高分子材料加工成型技术创新与发展研究

袁英

摘 要：高分子材料在工业领域有諸多应用，高分子材料成型技术也得到诸多关注和研究。本文从高分子材料的定义和分类出发，分析了高分子材料的基本性能、成型性能及其加工中的结构变化等，并探讨了现阶段高分子材料加工成型技术的创新与发展方向。

关键词：高分子材料;加工成型技术;创新

中图分类号：TQ320.66文献标识码：A文章编号：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

随着我国经济的迅速发展，高分子材料在各个领域的应用越来越多，高分子成型加工技术对高分子材料应用领域的拓展功不可没。鉴于高分子材料在我国工业领域的重要地位，人们应对其进行更加深入的研究和分析，推进我国科学技术的不断发展。

1 高分子材料的基本性能、成型性能及其加工中的结构变化

1.1 基本性能

高分子材料的基本性能包括力学性能、电性能、热性能、渗透性能、光学性能和化学性能等。

力学性能是高分子材料最常用的属性，高分子材料的力学性能包括比强度、弹性模量、黏弹性、耐磨性、相对分子质量依赖性等[1]。这些性能又可以通过拉伸强度、冲击强度、弯曲强度、压缩强度、疲劳强度、摩擦与磨耗、邵氏硬度、洛氏硬度等进行表征。

聚合物的电性能往往是指将聚合物放置在外加电压或电场下表现出的性能，具体可以通过电传导性能、介电性能、静电现象、驻极体和热释电流等进行表征。

通常，高分子材料都是聚合物，是热的不良导体，其热性能可以用导热系数、热扩散系数、线膨胀系数、熔融（化）热、比热容、热变形温度、维卡软化温度等进行表征。

聚合物的渗透性能包括透气性能和透湿性能两种，制成薄膜的聚合物可以用气体透过系数和水蒸气透过系数表征。

聚合物的光学性质可以通过折射、投射等相关指标来表征。聚合物的化学性能可以按照老化性能、燃烧性能等来表征。由于大多数聚合物是可燃的，为了提高聚合物的安全性，人们会在加工过程中添加阻燃剂、无机填料等来降低其可燃性。

1.2 成型性能

聚合物在不同物理状态下的性能差异往往很大，因此首先要对聚合物的熔融性能进行评价。非晶体高分子聚合物存在玻璃态、高弹态和黏流态，而晶体高分子聚合物可能仅存在结晶态和黏流态两种状态。其中，玻璃态、高弹态和结晶态是聚合物使用时的状态，而黏流态往往是聚合物加工时的状态，但也有一些情况聚合物的成型方法是在高弹态完成的。由于聚合物主要是在黏流态进行加工成型的，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种，即无熔体移走的传导熔融，有强制熔体移走的传导熔融，耗散混合熔融，利用电、化学或其他能源的耗散熔融，压缩熔融。

由于大多数聚合物成型是先将其加工成熔体，然后使其在流道和模具中流动、变形、冷却固定，因此高分子聚合物的流变性也十分重要。影响聚合物流变行为的因素主要有温度对剪切黏度的影响、压力对剪切黏度的影响、黏度对剪切应力（或剪切速率）的依赖性、黏度随时间的变化、聚合物分子结构对黏度的影响以及添加剂对聚合物黏度的影响。另外，还需要注意聚合物流体的弹性，尤其要要注意韦森堡效应、入口效应、出模膨胀、不稳定流动和熔体破裂现象。关于高分子聚合物的可加工性，还需要通过材料的可挤压性、可模塑性、可纺性、可延性以及聚合物的聚集态与加工方法等进行探讨。

1.3 加工中的结构变化

聚合物加工过程中会发生一系列结构变化，主要有取向、结晶、降解和交联等。

取向过程是链段运动的过程，可以分为流动取向和拉伸取向两种。影响聚合物取向的因素有很多，主要包括温度、拉伸比和拉伸速率、聚合物的结构、添加剂以及模具。取向会使聚合物具有各向异性，具体表现为拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率等沿取方向的性能大幅提升，相应的垂直方向的性能则会减弱。对于结晶聚合物，取向也有助于改善制成品的透明度。

结晶聚合物的物理化学性质与结晶度、结晶体的形态和织态等有关，而结晶过程中的变化又与成型控制条件有关，如温度、应力、成核剂等，其中成核剂发挥异相成核效用。结晶聚合物中分子链的收缩聚集使得聚合物密度增加，弹性模量、硬度、屈服强度等也随结晶度的增加而增加。另外，结晶度还影响着折射率、透明度、耐溶剂性能、材料的热性能、化学反应活性和模量等。

聚合物进行化学反应，其基本形式有两种，分别为接枝和交联。其中，接枝主要通过共聚将带功能的基团或支链连接到大分子主链上，而交联是线形大分子链之间形成新化学键，形成三维网状或体型结构的反应。接枝和交联会使共聚物的性能和结构发生较大改变，相关产品也用于诸多领域。聚乙烯等通过辐射交联形成热收缩材料等。

当前，我国经济追求绿色环保和可持续发展，在考虑加工和使用高分子材料时，要考虑材料的降解问题。降解是聚合物聚合度变小的化学反应。通常，降解可以发生在成型过程中，也可以发生在成型之后。前者的降解条件往往更强烈，而后者则由于发生条件限制而发生缓慢，成型之后的降解也称为老化。降解形式主要有热降解、氧化降解、力降解、水解、辐射降解等。而防止降解的措施主要有加入稳定剂、避光、使用合适的工艺和模具、使用一定标准的原材料等。

2 高分子材料成型的几种方法

现代高分子材料成型方法主要有挤出成型、注塑成型、压延成型、发泡成型、其他成型等[1-2]。

2.1 挤出成型

挤压模塑即是挤塑，挤出成型过程往往由加料系统、挤压系统、温度控制系统、传动与控制系统、机头和口模等配合完成。在挤出成型过程中，聚合物将经历固体、弹性体、黏流体最后变回固体的变化过程。挤出成型常用的机器有单螺杆挤出机、双螺杆擠出机两种。使用挤出成型工艺制作的产品主要有塑料管材、塑料薄膜、塑料板片材、电线电缆、塑料单丝等。但是，传统挤出成型工艺功耗高，污染大，已经不适应中国绿色经济发展的需要，因此，挤出成型工艺也有了新的调整和改进。

挤出成型的新技术主要有反应挤出、固态挤出、振动挤出、微纳层共挤出这四种。反应挤出是指在合成过程中进行加工，反应器与挤出机合为一体，这种方式减少了高分子材料的中间环节，可以极大地降低能耗。固态挤出将坯料加工至低于熔点、高于晶体松弛转变温度的区间，然后通过挤压将坯料加工成型，该工艺同样可以降低挤压成型的能耗。振动挤压在挤压过程中引入了振动力场，通过改变压力、温度和功率实现挤出。微纳层共挤出是针对微纳层叠复合材料的一种挤出技术，微纳层叠复合材料主要是通过将不同性能的高分子材料共挤出后形成的。

2.2 注塑成型

注塑成型是指将以粒料为主的塑料通过注塑机、注塑模具注塑加工成型。由于注塑成型比较多见，这里仅对注塑成型新技术进行介绍。注射成型新技术主要有气体辅助注塑成型、可溶芯注塑成型、共注塑成型、反应注塑成型四种。气体辅助注塑成型不仅使用了注塑成型工艺，还使用了发泡成型工艺，在降低了模具型腔内熔体的压力的同时，提高了材料的光滑度，避免了材料发泡产生的不良影响。气体辅助注塑成型有四种成型方法，分别为标准成型法、副腔成型法、熔体回流法、活动型芯法。可熔芯注塑成型主要针对管型件，通过预先制造型芯，利用型芯包覆注塑成型，然后将型芯熔化排出。共注塑成型用于生产多种塑料的复合塑件，相关成型方法很多，但使用较多的主要是双色注塑成型、双层注塑成型、夹芯注塑成型三种。反应注塑成型与反应挤出成型类似，都是将合成与加工成型合二为一的成型方法。反应注塑成型直接采用液态单体和添加剂做原料，通过调整化学组分调整产品性能，省去了聚合、配料和塑化等操作，极大地提高了注塑成型的效率。

2.3 压延成型

顾名思义，压延成型就是借助压力对聚合物进行加工，通常是通过辊筒施加剪切力配合一定温度使材料受到挤压和延展，并最终制成薄膜或薄片，压延成型示意图如图1所示。该法生产出的制成品一般厚度保持在0.05～0.30 mm，厚度大于0.3 mm的片材使用的则是挤压法。压延成型技术的改进主要表现在压延设备方面，如将传统压延机改造为异径辊筒压延机，在压延机后增加扩幅机（使中小型压延机可以生产较宽幅度的产品）。为了提高规模效应，减少人工成本，现代压延机越来越趋于大型化、自动化和高速化。另外，也有部分压延机对冷却装置进行了改进，极大地减少了高速运转时辊筒和材料中的空气。

2.4 发泡成型

发泡成型主要生产的是以发泡塑料等为主的内部有无数微孔性气体的塑料。泡沫塑料的传统发泡方法主要有机械发泡法、物理发泡法、化学发泡法三种，另外还有超临界二氧化碳发泡和高压釜发泡。超临界二氧化碳发泡是指超临界二氧化碳的聚合物饱和溶液在某温度下恒温迅速降压，使得混合溶液快速过饱和并生成晶核，这些晶核生长成型后最终形成具有蜂窝状的孔材料。高压釜发泡则将聚合物片材在一定压力和温度下置于气体（如氮气）中足够长的时间，当气体在材料中饱和后通过快速泄压进行发泡成型。

2.5 其他成型

其他成型方法有二次成型、热固性塑料的成型、铸塑成型、冷压烧结成型、3D打印等。二次成型主要是将经过一次加工的型材在高弹态下进行二次加工的技术，中空吹塑、热成型都属于二次成型的范畴。热固性塑料在交联环节与热塑性塑料有本质的差异，由于热固性塑料无法再通过加热转变为液体，其成型技术也就有了明显变化。热固性塑料的成型技术主要有压制成型、注压成型、挤出成型以及注射成型这几种。铸塑成型也称浇铸成型，主要方法有静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、流延铸塑、搪塑和蘸塑成型等。冷压烧结成型主要经过冷压制坯、烧结和冷却这几个环节。3D打印是近年来快速兴起的技术，现有的3D打印技术有熔融沉积成型技术和三维喷涂粘接快速成型两种。3D打印成型与3D打印的材料有关，现阶段常用的材料主要是ABS树脂和PLA树脂两种。

3 结语

高分子材料成型技术会根据聚合物的物理性质、化学性质以及用途等有不同的变化和调整，其技术的创新发展也会有所不同。不论高分子材料成型技术的形式如何变化，核心都是利用材料的物理性质、化学性质，通过调整材料发生物理、化学变化的外部条件达到材料成型的目的。但实事求是地讲，技术是制约3D打印技术从出现至今依然难以大规模普及的瓶颈，可见高分子材料成型技术的创新之难。

参考文献：

[1]侯庆新.高分子材料的加工成型技术研究[J].化工管理，2020（11）：109-110.

[2]王杰.浅谈高分子材料成型加工技术以及应用前景[J].科技风，2020（5）：164.