高分子材料成型加工技術(shù)探討

于吉鵬 趙國(guó)慶 王文娟 曲亮 張日

摘要：高分子材料成型加工技術(shù)可在原有材料基礎(chǔ)上，改進(jìn)材料性能和增加材料功能，提高人工合成對(duì)材料性能的可控性。傳統(tǒng)技術(shù)包括吹塑、擠出、壓制、激光等成型加工技術(shù)，新型技術(shù)包括聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)、熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)全硫化、信息存儲(chǔ)光盤盤基直接合成反應(yīng)等成型加工技術(shù)，新型技術(shù)在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，有效提高了材料性能，解決了傳統(tǒng)技術(shù)滯后的問題。通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，有效提高了加工技術(shù)的工藝水平，采用高精度注塑機(jī)、3D打印等機(jī)械化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高分子材料快速成型技術(shù)的新發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高分子材料成型加工技術(shù)聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)吸塑和擠出

Discussion on Molding Technology of Polymer Materials

YU JipengZHAO GuoqingWANG Wenjuan QU Liang ZHANG ri

（Shandong Huada Chemical New Material Co.， Ltd.， Yantai， Shandong? Province， 264000 China）

Abstract： Polymer material molding technology can improve material properties and increase material functions on the basis of original materials， and improve the controllability of synthetic materials. Traditional technologies include blow molding， extrusion， pressing， laser and other molding and processing technologies. New technologies include polymer dynamic reaction， dynamic full vulcanization of thermoplastic elastomer， direct synthesis reaction of information storage disc base and other molding and processing technologies. On the basis of traditional technologies， new technologies effectively improve material properties and solve the problem of lagging behind of traditional technologies. Through the continuous improvement and optimization of material structure， the process level of processing technology is effectively improved， and the new development of polymer rapid prototyping technology is realized by using high-precision injection molding machine， 3D printing and other mechanized equipment.

Key Words： Polymer materials; Molding technology; Polymer dynamic reaction; Blister and extrusion

?我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，各行各業(yè)均在科技的發(fā)展下，不斷向機(jī)械化生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)型發(fā)展，以提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。高分子材料成型加工技術(shù)專業(yè)性較強(qiáng)、工藝復(fù)雜，各領(lǐng)域?qū)Ω叻肿硬牧闲阅芤蠖挤浅８撸Y(jié)合其延展性、可塑性等易改性特點(diǎn)，常通過成型加工技術(shù)對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工和調(diào)整。無論是纖維素、蛋白質(zhì)等天然類高分子材料，還是樹脂、合成纖維、塑料等人工合成類材料，均實(shí)現(xiàn)了高性能化、高功能化、復(fù)合化、智能化、綠色化方向發(fā)展，以滿足工業(yè)、建筑業(yè)等對(duì)高分子材料性能的多元化需求。

1 傳統(tǒng)高分子材料成型加工技術(shù)

1.1吹塑成型加工技術(shù)

吹塑成型加工技術(shù)可提升材料結(jié)構(gòu)性能，常用于生產(chǎn)中空熱塑性塑料制品，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等，是當(dāng)前塑料、樹脂類高分子材料產(chǎn)品成型加工最常用的技術(shù)方法。吹塑成型加工過程可分為3個(gè)階段：熔融塑化、型坯成型、吹塑成型。先利用擠出機(jī)或者注塑機(jī)等機(jī)械設(shè)備，將高分子原材料熔融，再利用擠出機(jī)機(jī)頭、口?；蛘咦⑺苣＞叱尚托团?，最后用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣，并用液壓夾緊裝置夾緊模具成型制品，冷卻定型后頂出制品。通常情況下，中空制品還需后序加工處理，例如除去飛邊、貼標(biāo)簽等。在科技飛速發(fā)展下，自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備在流水線上大量使用，一些制品上的鉆孔、研磨等加工工序均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。高密度聚乙烯的采用拓寬了塑料瓶設(shè)計(jì)能力，高分子量聚乙烯的采用加快了吹塑成型加工技術(shù)的發(fā)展。

1.2擠出成型加工技術(shù)

擠出成型加工技術(shù)幾乎適用于所有高分子材料，具有連續(xù)化操作、應(yīng)用范圍廣、操作簡(jiǎn)單、投資少與見效快、制品質(zhì)量均勻密實(shí)等特點(diǎn)，又稱為擠壓模塑。多數(shù)采用單螺桿擠出機(jī)設(shè)備，以連續(xù)擠出的操作方法將材料加工成型，適用于此技術(shù)的熱塑性塑料品種較多，擠出制品的形狀和尺寸多種多樣。擠出成型加工技術(shù)原理是：擠出機(jī)料斗利用螺旋桿連續(xù)不斷地將高分子材料擠出機(jī)頭，制造成截面不同的成品或者半成品。擠出成型加工工藝流程一般包括原料準(zhǔn)備、預(yù)熱、干燥、擠出成型、擠出制品定型與冷卻、制品牽引與切割、后續(xù)處理等。擠出工藝流程如圖1所示。

1.3壓制成型加工技術(shù)

壓制成型加工技術(shù)可制造具有一定尺寸、形狀的半成品，是粉末冶金的主要工序之一，又稱模壓成型，主要應(yīng)用于熱固性塑料的成型，酚醛塑料、氨基塑料等高分子材料成型加工制品多采用此技術(shù)。根據(jù)成型物料的性狀、加工設(shè)備、加工工藝等特點(diǎn)區(qū)分，又可分為模壓成型、層壓成型兩種技術(shù)方法。壓制成型加工技術(shù)的主要工藝流程為：稱料、預(yù)熱、加料、閉模、放氣、連續(xù)熱壓、開模和頂出制品、清潔模型、制品修飾及整形。模壓成型是熱固性塑料、增強(qiáng)塑料成型的主要方法，工藝流程為：將磨具預(yù)熱到指定溫度，將高分子原材料加入模具中加壓，使原材料熔融流動(dòng)，均勻填滿模腔，持續(xù)加熱和加壓條件下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使原料形成制品。層壓成型是以片狀、纖維狀材料作為填料，在加熱和加壓條件下，將相同或者不同的材料統(tǒng)一加工，加工成兩層或者多層結(jié)合的一個(gè)整體，層壓成型工藝分為浸漬、壓制、后加工處理3個(gè)階段，常用于生產(chǎn)增強(qiáng)塑料板材、管材、模型制品等。

1.4激光快速成型加工技術(shù)

激光快速成型加工技術(shù)原理為：基于高分子材料的熱脹冷縮特性，利用激光束掃描金屬板材，誘發(fā)板材內(nèi)部非均勻分布的熱應(yīng)力，使板材發(fā)生局部塑性屈服，進(jìn)而使板材發(fā)生預(yù)期角度的彎曲變形。目前常見的激光快速成型加工技術(shù)種類有：立體光造型（SLA）技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)、激光薄片疊層制造（LOM）技術(shù)、激光誘發(fā)熱應(yīng)力成型（LF）技術(shù)、激光熔覆成型（LCF）技術(shù)。由于激光快速成型加工技術(shù)具有制造速度快和成本低、非接觸式加工無工具更換與磨損、可實(shí)現(xiàn)快速鑄造和成模等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)造型、機(jī)械制造、建筑等領(lǐng)域，特別適用于新產(chǎn)品開發(fā)和單件零件生產(chǎn)，在提高高分子材料性能的穩(wěn)定性方面有顯著優(yōu)勢(shì)。

2 高分子材料成型加工技術(shù)新成果

在機(jī)械化設(shè)備和高精度工藝的支撐下，出現(xiàn)了諸多技術(shù)新成果，推進(jìn)了高分子材料成型加工技術(shù)向著高精密度、高產(chǎn)量、集成化的方向發(fā)展。高分子材料成型加工需要高能耗作業(yè)，無論是擠出、壓制還是吹塑，原理都必須經(jīng)過熔融塑化及輸送這一基本的共性過程，普遍采用設(shè)備為螺桿擠出機(jī)、螺桿注射機(jī)等。新型技術(shù)相比于傳統(tǒng)技術(shù)，無論在反應(yīng)加工原理上，還是在設(shè)備結(jié)構(gòu)上都完全不同，有效控制了傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)效率慢、加工成本高、制品精度低等一系列問題，最大程度地滿足了高分子材料成型加工技術(shù)精密、高效、節(jié)能的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)

聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)由雙螺桿擠出機(jī)為機(jī)械化設(shè)備支撐，在數(shù)字化控制基礎(chǔ)上發(fā)展而來，技術(shù)原理為：將聚合物反應(yīng)擠出全程引入到電磁場(chǎng)中，引起機(jī)械振動(dòng)場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制制品的化學(xué)反應(yīng)過程、物理性能、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)。理論上該技術(shù)突破了傳統(tǒng)技術(shù)局限，有效控制了聚合物單體、預(yù)聚物混合混煉過程、停留時(shí)間分布等傳統(tǒng)技術(shù)的不可控難點(diǎn)，解決了振動(dòng)力場(chǎng)作用下，聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工過程中，制品質(zhì)量、動(dòng)量、能量傳遞及平衡問題，技術(shù)上解決了設(shè)備結(jié)構(gòu)集成化問題。雖然當(dāng)下該技術(shù)仍處于起步的初級(jí)階段，經(jīng)驗(yàn)不足，但是隨著科技的進(jìn)步和自動(dòng)化設(shè)備的問世，聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)水平明顯提升，從技術(shù)層面上，不斷改進(jìn)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)問題，使該技術(shù)廣泛應(yīng)用于本體聚合、接枝反應(yīng)、鏈間形成共聚物反應(yīng)、聚合物共混改性等高分子材料成型加工過程中。

2.2熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)全硫化技術(shù)

熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)全硫化技術(shù)，通過橡膠與樹脂共混，制成共混型熱塑性彈性體，實(shí)現(xiàn)了高分子材料成型加工混煉環(huán)節(jié)中的橡膠相的動(dòng)態(tài)全硫化。該技術(shù)從簡(jiǎn)單的機(jī)械共混、動(dòng)態(tài)部分硫化共混、動(dòng)態(tài)全硫化共混，歷經(jīng)了3個(gè)發(fā)展階段，取得了對(duì)硫化反應(yīng)直接控制的技術(shù)新成果，有效控制了共混物相態(tài)反轉(zhuǎn)問題，推進(jìn)了TPV技術(shù)的發(fā)展。加工TPV制品時(shí)，通常采用母料法共混工藝，使用開煉機(jī)、密煉機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)機(jī)械化設(shè)備，先將少量樹脂與全部橡膠的高分子原材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)硫化加工成母料，再將母料與其余樹脂共混加工。相比于一步加工法，母料法能夠有效地部分抑制動(dòng)態(tài)硫化中樹脂的降解，提高橡膠的關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)而提高TPV的綜合性能。當(dāng)前主要TPV品種為熱塑性乙丙、丁腈橡膠，具有高強(qiáng)度、耐老化、耐油、加工流動(dòng)性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車中的車頂蓋和雨刷器、玻璃窗密封條、膨脹接頭、電線電纜、電池和變壓器殼等制品中。

2.3信息存儲(chǔ)光盤盤基直接合成反應(yīng)成型技術(shù)

信息存儲(chǔ)光盤盤基直接合成反應(yīng)成型技術(shù)攻克了傳統(tǒng)技術(shù)周期長(zhǎng)、工序多、能耗大、易污染等問題，集光盤級(jí)PC樹脂生產(chǎn)、中間環(huán)節(jié)儲(chǔ)運(yùn)、光盤盤基成型三項(xiàng)工藝過程為一體，具有清晰成型、表面平整均勻、縮短生產(chǎn)周期等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合動(dòng)態(tài)連續(xù)反應(yīng)成型技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，在酯交換連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)方面不斷研究，研制開發(fā)出了精密光盤注射成型機(jī)械化設(shè)備。在機(jī)械化設(shè)備的支持下，實(shí)現(xiàn)了降低加工能耗、提高產(chǎn)品品質(zhì)的技術(shù)研發(fā)目標(biāo)，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，有效簡(jiǎn)化了高分子原材料的前期處理工序，不僅縮短了加工周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，原料、產(chǎn)品、設(shè)備儲(chǔ)存更加方便，有效解決儲(chǔ)存混亂和占空間的問題，同時(shí)也降低了對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的污染，推進(jìn)了綠色環(huán)保友好型產(chǎn)品的新發(fā)展[1-2]。

3 高分子材料成型加工技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)

3.1高分子材料的發(fā)展趨勢(shì)

高分子材料的統(tǒng)籌性發(fā)展，對(duì)成型加工技術(shù)提出了更高的要求，推進(jìn)了傳統(tǒng)技術(shù)向現(xiàn)代化技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，拓寬了高分子材料制品的應(yīng)用領(lǐng)域。（1）高性能化：提高高分子材料的耐高溫、耐磨性、耐腐蝕性、耐老化、高機(jī)械強(qiáng)度等方面性能。（2）高功能化：分離膜、吸水性、光致抗蝕性、催化劑等功能性高分子材料的新研發(fā)領(lǐng)域。（3）復(fù)合化：研究開發(fā)高性能和模量的纖維增強(qiáng)材料，合成高強(qiáng)度和耐熱性的基體樹脂。（4）智能化：臨近生物的高級(jí)智能性能，智能化解答環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)材料的自我修復(fù)、診斷、識(shí)別等特性。（5）綠色化：開發(fā)原子經(jīng)濟(jì)的聚合反應(yīng)，選用無毒無害原料，利用可再生資源，實(shí)現(xiàn)再循環(huán)利用。

3.2高分子材料成型加工設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

全電動(dòng)式、全液壓式精密注塑機(jī)，熔融沉積式（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、分層實(shí)體制造（LOM）、立體平板印刷（SLA）等3D打印設(shè)備，超細(xì)纖維熔體微分靜紡絲電設(shè)備，推進(jìn)了高分子材料成型加工設(shè)備現(xiàn)代化發(fā)展，越來越先進(jìn)的高分子材料成型加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在精密設(shè)備的支撐下，實(shí)現(xiàn)了快速成型技術(shù)的新發(fā)展，通過逐層打印的方式來加工產(chǎn)品的技術(shù)，有效簡(jiǎn)化了加工工序、縮短了產(chǎn)品研制和生產(chǎn)周期，相比于傳統(tǒng)技術(shù)，可以更快、更有彈性、更低成本地快速實(shí)現(xiàn)高分子材料的成型加工[3-4]。

3.3高分子材料成型加工工藝發(fā)展趨勢(shì)

聚合物動(dòng)態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)、熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)全硫化技術(shù)、信息存儲(chǔ)光盤盤基直接合成反應(yīng)成型技術(shù)是新型技術(shù)研制新成果，有效提升了高分子材料成型加工工藝水平，拓寬了成型加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。就目前加工工藝發(fā)展趨勢(shì)而言，呈現(xiàn)出以下三大應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。第一，航空、電氣、軍事等領(lǐng)域。在成型加工技術(shù)方面，要不斷提高高分子材料耐受性、抗腐蝕性性能。第二，醫(yī)療領(lǐng)域。在人體器官制造環(huán)節(jié)中，在材料抗催化分解、抗腐蝕性等方面，要求成型加工技術(shù)在材料延展性和拉伸性方面實(shí)現(xiàn)突破。第三，其他領(lǐng)域。近年來復(fù)合型高分子材料成型加工技術(shù)在各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，特別是海洋項(xiàng)目領(lǐng)域的應(yīng)用，可有效提高材料的粘連性。經(jīng)過技術(shù)的不斷優(yōu)化和改良，可在近乎零排放的綠色環(huán)保基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高分子材料成型加工技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展[5-6]。

4結(jié)語

近年來，光功能、生物醫(yī)用、高吸水性、形象記憶功能、聚乙烯、稀土催化等高分子材料不斷研發(fā)生產(chǎn)并應(yīng)用到工業(yè)、醫(yī)療、能源等各領(lǐng)域中，為人們的生產(chǎn)和生活帶來了諸多便利，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的高分子材料應(yīng)用需求，而這一切卓越的成果，離不開高分子材料成型加工技術(shù)的支持。雖然我國(guó)在高分子材料成型加工技術(shù)的研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定的差距，但是在現(xiàn)代化技術(shù)和高精度機(jī)械化設(shè)備的支持下，各項(xiàng)技術(shù)取得了較好的研究成果，逐漸從理論走向?qū)嵺`，致力于向工業(yè)化流水線生產(chǎn)制造方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王康.高分子材料成型加工技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2019，45（3）：64，106.

[2] 陳茂順.高分子材料的加工成型技術(shù)探究[J].新型工業(yè)化，2021，11（8）：174-175.

[3] 袁英.高分子材料加工成型技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展研究[J].河南科技，2020，39（25）：39-41.

[4] 劉士琦，周紅霞，王玉，等.高分子材料的加工成型技術(shù)研究[J].化學(xué)與粘合，2021，43（3）：228-230.

[5] 孫巖.原子力顯微鏡輕敲模式下能量耗散的機(jī)理研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2021.

[6] 羋月安.基于新型特種少模光纖光柵的矢量模式轉(zhuǎn)換的研究[D].北京：北京交通大學(xué).