(lǐng)域。聚乙烯等通過輻射交聯(lián)形成熱收縮材料等。

當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)追求綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展，在考慮加工和使用高分子材料時(shí)，要考慮材料的降解問題。降解是聚合物聚合度變小的化學(xué)反應(yīng)。通常，降解可以發(fā)生在成型過程中，也可以發(fā)生在成型之后。前者的降解條件往往更強(qiáng)烈，而后者則由于發(fā)生條件限制而發(fā)生緩慢，成型之后的降解也稱為老化。降解形式主要有熱降解、氧化降解、力降解、水解、輻射降解等。而防止降解的措施主要有加入穩(wěn)定劑、避光、使用合適的工藝和模具、使用一定標(biāo)準(zhǔn)的原材料等。

2 高分子材料成型的幾種方法

現(xiàn)代高分子材料成型方法主要有擠出成型、注塑成型、壓延成型、發(fā)泡成型、其他成型等[1-2]。

2.1 擠出成型

擠壓模塑即是擠塑，擠出成型過程往往由加料系統(tǒng)、擠壓系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、機(jī)頭和口模等配合完成。在擠出成型過程中，聚合物將經(jīng)歷固體、彈性體、黏流體最后變回固體的變化過程。擠出成型常用的機(jī)器有單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)兩種。使用擠出成型工藝制作的產(chǎn)品主要有塑料管材、塑料薄膜、塑料板片材、電線電纜、塑料單絲等。但是，傳統(tǒng)擠出成型工藝功耗高，污染大，已經(jīng)不適應(yīng)中國綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，因此，擠出成型工藝也有了新的調(diào)整和改進(jìn)。

擠出成型的新技術(shù)主要有反應(yīng)擠出、固態(tài)擠出、振動(dòng)擠出、微納層共擠出這四種。反應(yīng)擠出是指在合成過程中進(jìn)行加工，反應(yīng)器與擠出機(jī)合為一體，這種方式減少了高分子材料的中間環(huán)節(jié)，可以極大地降低能耗。固態(tài)擠出將坯料加工至低于熔點(diǎn)、高于晶體松弛轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)間，然后通過擠壓將坯料加工成型，該工藝同樣可以降低擠壓成型的能耗。振動(dòng)擠壓在擠壓過程中引入了振動(dòng)力場(chǎng)，通過改變壓力、溫度和功率實(shí)現(xiàn)擠出。微納層共擠出是針對(duì)微納層疊復(fù)合材料的一種擠出技術(shù)，微納層疊復(fù)合材料主要是通過將不同性能的高分子材料共擠出后形成的。

2.2 注塑成型

注塑成型是指將以粒料為主的塑料通過注塑機(jī)、注塑模具注塑加工成型。由于注塑成型比較多見，這里僅對(duì)注塑成型新技術(shù)進(jìn)行介紹。注射成型新技術(shù)主要有氣體輔助注塑成型、可溶芯注塑成型、共注塑成型、反應(yīng)注塑成型四種。氣體輔助注塑成型不僅使用了注塑成型工藝，還使用了發(fā)泡成型工藝，在降低了模具型腔內(nèi)熔體的壓力的同時(shí)，提高了材料的光滑度，避免了材料發(fā)泡產(chǎn)生的不良影響。氣體輔助注塑成型有四種成型方法，分別為標(biāo)準(zhǔn)成型法、副腔成型法、熔體回流法、活動(dòng)型芯法。可熔芯注塑成型主要針對(duì)管型件，通過預(yù)先制造型芯，利用型芯包覆注塑成型，然后將型芯熔化排出。共注塑成型用于生產(chǎn)多種塑料的復(fù)合塑件，相關(guān)成型方法很多，但使用較多的主要是雙色注塑成型、雙層注塑成型、夾芯注塑成型三種。反應(yīng)注塑成型與反應(yīng)擠出成型類似，都是將合成與加工成型合二為一的成型方法。反應(yīng)注塑成型直接采用液態(tài)單體和添加劑做原料，通過調(diào)整化學(xué)組分調(diào)整產(chǎn)品性能，省去了聚合、配料和塑化等操作，極大地提高了注塑成型的效率。

2.3 壓延成型

顧名思義，壓延成型就是借助壓力對(duì)聚合物進(jìn)行加工，通常是通過輥筒施加剪切力配合一定溫度使材料受到擠壓和延展，并最終制成薄膜或薄片，壓延成型示意圖如圖1所示。該法生產(chǎn)出的制成品一般厚度保持在0.05～0.30 mm，厚度大于0.3 mm的片材使用的則是擠壓法。壓延成型技術(shù)的改進(jìn)主要表現(xiàn)在壓延設(shè)備方面，如將傳統(tǒng)壓延機(jī)改造為異徑輥筒壓延機(jī)，在壓延機(jī)后增加擴(kuò)幅機(jī)（使中小型壓延機(jī)可以生產(chǎn)較寬幅度的產(chǎn)品）。為了提高規(guī)模效應(yīng)，減少人工成本，現(xiàn)代壓延機(jī)越來越趨于大型化、自動(dòng)化和高速化。另外，也有部分壓延機(jī)對(duì)冷卻裝置進(jìn)行了改進(jìn)，極大地減少了高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輥筒和材料中的空氣。

2.4 發(fā)泡成型

發(fā)泡成型主要生產(chǎn)的是以發(fā)泡塑料等為主的內(nèi)部有無數(shù)微孔性氣體的塑料。泡沫塑料的傳統(tǒng)發(fā)泡方法主要有機(jī)械發(fā)泡法、物理發(fā)泡法、化學(xué)發(fā)泡法三種，另外還有超臨界二氧化碳發(fā)泡和高壓釜發(fā)泡。超臨界二氧化碳發(fā)泡是指超臨界二氧化碳的聚合物飽和溶液在某溫度下恒溫迅速降壓，使得混合溶液快速過飽和并生成晶核，這些晶核生長成型后最終形成具有蜂窩狀的孔材料。高壓釜發(fā)泡則將聚合物片材在一定壓力和溫度下置于氣體（如氮?dú)猓┲凶銐蜷L的時(shí)間，當(dāng)氣體在材料中飽和后通過快速泄壓進(jìn)行發(fā)泡成型。

2.5 其他成型

其他成型方法有二次成型、熱固性塑料的成型、鑄塑成型、冷壓燒結(jié)成型、3D打印等。二次成型主要是將經(jīng)過一次加工的型材在高彈態(tài)下進(jìn)行二次加工的技術(shù)，中空吹塑、熱成型都屬于二次成型的范疇。熱固性塑料在交聯(lián)環(huán)節(jié)與熱塑性塑料有本質(zhì)的差異，由于熱固性塑料無法再通過加熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，其成型技術(shù)也就有了明顯變化。熱固性塑料的成型技術(shù)主要有壓制成型、注壓成型、擠出成型以及注射成型這幾種。鑄塑成型也稱澆鑄成型，主要方法有靜態(tài)澆鑄、嵌鑄、離心澆鑄、流延鑄塑、搪塑和蘸塑成型等。冷壓燒結(jié)成型主要經(jīng)過冷壓制坯、燒結(jié)和冷卻這幾個(gè)環(huán)節(jié)。3D打印是近年來快速興起的技術(shù)，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)有熔融沉積成型技術(shù)和三維噴涂粘接快速成型兩種。3D打印成型與3D打印的材料有關(guān)，現(xiàn)階段常用的材料主要是ABS樹脂和PLA樹脂兩種。

3 結(jié)語

高分子材料成型技術(shù)會(huì)根據(jù)聚合物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及用途等有不同的變化和調(diào)整，其技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展也會(huì)有所不同。不論高分子材料成型技術(shù)的形式如何變化，核心都是利用材料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，通過調(diào)整材料發(fā)生物理、化學(xué)變化的外部條件達(dá)到材料成型的目的。但實(shí)事求是地講，技術(shù)是制約3D打印技術(shù)從出現(xiàn)至今依然難以大規(guī)模普及的瓶頸，可見高分子材料成型技術(shù)的創(chuàng)新之難。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯慶新.高分子材料的加工成型技術(shù)研究[J].化工管理，2020（11）：109-110.

[2]王杰.淺談高分子材料成型加工技術(shù)以及應(yīng)用前景[J].科技風(fēng)，2020（5）：164.