科研与塑料成型工艺与设备课程实验教学相结合的探索

刘彩文 姚梦龄 .内蒙古工业大学材料科学与工程学院 内蒙古呼和浩特 0005

2.内蒙古自治区材料成型及控制工程重点实验室 内蒙古呼和浩特 010051 3.内蒙古自治区薄膜与涂层型重点实验室 内蒙古呼和浩特 010051

1 课程简介

塑料成型工艺与设备是本科材料成型与控制类专业的专业课。课程包括3个实验即高聚物的温度—形变曲线测定、注塑机工作原理及塑料的流动性测试、注塑模的拆装。其中高分子聚合物的流动性能对于其加工成型来说具有重要的指导作用[1-3]，而工艺参数和阻燃剂的加入很明显对其加工过程中的流动性能产生了不可忽视的影响，特别是无机阻燃剂的添加对其流动性能的破坏就更加严重[4-7]，对其产品必将造成形貌与性能上的影响。对于研究高聚物在加工过程中流动性能表征，宏观的表示方法就是熔体流动速率，是指热塑性材料在一定温度与标准压力下，熔体每10 min通过标准尺寸口模的质量，这最能表征高分子材料的流动性能。

2 科研促进塑料成型工艺与设备课程的实验教学

2.1 科研成果可呈现工艺参数对塑料流动性能的直观影响

在理论教学中，温度和压力是影响塑料流动性能的主要参数，也是塑料加工成型过程需要合理制定的两大工艺参数。要进一步了解塑料流动性的概念及塑料流动性的测试方法，只有通过实验。进一步了解成型温度和成型压力对塑料流动性的影响。结合科研试验结果，是课程实验更加科学与丰富的补充。采用XNR-400B熔体流动速率仪如图1所示，对塑料的熔体流动速率进行测试。图2表示的是不同温度下的LLDPE熔体流动速率与压力关系的曲线[8]。这样将更加科学直观的数据呈现给学生。在相同的压力下，随着温度的增加熔体流动速率也在增加。压力为0.04 kg时，随着温度的增加熔体流动速率从0左右增加到了1.213 g/10 min，在压力为2.64 kg时，熔体流动速率从1.209 g/10 min增加到了12.603 g/10 min。在理论教学中，温度越高熔体的流动性就越好，但结合科研结果可以看出，流动性越好并不代表加工成型就越佳，因为当温度过高时，LLDPE处于流体状态，不利于成型，塑料试样给出有力的证明。

图1 XNR-400B熔体流动速率仪

图2 LLDPE的熔体流动 速率

同样，学生也能看到，在相同的温度下，随着压力的增加，熔体流动速率在增加。温度为168 ℃压力低于1.24 kg时，LLDPE的熔体流动速率几乎不变近似为0；当压力大于1.24 kg时，随着压力的增加熔体流动速率也在增加；压力达到2.64 kg时，熔体流动速率为1.204 g/10 min。当温度为172 ℃，压力从0.04 kg增加到2.64 kg时，熔体流动速率从1.198 g/10 min增加到了12.603 g/10 min。虽然压力越大，熔体的流动性越好，但是当压力过大时，LLDPE的分子链段的运动过快，熔体容易堆积，产生较大的气孔，很难制备出均匀的制品，这一点可从科研结果试样表观直接看出。

2.2 科研成果可呈现氢氧化镁的添加量对塑料表面直观影响

在理论教学中，会提到氢氧化镁的添加量对塑料表面是有影响的，但学生并不会直观体会到影响的结果是什么？科研试验结果则可直观体会到这种影响。图3是添加了不同含量的氢氧化镁后制备出的LLDPE切段表观图[8]，从图中可以看出随着氢氧化镁含量的增加，切断的透明度逐渐降低，表面光滑度也逐渐变差。在含量达到40%时，切段表面有明显的突起，但无法观察到切断内部的气泡与气孔，这是因为切断呈现乳白色，所以气泡与气孔从图片中无法看出来。但在实际操作中，当氢氧化镁的含量在30%以内时，随着氢氧化镁含量的增加，气泡与气孔在一定程度上减少了，这是因为LLDPE基体材料本身就存在一定的气泡与气孔，随着氢氧化镁含量的增加，气泡逐渐被氢氧化镁所填充，此时氢氧化镁在充当阻燃剂的同时还起填充作用，减小了气泡与气孔的数量。当氢氧化镁的含量大于30%时，随着氢氧化镁含量的增加，氢氧化镁的团聚现象越来越严重[9,10]，使得LLDPE大分子间的空隙增加，导致气泡与气孔的数量又逐渐增加，表观上看不出来是因为此时的切断为乳白色，无法看到气泡与气孔。由以上分析可知，随着阻燃剂氢氧化镁含量的增加，熔体流动速率也在逐渐降低，LLDPE切段表观形貌也发生了较大的变化，严重影响了材料的流动性能，这对塑料加工成型性能造成了严重影响，所以需要对产品的工艺条件也做出新的调整。为此在提高其阻燃性能的同时为了保证LLDPE熔体流动性，氢氧化镁的添加量不宜过大，这一点不再停留在文字上，科研结果给出了更科学直观的数据和图片。

图3 LLDPE加入不同含量氢氧化镁后的切段

3 结语

将科学研究过程创新思维和技术技能与本科生实验教学相结合，通过将氢氧化镁阻燃剂添加对塑料的流动性影响等科研成果应用于塑料成型工艺与设备课程的实验教学，的确增强了教学的深度、拓展了教学的广度，丰富了教学的手段，提高了教学的质量，是课程实验更加科学与直观的补充。

[1] 徐佩旋.高聚物流变学及其应用[M].北京:化学工业出版社,2003:39-92.

[2] 巫静安.高分子材料流变学[M].北京:高等教育出版社,2002:173-202.

[3] 吴春红.原位共聚制备的线性低密度聚乙烯的结构特征[J].高分子通报,2015(12):54-70.

[4] 杨志骅.聚乙烯无卤阻燃研究进展[J].工程塑料应用,2011,39(7):96-99.

[5] Lubczak J, Lubczak R. Melamine polyphosphate the reactive and additive flame retardant for polyurethane foams [J]. Acta Chimica Slovenica, 2016,63(1):77.

[6] 苏明阳,王海军,唐林生.氢氧化镁阻燃剂的应用现状及研究进展[J].当代化工,2015,44(1):114-116.

[7] Wang QL.Preparation and surface modification of Mg(OH) (2)/siloxane nanocomposite flame Retardants[J]. Polym. Eng.2015,35(2):113-117.

[8] 姚梦龄,刘彩文.阻燃剂氢氧化镁的制备及其添加量对LLDPE的流变性的影响[D].呼和浩特:内蒙古工业大学大学,2017.

[9] 王立春.膨胀阻燃LLDPE/EVA复合材料的制备及其改性[J].现代塑料加工应用,2016,28(4):15-18.

[10] Zhang Q, Zhan J, Zhou K, et al. The influence of carbon nanotubes on the combustion toxicity of