產學研協同的塑料改性、加工與性能測試一體化綜合實驗設計與實踐

董桂偉， 趙國群， 王桂龍， 宋立彬， 王家昌

（1.山東大學材料科學與工程學院，濟南250061；2.青島海信模具有限公司，山東青島266114）

0 引 言

實驗教學是高等教育實踐教學的重要環節，在培養學生的實踐、探索、科研、創新能力方面有著重要作用，是高校培養創新型人才不可缺少的重要途徑［1-2］。近年來，盡管實驗教學在高校教學中得到了越來越高的重視，但在實驗設計和實驗內容等方面還存在項目陳舊、實踐性不強、脫離產業實際等一系列不足，亟須進一步改進和加強［3-5］。“十三五”規劃明確提出高等教育要“改革院校創新人才培養模式，引導推動人才培養鏈與產業鏈、創新鏈的有機銜接”，強調高校要通過與企業的深度溝通與協作，把與企業單邊合作行為上升為校企人才培養協同戰略，同時注重寓教于研，構建產學研協同的創新人才培養模式［6-8］。

針對我校材料成形及控制工程專業本科實驗教學，結合產業發展需求、行業研究熱點以及本專業自身的科研優勢，設計了一項產學研協同的集塑料改性、加工與性能測試于一體的綜合性實驗教學項目。本實驗以青島海信模具有限公司快速熱循環注塑工藝涉及的塑料改性問題的需求為出發點，由學生綜合高分子材料科學、塑料成形工藝與模具設計、材料性能與檢測等專業理論知識，在研究和試驗先進材料成形工藝的基礎上，獨立或協作完成塑料材料改性、共混擠出、快速熱循環注塑成形、試樣力學性能測試等過程，并最終進行實際產品生產，評價材料改性效果。本實驗項目的前沿性、研究性和實際應用性選題可以提升學生探索科學和實際生產問題的興趣，有利于學生創新能力、科學研究能力和綜合能力的提升，并可為實現產學研協同背景下的人才培養新模式提供借鑒。

1 設計背景

材料成形及控制工程專業是材料科學、材料加工、檢測測試與自動控制技術的綜合與交叉，是一個應用性、實踐性都很強的專業。近年來，隨著本專業本科教學改革的進一步深入和工程教育專業認證的全面推行，對材料成形及控制工程專業的本科實踐類教學特別是綜合與創新性實驗教學提出了新的要求［9］。目前，本專業現有實驗教學體系內容仍以課本理論知識點的感性認知為主，與實際工程生產過程的貼合度不高、與本專業的科研方向吻合度不強，造成現有綜合與創新性實驗項目體系具有一定的局限性，在綜合鍛煉學生運用所學知識解決材料成形過程實際問題的能力、創新研究與工程實踐能力方面有所欠缺，亟需開發新的集探索性、研究性、設計性和應用性在內的綜合性實驗教學項目［10］。

塑料改性是在通用塑料和工程塑料的基礎上，經過填充、共混、增強等方法加工，提高其強度、抗沖擊性、韌性等性能的工藝方法，是塑料材料加工與成形專業領域的重要內容。塑料改性的需求往往來源于新的塑料成形工藝方法，本專業團隊與青島海信模具有限公司前期成功合作開發了快速熱循環注塑工藝，實現了塑料產品的高光無熔痕生產［11］。然而，該新工藝特殊的工藝特征對成形塑料材料提出了更高的要求，要求材料具備更高的硬度、表面光澤度、流動性和更優良的力學性能［12-13］。同時，塑料改性的效果評價依賴于改性后材料的性能測試和實際產品生產，而針對這些內容所設計的實驗教學項目目前還很少，也沒有進行科學的綜合。因此，設計塑料改性、加工與性能測試于一體的綜合實驗，將企業的實際需求、學校的研究優勢引入到實驗教學，產學研協同融合，對新時期高層次創新人才培養具有重要意義［14］。

2 實驗設計

2.1 實驗目的

本綜合實驗的目的如下：

（1）加深對材料成形原理、材料成形工藝、聚合物加工工程、聚合物改性原理、材料成形檢測及控制工程擠出、材料性能與檢測、塑料成形工藝與模具、塑性成形CAE等課程知識的理解。

（2）熟悉塑料共混改性、注塑成形以及力學性能測試的基本原理和方法。

（3）了解和研究快速熱循環注塑新工藝在實際生產中的應用。

（4）掌握計算機在聚合物成形工藝中的應用。

（5）掌握雙螺桿擠出機、注塑機、材料試驗機等設備的基本操作和日常維護。

2.2 實驗材料和儀器設備

（1）實驗材料。聚碳酸酯PC 2405（德國拜耳）；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS 8391（中石化）；玻璃纖維3.0 mm（中國重慶國際復合材料有限公司）；主抗氧劑1010（瑞士汽巴）；輔抗氧劑168（瑞士汽巴）；潤滑劑EBS（馬來西亞甲洞公司）；磷系阻燃劑UN707（德國朗盛）；磷系阻燃劑PX-220（浙江萬盛化工）；增韌相容劑MBS EM500（德國巴斯夫）等。

（2）實驗儀器設備。SHJ-30型同向雙螺桿擠出機組；MA3200型注塑機；CMT5205微機控制電子萬能試驗機；XC-5.5型擺錘沖擊試驗機；注塑樣條模具一套（標準ASTM拉伸、彎曲、沖擊樣條）、快速熱循環模溫控制系統等。

2.3 實驗內容

本實驗項目的主要內容包括塑料改性、注塑加工和性能測試3個部分，如圖1所示。其中，塑料改性部分根據合作企業的實際產品提出相關塑料材料的改性要求，學生根據所學塑料改性知識，分組進行塑料共混改性配方設計，并確定相應的擠出工藝參數，操作雙螺桿擠出機組，進行塑料共混擠出與切粒；注塑加工部分首先學生利用Moldflow軟件進行加工試樣的注塑流動分析，在此基礎上確定合理的注塑工藝方案，重點研究確定快速熱循環注塑工藝的模具溫度控制方案，利用電加熱快速熱循環注塑模具，在注塑機上完成實驗試樣的注塑成形；性能測試部分根據改性要求，重點測試試樣的力學、阻燃等性能，并與改性前的材料進行對比，最終進行產品試生產，考察和評價塑料改性效果。

圖1 實驗項目內容

3 實踐案例-短切玻璃纖維增強對PC／ABS復合材料力學性能的影響

3.1 實驗意義

以PC和ABS為主要原料的共混物作為一種重要的工程塑料復合材料，融合了ABS和PC的各自優點，被廣泛應用于汽車、家電國防軍工等領域。為實現PC／ABS復合材料在快速熱循環注塑工藝的深入應用，研究短切玻璃纖維增強PC／ABS改性具有重要工程指導價值。

3.2 實驗內容及試樣制作

（1）PC、ABS不同配比的性能變化。在僅添加抗氧化劑的條件下，探討PC與ABS不同配比的性能變化，按照PC／ABS 為80／20、60／40、50／50、30／70、20／80 5種方案進行共混改性實驗。

（2）不同玻纖添加量的PC／ABS復合材料性能變化。在上述實驗的基礎上，選擇合適的PC／ABS配比方案，分別以10%、20%、30%的比例加入長度為3.0 mm的玻璃纖維進行實驗。

除玻璃纖維外，所有實驗方案的共混材料按比例稱重后，首先在高速混料機上充分混合，然后通過長徑比40的SHJ-30型同向雙螺桿擠出機組進行共混、重融、冷卻和切粒。擠出機料筒各段的溫度控制分別為180、230、240、245、240 和230 ℃，擠出機的螺桿結構從一區到六區分別設置為“傳輸段-強剪切段-傳輸段-剪切段-剪切段-輸送段”。共混擠出后的改性塑料顆粒經充分干燥后在MA3200型注塑機上注塑成形得到如圖2所示的標準樣條試件。

圖2 注塑成形樣條

3.3 性能測試

（1）強度測試。試樣的拉伸強度和彎曲強度在CMT5205電子萬能試驗機上進行。根據ASTM D638測試標準，拉伸試驗中，試驗機的橫梁速度設定為5.0 mm／min，樣品標距為50.0 mm；彎曲試驗中的橫梁速度選擇為2.0 mm／min，跨距為樣品厚度的16倍。要求學生每組實驗所測試樣數為5個，并記錄其平均值。

（2）缺口沖擊強度測試。采用XC-5.5型擺錘沖擊試驗機，測試樣品的懸臂梁缺口沖擊性能，根據ASTM D256測試標準，沖擊能量采用2.75 J，沖擊速度為3.50 m／s，要求測量樣品數為5個，并取其平均值。

3.4 結果分析

圖3（a）所示給出了有無熔接痕PC／ABS復合材料樣品的拉伸強度隨ABS含量增加的變化規律，由圖可見，對于有無熔接痕兩種情況，樣品的拉伸強度都隨ABS含量的增加而顯著降低。圖3（b）所示給出了PC／ABS復合材料樣品的缺口沖擊強度隨ABS含量增加的變化情況，由圖可見，該體系的缺口沖擊強度呈現兩個峰值，分別是ABS含量在20%和50%左右。而綜合PC／ABS復合材料體系的拉伸強度、缺口沖擊強度的變化可以推斷，為了獲得綜合性能優良的PC／ABS產品，ABS的添加比例應少于40%。

基于上述實驗和研究，確定PC／ABS的最優配比方案為7∶3。在此基礎上分別以10%、20%、30%的比例加入長度為3.0 mm的玻璃纖維進行實驗。圖4（a）所示給出了不同纖維含量的有無熔接痕樣品的拉伸強度的變化，圖4（b）給出了不同纖維含量的有無熔接痕樣品的彎曲強度的變化。可以發現，隨著纖維含量的增加，PC／ABS復合材料體系的拉伸強度和彎曲強度都獲得了不同程度的增加，同時，纖維含量的增加對復合材料體系拉伸強度的影響程度要低于對其彎曲強度的影響程度。

圖3 ABS含量增加對PC／ABS復合材料強度的影響

圖4 玻璃纖維含量對PC／ABS復合材料強度的影響

3.5 試生產與評價

根據上述實驗結果，采用PC／ABS配比7∶3，添加20%長度3.0 mm玻璃纖維的共混方案，進行擠出共混擠出造粒，并在青島海信模具有限公司進行了電視機膠框產品的試生產，得到如圖5所示的試驗產品。對該試驗產品進行進一步的性能測試，結果顯示滿足生產需求，改性效果良好。

圖5 試生產的電視機膠框產品

4 結 語

該綜合性實驗教學項目已經對有一定專業知識基礎的大三及以上學生開設，實驗所涉及的塑料改性、擠出工藝、注塑工藝、性能測試等基本知識和技能，所用到的新工藝和新裝備，都要求學生既要具備一定的基礎能力，又要一定分析問題、解決問題以及逆向評價結果的能力，同時實驗項目與企業需求的高度貼合，使學生探求欲望和科研積極性得到了大幅提升。目前的實驗結果和教學效果表明，在該實驗項目中，學生既參與了實驗內容的設計和實驗結果的分析，又學習了多種材料成形新工藝，同時掌握了部分先進科研檢測儀器的使用，激發了學生對科學研究的興趣，培養了學生的創新思維和科研意識，也提高了學生的動手能力和綜合素質。