高分子材料的加工成型技術(shù)研究

劉士琦，周紅霞，王 玉，王 勃

（1.黑龍江省科學(xué)院 石油化學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱，150040；2.黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱150080）

前 言

我國經(jīng)濟近年來取得了舉世矚目的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，應(yīng)用了大量的高科技技術(shù)，其中高分子合成材料就是其中之一，其對推動我國制造業(yè)的高速發(fā)展具有不可替代的作用。高分子成型加工技術(shù)屬于高新技術(shù)之一，雖然在我國應(yīng)用的比較晚，但是發(fā)展的速度較快，取得了很好的效果，在我國各行業(yè)中都有普遍應(yīng)用，具有較高的價值。高分子成型加工技術(shù)涉及到很多學(xué)科的知識，其中包括物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等，現(xiàn)今需要進一步研究其原理和應(yīng)用，從而促進高分子材料加工成型技術(shù)的發(fā)展，為我經(jīng)濟發(fā)展提供支持。

1 高分子材料概述

1.1 高分子材料的定義及分類

聚合物成分是高分子材料的重要組成部分，而復(fù)合型材料就是由高分子較高的化合物制造的[1]。高分子材料具有很多特點，如結(jié)構(gòu)易改性和可塑性等，因此容易進行工業(yè)加工。較為常見的天然材料包括：纖維素、天然橡膠等。除了包括樹脂和塑料等材料外，還包括了新型的延伸類材料。該種材料在工業(yè)中應(yīng)用普遍，未來會朝著高強度和耐高溫的特點發(fā)展[2]。由于高分子材料加工成型技術(shù)的市場前景和應(yīng)用價值較高，在實際應(yīng)用中效果較好，因此需要加大對該材料的研究，進一步優(yōu)化材料的特性和應(yīng)用范圍，發(fā)揮其價值。

1.2 高分子材料成型加工技術(shù)的應(yīng)用

目前，我國的高分子材料成型加工技術(shù)屬于國際先進水平，在重要的領(lǐng)域應(yīng)用普遍，如：國防和航空等都開始應(yīng)用高分子合成材料，因此對高分子材料的要求也不斷提高[3]。目前，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，大眾既關(guān)心汽車的節(jié)能和環(huán)保性能，又注重汽車的速度和美觀性，隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，材料工業(yè)也取得了巨大的突破。為了可以節(jié)約汽車的制造成本，提升汽車的綜合性能，需要改進汽車制造的材料，應(yīng)用先進的高分子材料成型加工技術(shù)。目前的汽車生產(chǎn)工藝中很多部件的原材料都由金屬變?yōu)樗芰?，現(xiàn)今汽車生產(chǎn)中90%的零部件由磨具成型制造[4]。目前，高分子材料成型加工技術(shù)，朝著更加低成本和高效能的方向發(fā)展。很多領(lǐng)域?qū)τ谥瞥善返某叽绾唾|(zhì)量都有著更高的要求，追求輕便性能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來高科技對于人們的生活將起到更大的影響，因此也會給高分子加工材料成型技術(shù)提供更加廣闊的市場，促進其技術(shù)的優(yōu)化和發(fā)展，使我國的社會經(jīng)濟發(fā)展更上一層樓[5]。

2 高分子材料成型的主要方法

目前，在高分子材料成型加工過程中，包括很多種方法，現(xiàn)總結(jié)出以下幾種較為典型的方法，并對各種方法進行介紹。

2.1 注塑成型

利用高溫高壓技術(shù)將原材料液化或氣化注入到設(shè)備模具中的方法稱為注塑法，這種方法具有較高的溫度要求，要將溫度控制在合理的范圍內(nèi)，避免溫度過低，影響成型。但如果溫度較高，則破壞了材料的分子結(jié)構(gòu)。在操作過程中，要等材料完全流入到設(shè)備模具中，再進行增加壓力，提高材料的分子密度，保證產(chǎn)品可以按照要求塑形，且不易受外力的影響損壞[6]?，F(xiàn)今常用的加工手段之一就是注塑法，與其他方式相比，注塑法應(yīng)用較為簡單，可以極大地保證產(chǎn)品的整體效果，發(fā)揮產(chǎn)品的價值[7]。

2.2 擠出成型

較為常用的成型技術(shù)之一是擠壓法，也叫壓制成型技術(shù)。加工人員按照客戶對產(chǎn)品的相關(guān)要求進行操作，利用壓力設(shè)備對原材料進行壓縮，使其按照客戶需求改變形狀[8]。加工人員在應(yīng)用擠壓法時需要特別注意原材料的使用量，避免過多或過少，影響產(chǎn)品的塑造性[9]。擠壓法的加工過程是較為簡單的，其操作人員具有較快的工作效率。

2.3 塑料激光成型

該成型技術(shù)屬于新興技術(shù)之一，近年來在加工領(lǐng)域中應(yīng)用較多，激光成型技術(shù)是使高強度的激光垂直照射在塑形模板上[10]。但由于塑料模板對激光的吸收能力較弱，因此在應(yīng)用該技術(shù)時，需要技術(shù)人員在塑形模板先涂上吸熱涂料，然后開始進行塑料激光成型[11，12]。

2.4 吹塑成型

將材料融化成粘液狀態(tài)，并通過機械設(shè)備將空氣擠壓出去，然后通過吹風(fēng)機向材料中間的機口進行吹氣，使擠壓出去的粘液狀材料內(nèi)部發(fā)生變形或反應(yīng)。操作人員在使用吹塑法時需要依據(jù)產(chǎn)品的需求控制狀態(tài)和形狀，該方法對于操作人員的要求較高[13，14]。

2.5 激光燒結(jié)成型

該成型技術(shù)也是新興技術(shù)之一，其具有較好的市場發(fā)展?jié)摿?，是新型高分子材料成型加工技術(shù)，在實際操作中激光燒結(jié)成型技術(shù)需要CAD技術(shù)的輔助，對塑料進行加工，從而實現(xiàn)生產(chǎn)模具成本結(jié)算的高效性[15]?？傊?，該技術(shù)具有環(huán)境節(jié)能的特點，且可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，因此在零部件等領(lǐng)域應(yīng)用效果較好，是未來加工成型技術(shù)中具有較大發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

2.6 半結(jié)晶塑料激光成型

該技術(shù)主要原理是利用激光能量的吸收來使塑料表面發(fā)生形變。在具體的操作中，需要操作人員保證塑料表面溫度要低于材料結(jié)晶溶解的溫度，從而發(fā)揮塑料性能。同時，塑料的拉伸應(yīng)力和彎曲強度需要低于60℃才能發(fā)生變形，因此，半結(jié)晶塑料激光成型技術(shù)對于溫度的要求較高，需要操作人員將溫度控制在較小的范圍[16]。

2.7 壓延成型

該技術(shù)是生產(chǎn)高分子材料片材和薄膜的方法，其是將粘流溫度的物料通過平行輥筒的間隙，使物料受到擠壓出現(xiàn)延展的過程，從而成為固定尺寸的薄片狀產(chǎn)品。通過將熔融塑化的熱塑性塑料進入旋轉(zhuǎn)輥筒間隙，使塑料受到擠壓和拉伸后形成一定尺寸的連續(xù)片狀制品，最終進行冷卻定型[17]。

2.8 3D打印成型

隨著科技的發(fā)展，高分子材料3D打印技術(shù)也不斷地發(fā)展，由于高分子的材料種類較多，性能存在差異，熔融溫度較低等特點，使3D打印成型技術(shù)應(yīng)用越來越廣，越來越受到市場消費者的喜愛[18]。目前，成熟的高分子材料3D打印技術(shù)主要包括：疊層實體制造技術(shù)和光固化成型技術(shù)等。未來3D打印技術(shù)會朝著更加高精度、低成本的方向發(fā)展。

3 高分子材料的加工成型技術(shù)研究

3.1 信息存儲光盤盤基直接合成反應(yīng)成型技術(shù)

隨著高分子材料在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的高分子材料成型技術(shù)存在很多不足之處，在生產(chǎn)中存在環(huán)節(jié)較多和流程復(fù)雜的問題，從而影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)的周期，效果不顯著。目前，高分子材料成型需要充分利用信息儲存，降低技術(shù)相關(guān)資源的浪費，提高產(chǎn)品整個合成反應(yīng)過程中的動態(tài)控制，在提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量基礎(chǔ)上，做好相關(guān)能耗的分析[19]。

3.2 熱塑性彈性體動態(tài)全硫化技術(shù)

該技術(shù)目前應(yīng)用在很多行業(yè)領(lǐng)域，屬于應(yīng)用較多的高分子材料的加工成型技術(shù)之一，其主要是在混煉環(huán)節(jié)中的橡膠進行動態(tài)全硫化，對整個硫化反應(yīng)進行控制，應(yīng)用全硫化技術(shù)控制好混合加工找到混合物的相態(tài)。對高分子材料的熱塑性控制，可以應(yīng)用該技術(shù)與混煉技術(shù)相結(jié)合來完成，目前該技術(shù)具有專業(yè)知識產(chǎn)權(quán)，促進TPV技術(shù)的實現(xiàn)[20]。

3.3 聚合物材料新技術(shù)

高分子材料加工成型技術(shù)中聚合物材料屬于新技術(shù)，其主要針對功能進行重塑設(shè)計，找出無機顆粒特性，該技術(shù)具有操作簡單的特點，對設(shè)計工作環(huán)境要求比較高，需要在剪切力場下完成。應(yīng)用聚合物材料技術(shù)在未進行化學(xué)改性時，可以實現(xiàn)對無機離子表面的改造和合集，同時還可以實現(xiàn)原位包覆及強制分散，從而解決傳統(tǒng)技術(shù)的間斷性，使無機物及聚合物可以緊密連接，在工業(yè)生產(chǎn)中該技術(shù)對高分子材料的作用較為顯著，可以推動聚合物及無機物生產(chǎn)[21]。

3.4 聚合物動態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)

該技術(shù)在我國應(yīng)用較晚，屬于尚未成熟的技術(shù)之一，目前在工業(yè)生產(chǎn)上存在一些問題，需要加大對該技術(shù)的研究，我國隨著經(jīng)濟的發(fā)展在科研方面的投入也不斷加大，為技術(shù)研發(fā)提供了基礎(chǔ)保障，加之該技術(shù)在國外應(yīng)用較為廣泛，對于特定的產(chǎn)品具有較好的效果，因此該技術(shù)未來在我國工業(yè)制造領(lǐng)域前景較廣，對我國工業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響，但由于我國對于該技術(shù)運用仍存在一定問題，不能很好的控制其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，因此不能把控反應(yīng)物分子，同時聚合物在生產(chǎn)中會帶來一定的環(huán)境污染，目前也沒有解決這一問題，需要進一步深入研究[22]。

4結(jié)語

總之，我國工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域仍在不斷創(chuàng)新中，高分子材料作為新型材料其加工成型技術(shù)創(chuàng)新需要加大研究力度，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)不僅消耗大量的能源，且對環(huán)境也會造成一定的污染，因此我國進行高分子材料加工成型技術(shù)研究前景廣闊，只有創(chuàng)新高分子材料成型技術(shù)，才能解決當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中存在的問題，從而使高分子材料在各個領(lǐng)域中更好地應(yīng)用，推動我國科技水平的提高。