高分子材料中反應加工的研究

史永祥

（池州學院，安徽池州 247000）

在我國的工業體系中，高分子材料的制造與加工是其中重要的板塊，在國民經濟發展中起到了重要的價值。生活中隨處可見的橡膠、塑料、棉花等，都是高分子材料的制成品。高分子材料的反應，指的是將原料通過化學反應使其合成具有特殊價值的商業化材料的過程；而加工過程則是通過一定的方式與過程，將原材料、半成品轉化為目標產品的過程。而反應加工技術將合成反應器的功能賦予給了加工設備，從而縮短了生產的流程，現已成為有機材料科學領域的前沿技術，受到了工程技術人員的廣泛關注。

1 高分子材料反應加工概述

高分子材料的傳統生產流程中，材料的制備與加工是割裂開來的，在完成聚合反應后，需通過分離、提純、造粒等一系列工序才能進入到成型加工環節。在加工期間還需對材料再次加熱，使之熔融后，通過注塑、吹塑和擠塑等工藝生產為所需的產品或半成品。

而高分子材料的反應加工過程則將高分子材料的合成和加工融為一體，通過反應擠出和反應注射成型兩個階段，完成聚合物生產和加工成型的作業。其中，反應擠出是當前國內研究的熱點，主要可通過兩種方式實現：其一，在擠出機的加料口內添加官能單體、助劑和催化劑，在擠出機內通過連續擠壓使之發生反應，生成目標聚合物，在擠出機頭的位置安裝適當模，就可獲得所需的高分子材料制品；其二，在擠出機的加料口內加入1種或多種聚合物，在適當位置加入反應單體、催化劑或助劑，通過連續擠壓，令反應單體與添加的聚合物發生共聚，或促使聚合物之間發生反應，從而實現對原有聚合物的化學改性，產出目標高分子材料。反應加工的技術極大縮短了反應的周期，無需對中間產物進行二次熔化，節約了能源與資源，有利于成本控制，必然成為高分子材料加工制造產業發展的重點方向。

2 高分子材料反應加工的發展現狀與實際應用

2.1 高分子材料反應加工的研究進程

高分子材料的反應加工最早在二十世紀八十年代被列入新型材料學科，此后因其在生產實踐中的明顯優勢，而獲得了學界的廣泛關注。其中，Venderbosch（1995）等利用助劑對難降解聚合物進行處置，使之成為反應加工的良好基體材料。PranabDey（2014）等則對利用動態硫化技術生產的橡膠的微觀結構進行了研究。在歐洲、日本、美國等國家，高分子材料反應加工手段中的一種，現已在家電、包裝、汽車、農業、電子等多個領域取得廣泛運用。相較而言，我國在這一領域的研究起步較晚，雖已取得了一定的成果，但仍與發達國家存在一定的差距。其中，長春應化所（2003）就烯類單體本體聚合反應擠出機理與動力學、加工過程中聚烯烴降解和反應的控制與應用以及聚合物在反應擠出過程中的結構形態演變等問題進行了研究。沈春根（2018）等以數值仿真的方式就尼龍6反應注射成型加工過程進行了研究，并分析了在加工過程中結晶度與體系溫度場的分布情況。在高分子材料領域，生產技術與制成品的性能具有緊密的聯系。在大力發展自主創新能力的今天，針對高分子材料反應加工過程中的核心問題，還有待于進一步的深化探索。

2.2 高分子材料反應加工的應用

利用反應加工技術進行高分子材料產品的生產，具有靈活性高、專用性強的特征，可對現有大規模生產構成良好補充。以樹脂材料為例，不同應用場景下對樹脂的機械性能、化學性能的要求不同，若生產總量較小，采取常規加工方式往往不夠經濟，而利用反應加工技術，則可針對不同的應用對象提供性能不同的專用樹脂，從而解決結構性短缺的問題。長春應化所利用反應加工所制得的農用棚膜，其流滴期長達12個月，對于大棚保溫、防治病蟲害具有明顯優勢，有利于農民的增產增收。另外，在SBS 的生產中，傳統生產工藝需使用大量的有機溶劑，對其進行回收不但要消耗大量時間，而且將造成電能的浪費，同樣可通過反應加工的方式加以解決。

3 高分子材料反應加工中的核心問題

要想推動高分子反應加工的理論研究與推廣運用，首先需對其中的核心問題進行深入探討，在動力學、傳質傳熱、結構性能與流變問題都可以得到有效控制的情況下，方能確保反應加工的產物符合生產的要求。

3.1 反應動力學問題

化學反應動力學主要研究的是各類化學、物理因素對反應速率的影響。在高分子材料反應加工過程中發生的主要反應包括：由正負離子引起的聚合、自由基引起的聚合以及加聚與縮聚等。通常上述反應的速率較快，需要相關研究者在把握反應機理的前提下，能夠根據各個基元反應的反應速率計算結果預測整個反應的動力學規律。另外，還應通過實驗對反應體系中各組分濃度與反應速率的關系加以確定，從而滿足反應過程開發的需要。通過對反應動力學特征的深度了解，在聚合反應過程中出現各種突發性問題時，方能有條不紊地進行處置。

3.2 傳質傳熱問題

反應的傳質與傳熱問題主要研究的是反應過程中熱量與質量傳遞所遵循的基本原理，是對能量平衡問題與質量傳遞現象的解答。在高分子材料的反應加工過程中，借助加壓操作促進聚合反應的發生。反應是在較短時間內完成的，這就對物料運輸和能量平衡提出了挑戰。此類反應大多為放熱反應，在生產過程中，傳統的合成方式通常是借助有機溶劑在較長時間內完成反應。然而在反應加工工序中，由于劇烈放熱，反應器中將在極短的時間內升到較高的溫度，為避免原料的碳化或降解，需對放出的熱量及時地進行處理。

3.3 產物結構及性能問題

高分子材料的性能表現在一定程度上是由其化學結構所決定的，而反應加工工藝又對產物的化學結構具有決定性的影響。為確保產物的物理性能與化學性質能達到所需的條件，有必要對反應加工過程中產物形態結構的形成和演變進行專項研究，在了解其變化規律的情況下，提升對產物的質量控制。

3.4 化學流變問題

化學流變學是在化學與經典流變學基礎上發展起來的新興學科，主要就聚合物在流變過程中所發生的化學反應，及反應所導致的結果變化對聚合物流變性能的影響進行探究。對高分子材料反應加工而言，針對其形變與流動進行研究關于到成型加工的效果。高分子材料在熔融狀態下，由于交聯現象或降解問題，可能引起其流動形態發生改變，若對流變問題未引起足夠的重視，可能導致產物的性質不能滿足要求。

4 結語

在材料科學領域，隨著學科交叉的深入以及工程熱物理、高分子化學及物理化學細分學科的發展，高分子材料的反應加工已成為材料合成、制備與工程化的前沿技術，受到了工程技術人員和相關領域研究者的廣泛關注。相對于傳統高分子材料將合成與加工割裂開來的工序流程，反應加工具有能耗低、效率高、經濟性好、污染小的特點，在我國政府與社會各界高度重視環境友好、生態文明建設的今天，具有傳統流程不可比擬的優勢。然而，反應加工的過程中涉及到復雜的物理化學變化，當前在工業應用方面還存在一定的問題，難以做到大規模生產，這一情況有待于研究者們的深入研究和探討，以推動我國高分子材料產業的進一步發展。