高分子材料中反应加工分析

刘洪春

高分子材料中反应加工分析

刘洪春

福建锦兴环保科技有限公司

高分子材料反应加工技术将传统材料制备与加工这两个不同工艺结合在一起，大大节约了反应时间，降低了资源与能量的消耗，同时对于减少环境污染也有重要价值。该文比较分析高分子材料传统加工工艺和反应加工的优劣，探讨高分子材料反应加工的重要问题。

高分子材料 反应加工 优点

在我国工业水平逐渐提高背景下，技术水平在工业生产中发挥着重要作用。高分子材料是工业生产中的重要材料，近年来得到了快速发展。由于高分子材料可促使产品价值提高，因此相关企业对这一产品的重视日益增加。人们日常生活中随处可见各种高分子材料，如天然橡胶、棉花等，这些高分子材料为人类生活提供了巨大便利。从材料应用方面分析，高分子材料制品性能与其加工技术密不可分。高分子材料的加工是借助特殊化学反应，使初始原料（如单体、聚合物或预聚合物等）合成新的具有特殊价值的制品或商业化材料的一项技术。高分子材料反应加工是现阶段大力推广的制造方法，是集中展开材料合成、制备与工程化的新兴技术，也是材料科学领域内的前沿技术之一。

1 高分子材料传统加工的劣势分析

在高分子材料传统加工中，材料制备与加工属于完全不同的两个工艺过程，且两工艺间并无直接关联，所需时间也较长。材料制备指的是一系列化学过程，如催化剂、单体和其他助剂经合成反应器（如反应釜）合成聚合物的过程。一般而言，聚合反应所用时间较长，很多需要几个小时，甚至有的材料制备过程需要耗费数十小时。另外，有些聚合反应需于真空、高压、高温等条件中进行。在完成聚合反应之后，需展开一系列后处理操作，如分离—提纯—脱挥—造粒等工序。制备工程能耗较高且流程较长，常会造成严重环境污染，导致制造成本增加。聚合物合成后还需经加工成型才能获得制品。传统成型工艺包括压延、吹塑、注塑及挤塑等，在设备投资方面往往耗费众多资金和物力。另外，在加工期间聚合物还需再次熔融，必然会导致能耗进一步增大。在现阶段环境保护理念和可持续发展观念的影响下，传统的加工方法必然不利于成本控制与环境保护，这一工艺必然无法得到长久应用。

2 高分子材料反应加工概述

2.1 高分子材料反应加工的定义

高分子材料反应加工是指将高分子材料合成、加工集于一体，使得传统加工设备取得合成反应器功能的技术。反应加工包含两个阶段，分别为反应挤出、反应注射成型。反应挤出包含两种方法，一是直接将反应助剂、催化剂和反应单体引入到螺杆挤出机内，通过连续挤压使之出现聚合反应并形成聚合物；二是将数种或单一的聚合物送至螺杆挤出机，将反应单体、反应助剂或催化剂引至挤出机适当位置，通过连续挤出让单体实现均聚或和聚合物发生共聚，或让聚合物发生酯交换、偶联或接枝等反应，进而实现生成新聚合物或使原有聚合物改性的目的。

2.2 高分子材料反应加工的优势

在高分子材料反应加工过程中，在挤出机加料口中可加入需实施化学改性的一些聚合物，也可放入其他助剂、催化剂及单体，使之在挤出机内发生化学反应，合成聚合物或化学改性之后的新的聚合物。之后将适当口模安装于挤出机头，可获取相应制品。这一方法成功将原本毫无关联的制备与加工两工艺联系起来，且反应周期较短（通常只需几分钟或十几分钟），可连续生产，不需展开复杂的溶剂回收及分离提纯操作，给环境造成的污染小，且可节约资源与能源。从某种意义来说，高分子材料的反应加工与冶金工业连轧、连铸较为类似。

3 高分子材料反应加工的特征

高分子材料反应加工涉及到多种学科，其研究属交叉学科。在反应加工中，可涉及工程热物理、高分子物理、高分子材料加工成型、过程控制、橡塑机械、高分子化学及化工工程等诸多学科。反应加工中涉及诸多化学反应，包括加聚、缩聚、自由基所致聚合及阴阳例子所致聚合反应等。这一过程的反应动力学与反应机理是高分子化学的研究范畴；反应产物形态结构形成及演变、所用加工工艺与最终性能的关系属于高分子物理范畴；能量平衡及传递内容和物料平衡、运输等为化工工程范畴；反应加工中涉及的放热反应又涉及工程热物理学及化学工程；反应中所用螺杆挤出机等对于耐腐蚀性及其他特性有较高要求，这离不开橡塑机械设计及制造，也离不开相关的控制技术。

4 高分子材料反应加工中的重要问题

4.1 高分子材料加工中的传热及传质问题

高分子材料加工需要将传统加工中不同的操作单元整合起来一起操作，这对物料运输及物料平衡问题提出了重大挑战。在加工中，不仅需保证物料运输及时、平衡，同时还应考虑能量传递平衡的相关问题。高分子材料在反应加工中发生的反应通常是放热反应，传统加工中，放热反应经由溶剂与缓慢反应来实现，然而在聚合反应加工工艺内，一般在极短的时间内，物料的温度会升高到较高水平，这就需要将产生的热量及时、准确地处理，防止原料发生降解或碳化反应。而对这一问题展开分析，需要从化学工程、工程热物理学等方面展开研究。

4.2 化学反应的动力学问题

高分子材料的反应加工涉及到诸多化学反应，这些化学反应发生时间较短，在应用中，相关工作人员需准确把握高分子材料反应加工反应的机理，了解反应动力学，对反应规律与特征准确把握，以便保证各项反应加工可以正常展开，同时也可对临时发生的问题及时、正确地处理。

4.3 化学流变相关问题

高分子材料加工中涉及的流变学包括对物理的流动及变形展开研究，这是高分子材料成型加工的重要基础。在化学反应中的各种材料均有自身独特的流变性质和规律，表现出独特的特点。高分子材料反应加工中的化学流变问题是反应加工正常进行、反应产物加工为制品的基础，必须对这一问题展开研究。

4.4 产物结构和性能关系

高分子材料具备的各种性能都是由其化学结构来决定的，而高分子材料加工工艺对于物质的化学结构有直接决定作用，因此在反应加工中，需要对反应加工期间形态结构形成、演变规律予以研究，并且掌握其演变规律，这样才可控制高分子材料产出的质量，获得预期的理想产品。

5 结束语

从传统方面来看，一般高分子加工设备适合展开高分子粒料的生产及加工，而将之与反应加工理论结合，即可形成加工设备合成反应器，将高分子材料的制备与加工集合为一体，极大节约生产时间，降低能耗，降低环境污染，这是高分子材料制造业可持续发展的重要方向。随着多学科交叉的深入与高分子材料合成领域研究的不断加深，技术人员与工作人员应不断总结这一新型加工工艺应用中的重要问题，注重不同学科间的合作与技术交流，积极实现技术的更新换代，从而促进高分子材料产业稳定、迅速的发展。

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