对高分子材料成型加工技术关键点的分析
【摘 要】 随着科技的发展，高分子技术应运而生。高分子成型加工技术是一门涉及范围广泛的学科，这其中涉及的化学、物理方面问题已经成为现阶段国际研究热点问题。但是，在应用过程中遇到的很多问题有待探讨。基于此，文章对高分子材料成型加工技术进行分析，以期能够提供一个借鉴。
【关键词】 高分子材料；成型加工；技术
1、高分子材料成型的基本原理及问题
通常，在传统的高分子工业生产中，高分子材料的制备和加工成型是两个截然不同的工艺过程。制备过程主要是化学过程：单体、催化剂及其他助剂通过反应堆或其他合成反应器生成聚合物。聚合反应往往需要几小时甚至数十小时，部分聚合反应还需要在高温、高压或真空等条件下进行。聚合反应结束后再分离、提纯、脱挥和造粒等后处理工序。制备过程流程长、能耗高、环境污染严重，增加了制造成本。合成的聚合物再通过加工成型，得到制品。一般采用挤塑、注塑、吹塑或压延等成型工艺，设备投资大。此外，加工过程中，聚合物需要再次熔融，增加了能耗。高分子材料反应加工是将高分子材料的合成和加工成型融为一体，赋予传统的加工设备（如螺杆挤出机等）以合成反应器的功能。单体、催化剂及其他助剂或需要进行化学改性的聚合物由挤出机的加料口加入，在挤出机中进行化学反应形成聚合物或经化学改性的新型聚合物。同时，通过在挤出机头安装适当的口模，直接得到相应的制品。反应加工具有应周期短（只需几分到十几分钟）、生产连续、无需进行复杂的分离提纯和溶剂回收等后处理过程、节约能源和资源、环境污染小等诸多优点。
高分子材料的性能不仅依赖于大分子的化学和链结构，而且在很大程度上依赖于材料的形态。聚合物形态主要包括结晶、取向等，多相聚合物还包括相形态（如球、片、棒、纤维及共连续相等）。聚合物制品形态主要是在加工过程中复杂的温度场与外力场作用下原位形成的。
高分子反应加工分为两个部分：反应挤出和反应注射成型。目前国内外研究与开发的热点集中在反应挤出领域。高分子材料的反应挤出通常包括两个方面：一是将反应单体、对话及核反应助剂直接引入螺杆挤出机，在连续挤出的过程中发生聚合反应，生成聚合物；二是将一种或数种聚合物引入螺杆挤出机，并在挤出机的适当部位加入反应单体、催化剂或反应助剂，在连续挤出的过程中，使单体发生均聚或与聚合物共聚，或使聚合物间发生偶联、接枝、酯交换等反应，对聚合物进行化学改性或形成新的聚合物。反应加工过程中涉及的化学反应有自由基引发聚合、负（或正）离子引发聚合、缩聚、加聚等多种反应类型，与传统反应需数小时或十几小时相比，其反应时间往往只有几分钟或几十分钟。
高分子材料的合成和制备一般是由几个化工单元操作组成的，高分子反应加工把多个单元操作熔为一体，有关能量的传递和平衡，物料的输运和平衡问题，与一般单个化工单元操作截然不同。由于反应加工过程中发生的化学反应（聚合）多为放热反应，传统聚合过程是利用溶剂和缓慢反应解决传热与传质问题的，而在聚合反应加工过程中，物料的温度在数分钟内将达到400-800℃，若不将反应过程中产生的热及时的脱除，物料将发生降解和炭化。传统的加工过程是通过设备给聚合物加热，而聚合反应加工中是需要快速将聚合生成的热量通过设备移去，因此，必须从化学工程和工程热物理学两个方面开展相应的基础研究。
2、简述高分子材料成型加工术的发展历程
在对一项科学技术进行深入探讨之前，很有必要对其的产生、发展到应用的过程有所了解。由于新型高分子材料的发现较早，但是由于观念上的落后以及设备上的落后，导致高分子材料从发现到大规模的应用于工业流程中所耗费的时间较为漫长。近年来，随着关于高分子技术的一系列难题攻破，到更多、更加优良的高分子材料被发现，高分子技术开始进入飞速发展的时代。20世纪90年代塑料的平均增长率有了很大的提升，随之而来的塑料产量也有很大幅度的提升。不管是在塑料的产量上有了大幅度的提升，在塑料的种类上，材质上，应用范围上都有了很大的优化与发展。举个例子来说，之前制造一批汽车可能需要三百吨钢铁，而现在可能只需要三百吨的塑料就能达到相同的效果，甚至更好的效果。在钢材日益减少的现在，这些高分子材料的发明给了人类在发展道路上无限种可能。在汽车行业中，由传统纯钢铁制造的汽车可能已经无法满足现代人类的需要了，而对于高分子材料制造而成的汽车，不仅在强度上不输于钢铁，在造价，环保方面更是胜于钢铁一筹。而在其他方面也会有很多改变，规模上要更小一些，周期要相对更短一些，能量的消耗要更低一些，回收率要更高一些，对空气的污染程度和对资源的消耗要更小一些。
据悉，目前汽车上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的传统汽车材料（如钢铁等）。因此，汽车中越来越多的金属件由塑料件代替。此外，汽车中约90%的零部件均需依靠模具成型，例如制造一款普通轿车就需要制造1200多套模具，在美国、日本等汽车制造业发达的国家，模具产业超过50%的产品是汽车用模具。目前，高分子材料加工的主要目标是高生产率、高性能、低成本和快捷交货。制品方面向小尺寸、薄壁、轻质方向发展；成型加工方面，从大规模向较短研发周期的多品种转变，并向低能耗、全回收、零排放等方向发展。
3、高分子材料的主要成型方法
3.1挤出成型
高分子材料挤出成型技术一般是按照管状材料形状冷却定型，然后将其置入水槽中进行冷却加工处理，冷却完毕之后使用牵引装置，将其运至切割装置进行切割，将其切割至需要的长度。现阶段关于高分子材料挤出成型中，主要有外经成型与内径成型两种。
3.2注塑成型
现阶段，注射成型技术主要被运用于热塑型塑料成型之中，也可以被应用于一些热固定性塑料成型技术之中，其成型原理是将颗粒料放置于注射机的料筒之间，并且进行加热，最后在剪切作用力下面便成为粘性流动状态，然后就可以使用户螺杆或者柱塞进行压力施加，使熔体快速通过喷嘴进入膜枪之中，最后进行冷却固化。
3.3吹塑成型
吹塑成型及时就是将塑料经过机口位置罅隙圆筒进行挤出，然后再经过机头中心位置吹入压缩过的空气，将膜管吹成直径较大的膜管状技艺。这种成行办法可以分为上引法与下引法。
3.4塑料激光成型
激光塑性技术最近几年新出现的一种加工技术，现阶段塑料激光塑型技术主要是通过高度聚焦的激光垂直照射在需要进行塑型的模板之上，但是塑料能够直接进行吸收激光的能力较低，所以必须在要塑型的部位涂上一些可以吸收热量的涂料。塑料受到温度影响就会发生变形。
3.5半结晶塑料激光成型
塑料激光成型技术就是吸收激光能量使塑料的一个面进行变形。塑料表面的温度，必须要在材料结晶溶解的温度下面，才能更好的保证塑料的性能。塑料的拉伸应力与弯曲强度方面，必须要使温度在60摄氏度以上才能进行变形，否则变形就会不完整。
3.6激光烧结成型
激光烧结成型技术是使用CAD辅助技术对塑料进行加工处理。可以有效的节约生产模具方面的成本结算。激光烧结成型技术是一种非常具有发展潜力的技术。它能够有效的节约生产成本，比注塑技术更加环保节能，对于零部件的生产方面有更加出色的表现，是一种极具发展潜力的塑料成型技术。
3.7压制成型技术
一般这种技术主要用于热固性塑料的成型上。而在现实生产技术中，把它分为模压成型和层压成型两种类型。这两种科学技术相比较而言，他们的生产过程控制、使用设备等比较简单，适用于大型制品上。
4、现今高分子材料成型加工技术的创新研究
4.1聚合物动态反应加工技术及设备
聚合物反应加工技术是以现双螺杆挤出机为基础发展起来的。国外的一家公司已开发出作为连续反应和混炼的干螺杆挤出机，可以解决其它挤出机作为反应器所存在的问题。国内反应成型加工技术的研究开发还处于起步阶段，但我国的经济发展强烈要求聚合物反应成型加工技术要有大的发展。指交换法聚碳酸酝（PC）连续化生产和尼龙生产中的比较关键的技术是缩聚反应器的反应挤出设备，目前，国内外使用的反应加工设备从原理上看都是传统混合、混炼设备的改造产品，都存在传热、传质过程、混炼过程、化学反应过程难以控制、反应产物分子量及其分布不可控等问题。另外设备投资费用大、能耗高、噪音大、密封困难等也都是传统反应加工设备的缺陷。聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同，该技术是将电磁场引起的机械振动场引入聚合物反应挤出全过程，达到控制化学反应过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点，解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题，同时从技术上解决了设备结构集成化问题。新设备具有体积重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、适应性好、可靠性高等优点，这此优点是传统技术与设备无法比拟或是根本没有的。
4.2以动态反应加工设备为基础的新材料制备新技术
信息存储光盘直接合成反应成型技术；这项技术具有简便、周期短，节约能源，存储过程中不易污染，成型前处理比较便捷的特点，能够打破原有技术的很多局限，能够规避很多问题，提高技术产值，具有很好的发展前景。它的主要工作机理是把光盘级的PC树脂化，将中间存储和盘基成型融合在一个流程当中，再借鉴动态连续反应成型技术对交换连续化生产技术进行研究和发展。研发出更具精密性，性能更强大的光盘成型装备。这样做可以有效地降低对能源以及资源的浪费，同时，能够更好地保证产品质量。
4.3复合材料物理场强化制备新技术
此技术在强振动剪切力场作用下对无机粒子表而特性及其功能设计，在设计好的连续加工环境和不加或少加其它化学改性剂的情况下，利用聚合物使无机粒子进行原位表面性、原位包覆、强制分散，实现连续化制备聚合物/无机物复合材料热塑性弹性体动态全硫化制各技术：此技术将振动力场引入混炼挤出全过程，控制硫化反直进程，实现混炼过程中橡胶相动态全硫化。解决共混加工过程共混物相态反转问题。
5、高分子材料成理加工技术的发展趋势
近年来，各个新型成型装备国家工程研究中心在出色完成了国家级火炬计划预备项目和国家“八五”、“九五”重点科技计划（攻关）等项目同时，非常注重科技成果转化与产业化，完成产业化工程配套项目20多项，创办了广州华新科机械有限公司和北京华新科塑料机械有限公司，使其有自主知识产权的新技术与装备在国内外推广应用。塑料电磁动态塑化挤出设备已形成了7个规格系列，近两年在国内20多个省、市、自治区推广应用近800台（套）。销售额超过1.5亿元，还有部分新设备销往荷兰、泰国、孟加拉等国家.产生了良好的经济效益和社会效益。例如PE电磁动态发泡片材生产线2000年和2001年仅在广东即为国家节约外汇近1600万美元，每条生产线一年可为制品厂节约21万k的电费。塑料电磁动态注塑机己开发完善5个规格系列，投入批量生产并推向市场；塑料电磁动态混炼挤出机的中试及产业化工作己完成，目前开发完善的4个规格正在生产试用。并逐步推向市场目前新设备的市场需求情况很好，聚合物新型成型装备国家工程研究中心正在对广州华新科机械有限公司进行重组。将技术与资本结合，引入新的管理、市场等机制，争取在两三年内实现新设备年销售额超亿。我国己加入WTO，各个行业都将面临严峻挑战。
6、结束语
我国必须不断专注于高分子材料成型技术方面的研究，不断掌握尖端科技，只有这样，资源才能得到更好地节约，能源的利用效率才会更高，才能更好的促进我国高分子材料加工工艺的发展，提高经济效益。
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