塑料及其成型加工技術(shù)的現狀與發(fā)展杜遙雪瞿金平2（1.五邑大學(xué)機電工程系，廣東江門(mén)529020；2.華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣東廣州510641）等塑料成型加工領(lǐng)域方面的新技術(shù)和研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述。
1塑料在國民經(jīng)濟中的重要作用材料、能源、信息是現代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，材料科學(xué)是當今世界的帶頭學(xué)科之一。高分子材料是材料領(lǐng)域中的后起之秀，它主要包括合成樹(shù)脂和塑料、合成纖維、合成橡膠三大類(lèi)，通常稱(chēng)之為“三大合成材料”。與其它材料相比，塑料具有重量輕、耐腐蝕、比強度高、電性能優(yōu)異、容易加工成各種外觀(guān)美麗且色彩鮮艷的制品等特點(diǎn)，已成為材料工業(yè)不可缺少的重要組成部分，而且是材料工業(yè)中高新技術(shù)最活躍的領(lǐng)域。
目前，塑料的應用領(lǐng)域正逐步擴大，已涉及到國民經(jīng)濟的各個(gè)方面乃至人們的日常生活，如以塑料代替鋼鐵、銅、鋁等金屬材料，木材，陶瓷，玻璃，皮革，紙張，漆器，橡膠，石料等。另外，塑料還能制成功能性塑料產(chǎn)品。塑料制品廣泛應用于農業(yè)、漁牧業(yè)、電氣、機械表、汽車(chē)、航空航天、化工、建筑材料、包裝等工業(yè)部門(mén)。
2塑料及其成型加工方法2.1塑料的分類(lèi)根據塑料熱行為的不同，可將塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料。常見(jiàn)的熱塑性塑料品種有：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、氟塑料、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）。常見(jiàn)的熱固性塑料品種有：酚醛塑料（PF）、氨基塑料、環(huán)氧塑料（EP）、不飽和聚酯塑料（UP）。
根據塑料產(chǎn)量和應用情況不同，可將塑料分為通用塑料、工程塑料和功能塑料。其中工程塑料又可分為通用工程塑料和特種工程塑料。
52五邑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2001年2.2塑料成型加工的方法塑料從成型材料到有使用價(jià)值的塑料制品的轉換必須經(jīng)過(guò)成型加工過(guò)程。在此過(guò)程中，首先必須根據各種成型材料的固有性質(zhì)，利用加熱、加壓、溶脹或溶解等一切可以實(shí)施的辦法使其達到可塑狀態(tài)，繼而獲得模具所賦予的形狀和尺寸，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工最終成為符合要求的制品。塑料制品的成型加工方法有模壓、擠出、注射、中空吹塑、壓延、澆鑄、熱成型等。
3塑料的發(fā)展趨勢3.1通用熱塑性塑料的高性能化和工程化以PE、PP和PVC為代表的聚烯烴是通用熱塑性塑料中占首位的品種（見(jiàn)表1）。通用熱塑性塑料高性能化和工程化的方法有：合金、共混、共聚、復合、增強、填充、發(fā)泡等。
表1 1998年我國各種樹(shù)脂消費情況四川大學(xué)對納米級無(wú)機填料在碳黑填充硬質(zhì)PVC中的作用進(jìn)行了研究，在保證材料抗靜電性能的前提下，添加0.5%的納米級無(wú)機填料，即可使材料的沖擊強度提高56%，拉伸強度增加3MPa，熔體流動(dòng)性也有所改善。
3.2工程塑料的開(kāi)發(fā)和應用近年來(lái)，工程塑料一方面繼續不斷研究開(kāi)發(fā)新品種，發(fā)掘原料來(lái)源容易的新工程塑料。與此同時(shí)努力降低材料價(jià)格，特別是設法降低原料單體的價(jià)格，開(kāi)發(fā)出劃時(shí)代的新聚合工藝。另一方面通過(guò)合金、共混、改性、填充、增強、復合等途徑，開(kāi)發(fā)了一大批新品牌。
聚酰胺中的PA66是DuPont公司于60年前率先實(shí)現工業(yè)化的產(chǎn)品。它具有耐熱性、力學(xué)性能、成型加工性相平衡的優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車(chē)、機械、電氣電子、辦公自動(dòng)化設備、建材等領(lǐng)域廣泛應用。其需求量列五大工程塑料之首位。
PC是通用工程塑料中唯一非結晶性透明材料。它具有優(yōu)異的耐沖擊性、耐熱性、耐酸、介電性及耐寒性。目前，其需求量?jì)H次于PA.PC具有高透明度，用于汽車(chē)燈具、透鏡等照明器件，天棚、隔音板、采光門(mén)窗等透明板材。PC另一個(gè)引人矚目的應用領(lǐng)域是制作光盤(pán)，目前市售的CD-ROM都是以PC為原料。
3.3聚合物的合金和共混隨著(zhù)工業(yè)界對材料需求的復雜化和多樣化，聚合物合金和共混物應運而生。
聚合物合金和共混物投資少，風(fēng)險小，易于適應市場(chǎng)需求的細致變化。
復旦大學(xué)以少量SMAH為增溶劑，將PA6與ABS共混，制得PA6/ABS/SMAH共混物，其綜合力學(xué)性能明顯提高+清華大學(xué)將少量的低分子環(huán)氧樹(shù)脂（EP）加入到PC/LCP二元共混物中，制得PC/EP/LCP共混物。當加入2%的EP時(shí)，該共混物的綜合力學(xué)性能大幅度提高，其中斷裂強度提高11.2MPa，斷裂彈性模量提高0.9GPa，彎曲強度提高19MPa. 3.4塑料的功能化和智能化功能高分子是高分子化學(xué)的一個(gè)重要分支，它融合了高分子物理、物理學(xué)、生命科學(xué)、電子學(xué)等有關(guān)學(xué)科的知識，通過(guò)分子設計、分子結構對功能的影響規律研究，可以合成并制備種類(lèi)繁多、功能奇特的材料或器件。其前沿領(lǐng)域有電子功能聚合物及信息技術(shù)研究、醫藥功能高分子及衛生保健技術(shù)研究、信息高分子的合成及應用技術(shù)、各種敏感檢測材料、微小機械材料等。
導電塑料是指體積電阻率小于106 cm或電導率大于2S/cm的一類(lèi)聚合物。在20世紀80年代以前，人們一直認為塑料為絕對的非導體材料。1977年日本學(xué)者KSiakawa和MacDiarmid首先開(kāi)發(fā)出電導率為103S/cm的聚乙炔，并于1986年將其進(jìn)行雙向拉伸改性處理，電導率可達104~105S/cm.這時(shí)，人們才認識到塑料也可成為導體，而且是一種電的良導體。導電塑料具有質(zhì)輕、導電性好、防腐蝕、防生銹等優(yōu)點(diǎn)，是一類(lèi)很有發(fā)展前途的導電材料。
智能化塑料是指能夠感知和接受外部環(huán)境的信息如聲、光、電、磁、酸堿度、溫度、力等，并可根據環(huán)境變化自動(dòng)改變自身形態(tài)，作出反應的一類(lèi)新型高分子材料，這是美日科學(xué)家最近提出的新概念。智能化塑料同時(shí)具備傳感、控制及驅動(dòng)三重功能，它能通過(guò)自身的感知，進(jìn)行信息處理，發(fā)出指令并執行和完成動(dòng)作，從而達到自檢測、自診斷、自控制、自校正、自修改和自適應的功能。目前，已開(kāi)發(fā)的智能化塑料主要有形狀記憶塑料和壓電塑料兩種。
3.5聚合物基復合材料的迅猛發(fā)展復合材料是由高分子材料、無(wú)機非金屬和金屬材料通過(guò)復合工藝構成的一種新型材料，其中聚合物基復合材料已成為復合材料的主角。目前，聚合物基復合材料正從重點(diǎn)發(fā)展熱固性樹(shù)脂轉向大力發(fā)展高性能熱塑性樹(shù)脂。
納米材料加入到聚合物中，可使聚合物材料的性能得到很大的提高，在聚合物中加入納米材料是制備高性能、高功能復合材料的重要手段之一。納米材料在塑料中的作用不僅僅是補強，而且還能賦予基體材料其它新的功能。如：由于納米材料的粒子尺寸很小，透光率好，將其加入塑料中可以使塑料變得很致密，表2純PA6與PA6/粘土納米復合材料的性能比較特別是半透明的塑料薄膜，添加納米材料后不但薄膜的透明度得到提高，韌性、強度也有所改善，且防水性能大大增強。
中國科學(xué)院漆宗能教授等采用層間插入法成功地制備了聚酰胺、聚酯、聚苯乙烯及高抗沖聚苯乙烯層狀硅酸鹽納米復合材料，并得出插層聚合復合材料具有高耐熱性、高彈性模量、高強度和阻隔性好等特點(diǎn)。由表2可以看出，其性能大大優(yōu)于傳統材料。
4塑料成型加工的新技術(shù)4.1反應性加工技術(shù)反應性加工是指成型加工中，確保不相容共混物組分之間發(fā)生適當的化學(xué)反應，在混合過(guò)程中就地生產(chǎn)增容劑，并控制分散相形態(tài)，制取各種高性能的共混物和合金材料。
反應注射成型（RIM）是將兩種或兩種以上具有反應性的液體組分在一定溫度下注入模具型腔內，在其中直接生成聚合物的成型技術(shù)，即將聚合與成型加工一體化，或者說(shuō)直接從單體54五邑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2001年得到制品的“一步法”注射技術(shù)?；ゴ┚酆衔锞W(wǎng)絡(luò )（IPN）與RIM結合起來(lái)的IPN-RIM是近年來(lái)國外正在開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。
近年來(lái)，反應擠出加工技術(shù)已愈來(lái)愈多地應用于加成聚合反應、縮聚反應、接枝共聚反應、控制聚合物分子量及分子量分布等方面。反應擠出技術(shù)是把聚合物的化學(xué)反應和聚合物的擠出加工有機結合成一個(gè)完整的連續過(guò)程的反應性聚合物加工。隨著(zhù)單螺桿擠出機性能的不斷完善，特別是雙螺桿擠出機的出現，為連續反應成型提供了優(yōu)良的特性，對反應擠出成型的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。
4.2振動(dòng)技術(shù)在成型加工中引入振動(dòng)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是讓聚合物熔體產(chǎn)生振動(dòng)，借助熔體的振動(dòng)作用，改變熔體的流動(dòng)狀態(tài)，控制制品的內部結構與微觀(guān)形態(tài)，從而達到控制制品力學(xué)性能和外觀(guān)質(zhì)量的目的。
在注射成型中引入振動(dòng)技術(shù)，其目的和作用在于把振動(dòng)引入模腔中，使模腔內聚合物熔體產(chǎn)生振動(dòng)剪切流動(dòng)，通過(guò)振動(dòng)剪切取向和誘導作用，生產(chǎn)出高強度、高性能的注射制品，這是傳統的注射成型工藝無(wú)法得到的。注射成型中的加振方法有多點(diǎn)進(jìn)料振動(dòng)成型、推拉注射成型、螺桿加振技術(shù)等。
墨西哥BMena等人通過(guò)在擠出機的模具上段安裝一個(gè)可以縱向、橫向振蕩和螺旋運動(dòng)的裝置，可使低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDI>E）和PS擠出物的力學(xué)性能得到明顯提高。采用兩臺交流電機分別精確控制振蕩頻率和幅度，通過(guò)熱電偶控制物料溫度。由于振蕩導致的鏈取向，使聚合物性能提高。該振蕩裝置還可降低施加于擠出模入口的壓力，節能20%以上。
4.3電磁動(dòng)態(tài)成型技術(shù)電磁動(dòng)態(tài)成型技術(shù)是華南理工大學(xué)教育部“長(cháng)江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授瞿金平發(fā)明的具有世界首創(chuàng )水平的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)從換能方式入手，提出了直接電磁換能、機電磁一體化和動(dòng)態(tài)成型新概念，使機械結構大大簡(jiǎn)化，能耗降低，制品質(zhì)量顯著(zhù)提高。
電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機的塑化擠壓部分被全部置入驅動(dòng)電機轉子的內腔中，讓轉子直接參與聚合物的塑化擠出過(guò)程，并利用轉子的轉動(dòng)、諧波振動(dòng)和強制振動(dòng)，直接將電磁功率轉換為熱能、壓力及動(dòng)能，完成物料的輸送、塑化擠出成型。這樣便將電磁場(chǎng)引起的機械振動(dòng)場(chǎng)引入到聚合物塑化擠出全過(guò)程，實(shí)現了物料動(dòng)態(tài)塑化擠出、直接電磁換能及結構的集成化。該設備具有體積重量減少約70%、制造成本降低50%左右、能耗降低約50%、噪音低、對物料的適應性好、塑化混煉效果好、擠出溫度低和成型制品質(zhì)量高等一系列顯著(zhù)特點(diǎn)。由表3可以看出，新型擠出機生產(chǎn)的薄膜各項性能均優(yōu)于傳統擠出機。
表3新型擠出機和傳統擠出機生產(chǎn)的薄膜性能比較物料擠出機拉伸強度/MPa撕裂強度/（kg/cm）斷裂伸長(cháng)率/%縱向橫向縱向橫向縱向橫向新型傳統新型傳統電磁動(dòng)態(tài)注射機將塑化裝置與控制系統巧妙地結合在一起，采用無(wú)拉桿、雙動(dòng)模板的結構方式，完全打破了傳統注射機的結構模式。電磁動(dòng)態(tài)注射機將振動(dòng)場(chǎng)引入塑化、注射、成型全過(guò)程，有利于實(shí)現低壓注射和精密注射成型。
利用電磁動(dòng)態(tài)成型技術(shù)研制的電磁動(dòng)態(tài)混煉擠出機，采用直接的換能方式，將振動(dòng)場(chǎng)引入塑化、混煉、排氣擠出成型的全過(guò)程，比傳統的雙螺桿擠出機性能大大改善。
4.4在線(xiàn)檢測及自動(dòng)控制技術(shù)在塑料工業(yè)發(fā)達國家，注塑成型設備的數字、智能控制和比例或伺服系統技術(shù)已經(jīng)成熟，而且在迅速更新提檔。擠出成型設備實(shí)現全線(xiàn)聯(lián)機控制，并與在線(xiàn)檢測裝置建立反饋系統。例如通過(guò)對膜、片厚度的在線(xiàn)檢測，實(shí)現機頭膜唇間隙自動(dòng)調整；通過(guò)對吹塑管泡徑向尺寸的測定，調整內冷裝置進(jìn)排氣量；中空成型型坯厚度實(shí)現數字化。
4.5氣體輔助技術(shù)氣體輔助注射技術(shù)是20世紀90年代初剛剛進(jìn)入實(shí)用階段的塑料成型加工新技術(shù)，在產(chǎn)品設計方面有許多新的設計概念氣體輔助注射成型是在物料充模過(guò)程中，向熔體內注入相對注射壓力而言的低壓氣體，利用氣體的壓力實(shí)現保壓補縮。氣體輔助注射成型的氣體控制裝置控制氣體產(chǎn)生低頻壓力脈動(dòng)，可以直接對氣體輔助注射制品施加波動(dòng)的壓力，改變熔體在冷卻成型中的粘彈性，增強制品的分子取向，提高制品的結晶度，從而改善制品的性能。
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