高分子材料中反應(yīng)加工分析

劉洪春

高分子材料中反應(yīng)加工分析

劉洪春

福建錦興環(huán)?？萍加邢薰?/p>

高分子材料反應(yīng)加工技術(shù)將傳統(tǒng)材料制備與加工這兩個不同工藝結(jié)合在一起，大大節(jié)約了反應(yīng)時間，降低了資源與能量的消耗，同時對于減少環(huán)境污染也有重要價值。該文比較分析高分子材料傳統(tǒng)加工工藝和反應(yīng)加工的優(yōu)劣，探討高分子材料反應(yīng)加工的重要問題。

高分子材料 反應(yīng)加工 優(yōu)點(diǎn)

在我國工業(yè)水平逐漸提高背景下，技術(shù)水平在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。高分子材料是工業(yè)生產(chǎn)中的重要材料，近年來得到了快速發(fā)展。由于高分子材料可促使產(chǎn)品價值提高，因此相關(guān)企業(yè)對這一產(chǎn)品的重視日益增加。人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見各種高分子材料，如天然橡膠、棉花等，這些高分子材料為人類生活提供了巨大便利。從材料應(yīng)用方面分析，高分子材料制品性能與其加工技術(shù)密不可分。高分子材料的加工是借助特殊化學(xué)反應(yīng)，使初始原料（如單體、聚合物或預(yù)聚合物等）合成新的具有特殊價值的制品或商業(yè)化材料的一項(xiàng)技術(shù)。高分子材料反應(yīng)加工是現(xiàn)階段大力推廣的制造方法，是集中展開材料合成、制備與工程化的新興技術(shù)，也是材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的前沿技術(shù)之一。

1 高分子材料傳統(tǒng)加工的劣勢分析

在高分子材料傳統(tǒng)加工中，材料制備與加工屬于完全不同的兩個工藝過程，且兩工藝間并無直接關(guān)聯(lián)，所需時間也較長。材料制備指的是一系列化學(xué)過程，如催化劑、單體和其他助劑經(jīng)合成反應(yīng)器（如反應(yīng)釜）合成聚合物的過程。一般而言，聚合反應(yīng)所用時間較長，很多需要幾個小時，甚至有的材料制備過程需要耗費(fèi)數(shù)十小時。另外，有些聚合反應(yīng)需于真空、高壓、高溫等條件中進(jìn)行。在完成聚合反應(yīng)之后，需展開一系列后處理操作，如分離—提純—脫揮—造粒等工序。制備工程能耗較高且流程較長，常會造成嚴(yán)重環(huán)境污染，導(dǎo)致制造成本增加。聚合物合成后還需經(jīng)加工成型才能獲得制品。傳統(tǒng)成型工藝包括壓延、吹塑、注塑及擠塑等，在設(shè)備投資方面往往耗費(fèi)眾多資金和物力。另外，在加工期間聚合物還需再次熔融，必然會導(dǎo)致能耗進(jìn)一步增大。在現(xiàn)階段環(huán)境保護(hù)理念和可持續(xù)發(fā)展觀念的影響下，傳統(tǒng)的加工方法必然不利于成本控制與環(huán)境保護(hù)，這一工藝必然無法得到長久應(yīng)用。

2 高分子材料反應(yīng)加工概述

2.1 高分子材料反應(yīng)加工的定義

高分子材料反應(yīng)加工是指將高分子材料合成、加工集于一體，使得傳統(tǒng)加工設(shè)備取得合成反應(yīng)器功能的技術(shù)。反應(yīng)加工包含兩個階段，分別為反應(yīng)擠出、反應(yīng)注射成型。反應(yīng)擠出包含兩種方法，一是直接將反應(yīng)助劑、催化劑和反應(yīng)單體引入到螺桿擠出機(jī)內(nèi)，通過連續(xù)擠壓使之出現(xiàn)聚合反應(yīng)并形成聚合物；二是將數(shù)種或單一的聚合物送至螺桿擠出機(jī)，將反應(yīng)單體、反應(yīng)助劑或催化劑引至擠出機(jī)適當(dāng)位置，通過連續(xù)擠出讓單體實(shí)現(xiàn)均聚或和聚合物發(fā)生共聚，或讓聚合物發(fā)生酯交換、偶聯(lián)或接枝等反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生成新聚合物或使原有聚合物改性的目的。

2.2 高分子材料反應(yīng)加工的優(yōu)勢

在高分子材料反應(yīng)加工過程中，在擠出機(jī)加料口中可加入需實(shí)施化學(xué)改性的一些聚合物，也可放入其他助劑、催化劑及單體，使之在擠出機(jī)內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，合成聚合物或化學(xué)改性之后的新的聚合物。之后將適當(dāng)口模安裝于擠出機(jī)頭，可獲取相應(yīng)制品。這一方法成功將原本毫無關(guān)聯(lián)的制備與加工兩工藝聯(lián)系起來，且反應(yīng)周期較短（通常只需幾分鐘或十幾分鐘），可連續(xù)生產(chǎn)，不需展開復(fù)雜的溶劑回收及分離提純操作，給環(huán)境造成的污染小，且可節(jié)約資源與能源。從某種意義來說，高分子材料的反應(yīng)加工與冶金工業(yè)連軋、連鑄較為類似。

3 高分子材料反應(yīng)加工的特征

高分子材料反應(yīng)加工涉及到多種學(xué)科，其研究屬交叉學(xué)科。在反應(yīng)加工中，可涉及工程熱物理、高分子物理、高分子材料加工成型、過程控制、橡塑機(jī)械、高分子化學(xué)及化工工程等諸多學(xué)科。反應(yīng)加工中涉及諸多化學(xué)反應(yīng)，包括加聚、縮聚、自由基所致聚合及陰陽例子所致聚合反應(yīng)等。這一過程的反應(yīng)動力學(xué)與反應(yīng)機(jī)理是高分子化學(xué)的研究范疇；反應(yīng)產(chǎn)物形態(tài)結(jié)構(gòu)形成及演變、所用加工工藝與最終性能的關(guān)系屬于高分子物理范疇；能量平衡及傳遞內(nèi)容和物料平衡、運(yùn)輸?shù)葹榛すこ谭懂?；反?yīng)加工中涉及的放熱反應(yīng)又涉及工程熱物理學(xué)及化學(xué)工程；反應(yīng)中所用螺桿擠出機(jī)等對于耐腐蝕性及其他特性有較高要求，這離不開橡塑機(jī)械設(shè)計(jì)及制造，也離不開相關(guān)的控制技術(shù)。

4 高分子材料反應(yīng)加工中的重要問題

4.1 高分子材料加工中的傳熱及傳質(zhì)問題

高分子材料加工需要將傳統(tǒng)加工中不同的操作單元整合起來一起操作，這對物料運(yùn)輸及物料平衡問題提出了重大挑戰(zhàn)。在加工中，不僅需保證物料運(yùn)輸及時、平衡，同時還應(yīng)考慮能量傳遞平衡的相關(guān)問題。高分子材料在反應(yīng)加工中發(fā)生的反應(yīng)通常是放熱反應(yīng)，傳統(tǒng)加工中，放熱反應(yīng)經(jīng)由溶劑與緩慢反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，然而在聚合反應(yīng)加工工藝內(nèi)，一般在極短的時間內(nèi)，物料的溫度會升高到較高水平，這就需要將產(chǎn)生的熱量及時、準(zhǔn)確地處理，防止原料發(fā)生降解或碳化反應(yīng)。而對這一問題展開分析，需要從化學(xué)工程、工程熱物理學(xué)等方面展開研究。

4.2 化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)問題

高分子材料的反應(yīng)加工涉及到諸多化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時間較短，在應(yīng)用中，相關(guān)工作人員需準(zhǔn)確把握高分子材料反應(yīng)加工反應(yīng)的機(jī)理，了解反應(yīng)動力學(xué)，對反應(yīng)規(guī)律與特征準(zhǔn)確把握，以便保證各項(xiàng)反應(yīng)加工可以正常展開，同時也可對臨時發(fā)生的問題及時、正確地處理。

4.3 化學(xué)流變相關(guān)問題

高分子材料加工中涉及的流變學(xué)包括對物理的流動及變形展開研究，這是高分子材料成型加工的重要基礎(chǔ)。在化學(xué)反應(yīng)中的各種材料均有自身獨(dú)特的流變性質(zhì)和規(guī)律，表現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)。高分子材料反應(yīng)加工中的化學(xué)流變問題是反應(yīng)加工正常進(jìn)行、反應(yīng)產(chǎn)物加工為制品的基礎(chǔ)，必須對這一問題展開研究。

4.4 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系

高分子材料具備的各種性能都是由其化學(xué)結(jié)構(gòu)來決定的，而高分子材料加工工藝對于物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)有直接決定作用，因此在反應(yīng)加工中，需要對反應(yīng)加工期間形態(tài)結(jié)構(gòu)形成、演變規(guī)律予以研究，并且掌握其演變規(guī)律，這樣才可控制高分子材料產(chǎn)出的質(zhì)量，獲得預(yù)期的理想產(chǎn)品。

5 結(jié)束語

從傳統(tǒng)方面來看，一般高分子加工設(shè)備適合展開高分子粒料的生產(chǎn)及加工，而將之與反應(yīng)加工理論結(jié)合，即可形成加工設(shè)備合成反應(yīng)器，將高分子材料的制備與加工集合為一體，極大節(jié)約生產(chǎn)時間，降低能耗，降低環(huán)境污染，這是高分子材料制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向。隨著多學(xué)科交叉的深入與高分子材料合成領(lǐng)域研究的不斷加深，技術(shù)人員與工作人員應(yīng)不斷總結(jié)這一新型加工工藝應(yīng)用中的重要問題，注重不同學(xué)科間的合作與技術(shù)交流，積極實(shí)現(xiàn)技術(shù)的更新?lián)Q代，從而促進(jìn)高分子材料產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定、迅速的發(fā)展。

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