产学研协同的塑料改性、加工与性能测试一体化综合实验设计与实践

董桂伟， 赵国群， 王桂龙， 宋立彬， 王家昌

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南250061；2.青岛海信模具有限公司，山东青岛266114）

0 引 言

实验教学是高等教育实践教学的重要环节，在培养学生的实践、探索、科研、创新能力方面有着重要作用，是高校培养创新型人才不可缺少的重要途径［1-2］。近年来，尽管实验教学在高校教学中得到了越来越高的重视，但在实验设计和实验内容等方面还存在项目陈旧、实践性不强、脱离产业实际等一系列不足，亟须进一步改进和加强［3-5］。“十三五”规划明确提出高等教育要“改革院校创新人才培养模式，引导推动人才培养链与产业链、创新链的有机衔接”，强调高校要通过与企业的深度沟通与协作，把与企业单边合作行为上升为校企人才培养协同战略，同时注重寓教于研，构建产学研协同的创新人才培养模式［6-8］。

针对我校材料成形及控制工程专业本科实验教学，结合产业发展需求、行业研究热点以及本专业自身的科研优势，设计了一项产学研协同的集塑料改性、加工与性能测试于一体的综合性实验教学项目。本实验以青岛海信模具有限公司快速热循环注塑工艺涉及的塑料改性问题的需求为出发点，由学生综合高分子材料科学、塑料成形工艺与模具设计、材料性能与检测等专业理论知识，在研究和试验先进材料成形工艺的基础上，独立或协作完成塑料材料改性、共混挤出、快速热循环注塑成形、试样力学性能测试等过程，并最终进行实际产品生产，评价材料改性效果。本实验项目的前沿性、研究性和实际应用性选题可以提升学生探索科学和实际生产问题的兴趣，有利于学生创新能力、科学研究能力和综合能力的提升，并可为实现产学研协同背景下的人才培养新模式提供借鉴。

1 设计背景

材料成形及控制工程专业是材料科学、材料加工、检测测试与自动控制技术的综合与交叉，是一个应用性、实践性都很强的专业。近年来，随着本专业本科教学改革的进一步深入和工程教育专业认证的全面推行，对材料成形及控制工程专业的本科实践类教学特别是综合与创新性实验教学提出了新的要求［9］。目前，本专业现有实验教学体系内容仍以课本理论知识点的感性认知为主，与实际工程生产过程的贴合度不高、与本专业的科研方向吻合度不强，造成现有综合与创新性实验项目体系具有一定的局限性，在综合锻炼学生运用所学知识解决材料成形过程实际问题的能力、创新研究与工程实践能力方面有所欠缺，亟需开发新的集探索性、研究性、设计性和应用性在内的综合性实验教学项目［10］。

塑料改性是在通用塑料和工程塑料的基础上，经过填充、共混、增强等方法加工，提高其强度、抗冲击性、韧性等性能的工艺方法，是塑料材料加工与成形专业领域的重要内容。塑料改性的需求往往来源于新的塑料成形工艺方法，本专业团队与青岛海信模具有限公司前期成功合作开发了快速热循环注塑工艺，实现了塑料产品的高光无熔痕生产［11］。然而，该新工艺特殊的工艺特征对成形塑料材料提出了更高的要求，要求材料具备更高的硬度、表面光泽度、流动性和更优良的力学性能［12-13］。同时，塑料改性的效果评价依赖于改性后材料的性能测试和实际产品生产，而针对这些内容所设计的实验教学项目目前还很少，也没有进行科学的综合。因此，设计塑料改性、加工与性能测试于一体的综合实验，将企业的实际需求、学校的研究优势引入到实验教学，产学研协同融合，对新时期高层次创新人才培养具有重要意义［14］。

2 实验设计

2.1 实验目的

本综合实验的目的如下：

（1）加深对材料成形原理、材料成形工艺、聚合物加工工程、聚合物改性原理、材料成形检测及控制工程挤出、材料性能与检测、塑料成形工艺与模具、塑性成形CAE等课程知识的理解。

（2）熟悉塑料共混改性、注塑成形以及力学性能测试的基本原理和方法。

（3）了解和研究快速热循环注塑新工艺在实际生产中的应用。

（4）掌握计算机在聚合物成形工艺中的应用。

（5）掌握双螺杆挤出机、注塑机、材料试验机等设备的基本操作和日常维护。

2.2 实验材料和仪器设备

（1）实验材料。聚碳酸酯PC 2405（德国拜耳）；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS 8391（中石化）；玻璃纤维3.0 mm（中国重庆国际复合材料有限公司）；主抗氧剂1010（瑞士汽巴）；辅抗氧剂168（瑞士汽巴）；润滑剂EBS（马来西亚甲洞公司）；磷系阻燃剂UN707（德国朗盛）；磷系阻燃剂PX-220（浙江万盛化工）；增韧相容剂MBS EM500（德国巴斯夫）等。

（2）实验仪器设备。SHJ-30型同向双螺杆挤出机组；MA3200型注塑机；CMT5205微机控制电子万能试验机；XC-5.5型摆锤冲击试验机；注塑样条模具一套（标准ASTM拉伸、弯曲、冲击样条）、快速热循环模温控制系统等。

2.3 实验内容

本实验项目的主要内容包括塑料改性、注塑加工和性能测试3个部分，如图1所示。其中，塑料改性部分根据合作企业的实际产品提出相关塑料材料的改性要求，学生根据所学塑料改性知识，分组进行塑料共混改性配方设计，并确定相应的挤出工艺参数，操作双螺杆挤出机组，进行塑料共混挤出与切粒；注塑加工部分首先学生利用Moldflow软件进行加工试样的注塑流动分析，在此基础上确定合理的注塑工艺方案，重点研究确定快速热循环注塑工艺的模具温度控制方案，利用电加热快速热循环注塑模具，在注塑机上完成实验试样的注塑成形；性能测试部分根据改性要求，重点测试试样的力学、阻燃等性能，并与改性前的材料进行对比，最终进行产品试生产，考察和评价塑料改性效果。

图1 实验项目内容

3 实践案例-短切玻璃纤维增强对PC／ABS复合材料力学性能的影响

3.1 实验意义

以PC和ABS为主要原料的共混物作为一种重要的工程塑料复合材料，融合了ABS和PC的各自优点，被广泛应用于汽车、家电国防军工等领域。为实现PC／ABS复合材料在快速热循环注塑工艺的深入应用，研究短切玻璃纤维增强PC／ABS改性具有重要工程指导价值。

3.2 实验内容及试样制作

（1）PC、ABS不同配比的性能变化。在仅添加抗氧化剂的条件下，探讨PC与ABS不同配比的性能变化，按照PC／ABS 为80／20、60／40、50／50、30／70、20／80 5种方案进行共混改性实验。

（2）不同玻纤添加量的PC／ABS复合材料性能变化。在上述实验的基础上，选择合适的PC／ABS配比方案，分别以10%、20%、30%的比例加入长度为3.0 mm的玻璃纤维进行实验。

除玻璃纤维外，所有实验方案的共混材料按比例称重后，首先在高速混料机上充分混合，然后通过长径比40的SHJ-30型同向双螺杆挤出机组进行共混、重融、冷却和切粒。挤出机料筒各段的温度控制分别为180、230、240、245、240 和230 ℃，挤出机的螺杆结构从一区到六区分别设置为“传输段-强剪切段-传输段-剪切段-剪切段-输送段”。共混挤出后的改性塑料颗粒经充分干燥后在MA3200型注塑机上注塑成形得到如图2所示的标准样条试件。

图2 注塑成形样条

3.3 性能测试

（1）强度测试。试样的拉伸强度和弯曲强度在CMT5205电子万能试验机上进行。根据ASTM D638测试标准，拉伸试验中，试验机的横梁速度设定为5.0 mm／min，样品标距为50.0 mm；弯曲试验中的横梁速度选择为2.0 mm／min，跨距为样品厚度的16倍。要求学生每组实验所测试样数为5个，并记录其平均值。

（2）缺口冲击强度测试。采用XC-5.5型摆锤冲击试验机，测试样品的悬臂梁缺口冲击性能，根据ASTM D256测试标准，冲击能量采用2.75 J，冲击速度为3.50 m／s，要求测量样品数为5个，并取其平均值。

3.4 结果分析

图3（a）所示给出了有无熔接痕PC／ABS复合材料样品的拉伸强度随ABS含量增加的变化规律，由图可见，对于有无熔接痕两种情况，样品的拉伸强度都随ABS含量的增加而显著降低。图3（b）所示给出了PC／ABS复合材料样品的缺口冲击强度随ABS含量增加的变化情况，由图可见，该体系的缺口冲击强度呈现两个峰值，分别是ABS含量在20%和50%左右。而综合PC／ABS复合材料体系的拉伸强度、缺口冲击强度的变化可以推断，为了获得综合性能优良的PC／ABS产品，ABS的添加比例应少于40%。

基于上述实验和研究，确定PC／ABS的最优配比方案为7∶3。在此基础上分别以10%、20%、30%的比例加入长度为3.0 mm的玻璃纤维进行实验。图4（a）所示给出了不同纤维含量的有无熔接痕样品的拉伸强度的变化，图4（b）给出了不同纤维含量的有无熔接痕样品的弯曲强度的变化。可以发现，随着纤维含量的增加，PC／ABS复合材料体系的拉伸强度和弯曲强度都获得了不同程度的增加，同时，纤维含量的增加对复合材料体系拉伸强度的影响程度要低于对其弯曲强度的影响程度。

图3 ABS含量增加对PC／ABS复合材料强度的影响

图4 玻璃纤维含量对PC／ABS复合材料强度的影响

3.5 试生产与评价

根据上述实验结果，采用PC／ABS配比7∶3，添加20%长度3.0 mm玻璃纤维的共混方案，进行挤出共混挤出造粒，并在青岛海信模具有限公司进行了电视机胶框产品的试生产，得到如图5所示的试验产品。对该试验产品进行进一步的性能测试，结果显示满足生产需求，改性效果良好。

图5 试生产的电视机胶框产品

4 结 语

该综合性实验教学项目已经对有一定专业知识基础的大三及以上学生开设，实验所涉及的塑料改性、挤出工艺、注塑工艺、性能测试等基本知识和技能，所用到的新工艺和新装备，都要求学生既要具备一定的基础能力，又要一定分析问题、解决问题以及逆向评价结果的能力，同时实验项目与企业需求的高度贴合，使学生探求欲望和科研积极性得到了大幅提升。目前的实验结果和教学效果表明，在该实验项目中，学生既参与了实验内容的设计和实验结果的分析，又学习了多种材料成形新工艺，同时掌握了部分先进科研检测仪器的使用，激发了学生对科学研究的兴趣，培养了学生的创新思维和科研意识，也提高了学生的动手能力和综合素质。