高分子材料加工成型技術創新與發展研究

袁英

摘 要：高分子材料在工業領域有諸多應用，高分子材料成型技術也得到諸多關注和研究。本文從高分子材料的定義和分類出發，分析了高分子材料的基本性能、成型性能及其加工中的結構變化等，并探討了現階段高分子材料加工成型技術的創新與發展方向。

關鍵詞：高分子材料;加工成型技術;創新

中圖分類號：TQ320.66文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）25-0039-03

Abstract： Polymer materials have many applications in the industrial field， and polymer material molding technology has also received a lot of attention and research. Starting from the definition and classification of polymer materials， this paper analyzed the basic properties， molding properties and structural changes during processing of polymer materials， and discussed the innovation and development direction of polymer materials processing and molding technology at this stage.

Keywords： polymer materials;processing technology;innovation

隨著我國經濟的迅速發展，高分子材料在各個領域的應用越來越多，高分子成型加工技術對高分子材料應用領域的拓展功不可沒。鑒于高分子材料在我國工業領域的重要地位，人們應對其進行更加深入的研究和分析，推進我國科學技術的不斷發展。

1 高分子材料的基本性能、成型性能及其加工中的結構變化

1.1 基本性能

高分子材料的基本性能包括力學性能、電性能、熱性能、滲透性能、光學性能和化學性能等。

力學性能是高分子材料最常用的屬性，高分子材料的力學性能包括比強度、彈性模量、黏彈性、耐磨性、相對分子質量依賴性等[1]。這些性能又可以通過拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度、壓縮強度、疲勞強度、摩擦與磨耗、邵氏硬度、洛氏硬度等進行表征。

聚合物的電性能往往是指將聚合物放置在外加電壓或電場下表現出的性能，具體可以通過電傳導性能、介電性能、靜電現象、駐極體和熱釋電流等進行表征。

通常，高分子材料都是聚合物，是熱的不良導體，其熱性能可以用導熱系數、熱擴散系數、線膨脹系數、熔融（化）熱、比熱容、熱變形溫度、維卡軟化溫度等進行表征。

聚合物的滲透性能包括透氣性能和透濕性能兩種，制成薄膜的聚合物可以用氣體透過系數和水蒸氣透過系數表征。

聚合物的光學性質可以通過折射、投射等相關指標來表征。聚合物的化學性能可以按照老化性能、燃燒性能等來表征。由于大多數聚合物是可燃的，為了提高聚合物的安全性，人們會在加工過程中添加阻燃劑、無機填料等來降低其可燃性。

1.2 成型性能

聚合物在不同物理狀態下的性能差異往往很大，因此首先要對聚合物的熔融性能進行評價。非晶體高分子聚合物存在玻璃態、高彈態和黏流態，而晶體高分子聚合物可能僅存在結晶態和黏流態兩種狀態。其中，玻璃態、高彈態和結晶態是聚合物使用時的狀態，而黏流態往往是聚合物加工時的狀態，但也有一些情況聚合物的成型方法是在高彈態完成的。由于聚合物主要是在黏流態進行加工成型的，聚合物的熔融方法就十分重要。聚合物的熔融方法主要有5種，即無熔體移走的傳導熔融，有強制熔體移走的傳導熔融，耗散混合熔融，利用電、化學或其他能源的耗散熔融，壓縮熔融。

由于大多數聚合物成型是先將其加工成熔體，然后使其在流道和模具中流動、變形、冷卻固定，因此高分子聚合物的流變性也十分重要。影響聚合物流變行為的因素主要有溫度對剪切黏度的影響、壓力對剪切黏度的影響、黏度對剪切應力（或剪切速率）的依賴性、黏度隨時間的變化、聚合物分子結構對黏度的影響以及添加劑對聚合物黏度的影響。另外，還需要注意聚合物流體的彈性，尤其要要注意韋森堡效應、入口效應、出模膨脹、不穩定流動和熔體破裂現象。關于高分子聚合物的可加工性，還需要通過材料的可擠壓性、可模塑性、可紡性、可延性以及聚合物的聚集態與加工方法等進行探討。

1.3 加工中的結構變化

聚合物加工過程中會發生一系列結構變化，主要有取向、結晶、降解和交聯等。

取向過程是鏈段運動的過程，可以分為流動取向和拉伸取向兩種。影響聚合物取向的因素有很多，主要包括溫度、拉伸比和拉伸速率、聚合物的結構、添加劑以及模具。取向會使聚合物具有各向異性，具體表現為拉伸強度、沖擊強度、斷裂伸長率等沿取方向的性能大幅提升，相應的垂直方向的性能則會減弱。對于結晶聚合物，取向也有助于改善制成品的透明度。

結晶聚合物的物理化學性質與結晶度、結晶體的形態和織態等有關，而結晶過程中的變化又與成型控制條件有關，如溫度、應力、成核劑等，其中成核劑發揮異相成核效用。結晶聚合物中分子鏈的收縮聚集使得聚合物密度增加，彈性模量、硬度、屈服強度等也隨結晶度的增加而增加。另外，結晶度還影響著折射率、透明度、耐溶劑性能、材料的熱性能、化學反應活性和模量等。

聚合物進行化學反應，其基本形式有兩種，分別為接枝和交聯。其中，接枝主要通過共聚將帶功能的基團或支鏈連接到大分子主鏈上，而交聯是線形大分子鏈之間形成新化學鍵，形成三維網狀或體型結構的反應。接枝和交聯會使共聚物的性能和結構發生較大改變，相關產品也用于諸多領域。聚乙烯等通過輻射交聯形成熱收縮材料等。

當前，我國經濟追求綠色環保和可持續發展，在考慮加工和使用高分子材料時，要考慮材料的降解問題。降解是聚合物聚合度變小的化學反應。通常，降解可以發生在成型過程中，也可以發生在成型之后。前者的降解條件往往更強烈，而后者則由于發生條件限制而發生緩慢，成型之后的降解也稱為老化。降解形式主要有熱降解、氧化降解、力降解、水解、輻射降解等。而防止降解的措施主要有加入穩定劑、避光、使用合適的工藝和模具、使用一定標準的原材料等。

2 高分子材料成型的幾種方法

現代高分子材料成型方法主要有擠出成型、注塑成型、壓延成型、發泡成型、其他成型等[1-2]。

2.1 擠出成型

擠壓模塑即是擠塑，擠出成型過程往往由加料系統、擠壓系統、溫度控制系統、傳動與控制系統、機頭和口模等配合完成。在擠出成型過程中，聚合物將經歷固體、彈性體、黏流體最后變回固體的變化過程。擠出成型常用的機器有單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機兩種。使用擠出成型工藝制作的產品主要有塑料管材、塑料薄膜、塑料板片材、電線電纜、塑料單絲等。但是，傳統擠出成型工藝功耗高，污染大，已經不適應中國綠色經濟發展的需要，因此，擠出成型工藝也有了新的調整和改進。

擠出成型的新技術主要有反應擠出、固態擠出、振動擠出、微納層共擠出這四種。反應擠出是指在合成過程中進行加工，反應器與擠出機合為一體，這種方式減少了高分子材料的中間環節，可以極大地降低能耗。固態擠出將坯料加工至低于熔點、高于晶體松弛轉變溫度的區間，然后通過擠壓將坯料加工成型，該工藝同樣可以降低擠壓成型的能耗。振動擠壓在擠壓過程中引入了振動力場，通過改變壓力、溫度和功率實現擠出。微納層共擠出是針對微納層疊復合材料的一種擠出技術，微納層疊復合材料主要是通過將不同性能的高分子材料共擠出后形成的。

2.2 注塑成型

注塑成型是指將以粒料為主的塑料通過注塑機、注塑模具注塑加工成型。由于注塑成型比較多見，這里僅對注塑成型新技術進行介紹。注射成型新技術主要有氣體輔助注塑成型、可溶芯注塑成型、共注塑成型、反應注塑成型四種。氣體輔助注塑成型不僅使用了注塑成型工藝，還使用了發泡成型工藝，在降低了模具型腔內熔體的壓力的同時，提高了材料的光滑度，避免了材料發泡產生的不良影響。氣體輔助注塑成型有四種成型方法，分別為標準成型法、副腔成型法、熔體回流法、活動型芯法。可熔芯注塑成型主要針對管型件，通過預先制造型芯，利用型芯包覆注塑成型，然后將型芯熔化排出。共注塑成型用于生產多種塑料的復合塑件，相關成型方法很多，但使用較多的主要是雙色注塑成型、雙層注塑成型、夾芯注塑成型三種。反應注塑成型與反應擠出成型類似，都是將合成與加工成型合二為一的成型方法。反應注塑成型直接采用液態單體和添加劑做原料，通過調整化學組分調整產品性能，省去了聚合、配料和塑化等操作，極大地提高了注塑成型的效率。

2.3 壓延成型

顧名思義，壓延成型就是借助壓力對聚合物進行加工，通常是通過輥筒施加剪切力配合一定溫度使材料受到擠壓和延展，并最終制成薄膜或薄片，壓延成型示意圖如圖1所示。該法生產出的制成品一般厚度保持在0.05～0.30 mm，厚度大于0.3 mm的片材使用的則是擠壓法。壓延成型技術的改進主要表現在壓延設備方面，如將傳統壓延機改造為異徑輥筒壓延機，在壓延機后增加擴幅機（使中小型壓延機可以生產較寬幅度的產品）。為了提高規模效應，減少人工成本，現代壓延機越來越趨于大型化、自動化和高速化。另外，也有部分壓延機對冷卻裝置進行了改進，極大地減少了高速運轉時輥筒和材料中的空氣。

2.4 發泡成型

發泡成型主要生產的是以發泡塑料等為主的內部有無數微孔性氣體的塑料。泡沫塑料的傳統發泡方法主要有機械發泡法、物理發泡法、化學發泡法三種，另外還有超臨界二氧化碳發泡和高壓釜發泡。超臨界二氧化碳發泡是指超臨界二氧化碳的聚合物飽和溶液在某溫度下恒溫迅速降壓，使得混合溶液快速過飽和并生成晶核，這些晶核生長成型后最終形成具有蜂窩狀的孔材料。高壓釜發泡則將聚合物片材在一定壓力和溫度下置于氣體（如氮氣）中足夠長的時間，當氣體在材料中飽和后通過快速泄壓進行發泡成型。

2.5 其他成型

其他成型方法有二次成型、熱固性塑料的成型、鑄塑成型、冷壓燒結成型、3D打印等。二次成型主要是將經過一次加工的型材在高彈態下進行二次加工的技術，中空吹塑、熱成型都屬于二次成型的范疇。熱固性塑料在交聯環節與熱塑性塑料有本質的差異，由于熱固性塑料無法再通過加熱轉變為液體，其成型技術也就有了明顯變化。熱固性塑料的成型技術主要有壓制成型、注壓成型、擠出成型以及注射成型這幾種。鑄塑成型也稱澆鑄成型，主要方法有靜態澆鑄、嵌鑄、離心澆鑄、流延鑄塑、搪塑和蘸塑成型等。冷壓燒結成型主要經過冷壓制坯、燒結和冷卻這幾個環節。3D打印是近年來快速興起的技術，現有的3D打印技術有熔融沉積成型技術和三維噴涂粘接快速成型兩種。3D打印成型與3D打印的材料有關，現階段常用的材料主要是ABS樹脂和PLA樹脂兩種。

3 結語

高分子材料成型技術會根據聚合物的物理性質、化學性質以及用途等有不同的變化和調整，其技術的創新發展也會有所不同。不論高分子材料成型技術的形式如何變化，核心都是利用材料的物理性質、化學性質，通過調整材料發生物理、化學變化的外部條件達到材料成型的目的。但實事求是地講，技術是制約3D打印技術從出現至今依然難以大規模普及的瓶頸，可見高分子材料成型技術的創新之難。

參考文獻：

[1]侯慶新.高分子材料的加工成型技術研究[J].化工管理，2020（11）：109-110.

[2]王杰.淺談高分子材料成型加工技術以及應用前景[J].科技風，2020（5）：164.