高分子材料成型及其控制研究

王 全

（內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市青山區(qū)包頭市檢驗(yàn)檢測中心，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

引言

伴隨國內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平以及科學(xué)技術(shù)水平的提高，高分子材料成型技術(shù)進(jìn)入新的階段，對于當(dāng)前工業(yè)建設(shè)存在重要作用[1]。本文針對高分子材料成型具體狀況做出簡要分析。

1 發(fā)展歷史

從高分子科學(xué)以及高分子材料兩方面進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)，高分子材料對于當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展起到積極作用，并且屬于高分子科學(xué)相關(guān)研究重要體現(xiàn)，也是高分子科學(xué)未來發(fā)展動(dòng)力以及主要源泉。高分子科學(xué)研究主要對學(xué)術(shù)意義加以體現(xiàn)，拓展人們針對高分子正確認(rèn)知，從而創(chuàng)新高分子材料。

高分子科學(xué)理念出現(xiàn)相對較晚，然而高分子材料出現(xiàn)直至發(fā)展涉及到人類文明整個(gè)過程，高分子材料具體可歸納為以下4 階段：7 000 年前直至19 世紀(jì)中葉屬于第一階段，高分子材料在該階段是被動(dòng)使用，且以天然材料為主，包含紙、麻、大漆、羊毛、蠶絲、羊皮、織物、桐油以及棉等；19 世紀(jì)中葉直至20 世紀(jì)20 年代屬于第二階段，將天然轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)性，創(chuàng)建新型材料。該時(shí)期酚醛樹脂等合成高分子材料被首次制成，包含賽璐珞硝基纖維素脂、硫化橡膠、纖維素粘膠絲、電木、人造絲或者是酚醛樹脂清漆等[2]；20 世紀(jì)30 年代至60 年代屬于第三階段，誕生高分子科學(xué)這一理念，大量相關(guān)研究學(xué)者深入探究新材料開發(fā)以及新聚合物的合成領(lǐng)域中，直至今日促進(jìn)高分子材料大量形成，如合成橡膠，包括丁納、順丁以及丁苯等；纖維包括聚丙烯腈、聚酯以及尼龍66；塑料以及樹脂分別包含有機(jī)硅、聚碳酸酯、聚氯乙烯、雜環(huán)高分子、聚丙烯、有機(jī)氟、聚酰亞胺、聚乙烯、聚苯乙烯等；20 世紀(jì)60年代直至今日屬于第四階段，高分子材料的推廣以及普及。該時(shí)間合理應(yīng)用聚合物，其生產(chǎn)成本較低，高分子材料在人們生活當(dāng)中以及國民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中被廣泛采用，使其成為當(dāng)前民眾繼金屬材料,無機(jī)材料之后的第三大材料。

國內(nèi)優(yōu)先選擇造紙、漆器、桐油、棉麻或蠶絲等天然高分子材料進(jìn)行使用，然而歐美國家而言，國內(nèi)相對落后，一直到20 世紀(jì)50 年代才開始奮起猛追。當(dāng)前，國內(nèi)屬于世界高分子材料生產(chǎn)和消費(fèi)大國之一。合成高分子材料當(dāng)中國內(nèi)對于國際影響體現(xiàn)在稀土催化以及三元鎳系順丁橡膠合成順丁橡膠，漆酚酞耐腐蝕涂料聯(lián)合天然大漆相關(guān)研究，反式聚異戊二烯橡膠聯(lián)合杜仲橡膠相關(guān)研究，異戊橡膠相關(guān)研究等。

2 基本原理

高分子材料性能和大分子鏈結(jié)構(gòu)以及化學(xué)之間存在依賴性，同時(shí)在材料形態(tài)方面也存在依賴。聚合物形態(tài)分別包含取向以及結(jié)晶等，而共連續(xù)相、片、球以及棒等屬于多相聚合物形態(tài)。聚合物制品形態(tài)則是經(jīng)進(jìn)行加工期間相對復(fù)雜外力場聯(lián)合溫度場等原位產(chǎn)生[3]。

以往常規(guī)高分子生產(chǎn)期間，材料制備以及加工存在不同工作流程，前者借助化學(xué)流程：單體—催化劑—輔助劑經(jīng)合成反應(yīng)器或是反應(yīng)釜產(chǎn)生聚合物。反應(yīng)過程時(shí)間最短為幾小時(shí)，最長為數(shù)十小時(shí)左右，其中需要特殊條件（包括真空、高壓或者是高溫）完成。反應(yīng)完成以后實(shí)施其他處理工序，分離—提純—脫揮—造粒等。在制備時(shí)需耗費(fèi)大量能量，延長流程時(shí)限，對環(huán)境造成較污染，加大成本耗費(fèi)，合成聚合物經(jīng)過加工成型從而獲取最終制品。通常選擇成型工藝為擠塑、注塑、吹塑或者是壓延等，需大量投入過多至今。并且，在進(jìn)行加工期間需二次熔融聚合物，加大能耗。

加工主要是促使材料合成以及加工成型合二為一，予以常規(guī)加工設(shè)備擁有合成反應(yīng)器功效，在擠出機(jī)加料口內(nèi)適當(dāng)添加化學(xué)改性聚合物，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后或是化學(xué)改性產(chǎn)生新型聚合物。并且，將口模安置擠出機(jī)頭，可獲取對應(yīng)制品。反應(yīng)加工存在短周期、無需溶劑回收、環(huán)境污染小、無需分離提純以及生產(chǎn)連續(xù)、節(jié)約能源和資源等優(yōu)勢。

高分子反應(yīng)加工可劃分為反應(yīng)注射成型以及反應(yīng)擠出兩部分，近年來大量研究報(bào)道將注意力放置反應(yīng)擠出。材料反應(yīng)擠出表現(xiàn)為促使反應(yīng)單體、對話和核反應(yīng)助劑引入螺桿擠出機(jī)，經(jīng)過不間斷擠出形成聚合反應(yīng)并產(chǎn)生聚合物；同時(shí)，把單一或數(shù)種聚合物全部引入螺桿擠出機(jī)當(dāng)中，并添加反應(yīng)助劑、催化劑或者是反應(yīng)單體，經(jīng)不間斷擠出形成聚合反應(yīng)并產(chǎn)生聚合物，亦或者是讓其出現(xiàn)不同反應(yīng)，如酯交換等，從而發(fā)生化學(xué)改變，產(chǎn)生新型聚合物。

2.1 反應(yīng)加工時(shí)反應(yīng)類型、機(jī)理和動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)加工期間包含化學(xué)反應(yīng)存在不同反應(yīng)類型，包括加聚、（負(fù)或正)離子引發(fā)聚合、縮聚以及自由基引發(fā)聚合等，和常規(guī)反應(yīng)（常規(guī)耗時(shí)為數(shù)十小時(shí)）進(jìn)行對比，短則幾分鐘，長則幾十分鐘等。

2.2 反應(yīng)加工時(shí)傳質(zhì)以及傳熱情況

對于高分子材料合成以及制備而言，需多個(gè)化工單元操作組合而成，而反應(yīng)加工將大量單元操作合二為一，相關(guān)能量平衡以及能量傳遞，物料平衡問題或者是運(yùn)輸問題等，和常規(guī)單一化工單元操作之間存在顯著差異。在反應(yīng)加工期間會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，并且主要以放熱反應(yīng)為主，常規(guī)聚合階段主要借助緩慢反應(yīng)以及溶劑等對傳遞問題或者是傳熱問題進(jìn)行解決[3]。但是，聚合反應(yīng)加工期間，在短時(shí)間內(nèi)（數(shù)分鐘），物料溫度最低為400 ℃，最高溫度高至800 ℃，若未能及時(shí)脫除形成熱，物料經(jīng)產(chǎn)生碳化或者是講解。常規(guī)加工經(jīng)設(shè)備加熱聚合物，而反應(yīng)階段需在短時(shí)間內(nèi)促使聚合物產(chǎn)生熱量并被相關(guān)設(shè)備去除，所以需要從工程熱物理學(xué)聯(lián)合化學(xué)工程學(xué)著手分析。

2.3 形態(tài)結(jié)果生成、演變、性能關(guān)系

材料凝聚態(tài)形態(tài)結(jié)構(gòu)、分值結(jié)構(gòu)以及化學(xué)結(jié)構(gòu)和加工性能、熱性能以及物理機(jī)械性能等存在密切聯(lián)系，同時(shí)加工工藝和材料形態(tài)結(jié)構(gòu)之間密不可分。

2.4 反應(yīng)加工時(shí)物料化學(xué)流變學(xué)存在問題

流變學(xué)主要是為了研究物體變形或者是物體流動(dòng)科學(xué)，高分子材料流變學(xué)主要為成型加工制備基礎(chǔ)理論。隨著高分子材料經(jīng)化學(xué)反應(yīng)流變學(xué)性質(zhì)開始有用自身特征以及規(guī)律等，其中存在問題對于反應(yīng)加工流程正常開展以及加工成制品予以有效參考依據(jù)。

3 成型時(shí)控制

國外在20 世紀(jì)60 年代直至今日對于有效控制聚合物加工形態(tài)持續(xù)關(guān)注，70 年代主要重視加工期間形態(tài)變化，80 年代則主要研究單一聚合物特殊加工條件后形態(tài)規(guī)律，聚合物共混物相形態(tài)產(chǎn)生規(guī)律等，而到了90 年代則從控制其規(guī)律作為出發(fā)點(diǎn)，對新型加工流程內(nèi)聚合物整體情況進(jìn)行探究，經(jīng)特殊形態(tài)產(chǎn)生以及新形態(tài)的出現(xiàn)，從而獲取由于獨(dú)特性能單一高分子材料或者是多相高分子材料。

國內(nèi)20 世紀(jì)直至80 年代開始高度重視聚合物與相關(guān)混合物經(jīng)過加工流程當(dāng)中形態(tài)控制及發(fā)展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)前，國內(nèi)針對高分子材料研究體現(xiàn)在控制形態(tài)問題，如不同外場（外力或者是復(fù)雜高溫）影響下聚合物產(chǎn)生規(guī)律、壓力、結(jié)構(gòu)變化以及溫度等聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同新型高分子材料當(dāng)中，有用一定經(jīng)濟(jì)效益。

4 高分子材料發(fā)展趨勢

4.1 高性能化

當(dāng)前存在高分子材料內(nèi)具有一定韌性及強(qiáng)度，甚至與鋼鐵對比明顯超出，然而站立于理論角度分析，還具有更多可能性。與此同時(shí)，當(dāng)前為了滿足更多領(lǐng)域的使用需求，線組合提升耐老化、耐磨性以及耐高溫等性能對于高分子材料未來發(fā)展意義重大。想要促使性能顯著提升，則需要對復(fù)合、共混以及工藝等進(jìn)行改善。

4.2 功能化

高分子材料特定作用能力被稱之為高功能化，換言之特定功能是因?yàn)楦叻肿又蟹肿咏Y(jié)構(gòu)、基團(tuán)、基團(tuán)及結(jié)構(gòu)等互相作用之下形成結(jié)果，以上高分子材料又命名為功能高分子。如高分子催化劑、光致抗蝕材料、高吸水性材料以及高分子分離膜等，均為功能化相關(guān)研究導(dǎo)向。

4.3 生物化

在高分子材料當(dāng)中生物化發(fā)展較快，不同醫(yī)用高分子當(dāng)中均歸屬于該范疇當(dāng)中。還有部分報(bào)道指出，除了人類腦中大腦總量為1.5kg，其他器官均能通過高分子材料替換。與此同時(shí)，高分子內(nèi)包含胰島素、細(xì)胞以及蛋白質(zhì)等。生物化于是成為高分子科學(xué)的一個(gè)最主要發(fā)展方向，如合成或模擬天然高分子,使之具有類似的生物活性，代替天然的組織或器官。

5 結(jié)語

針對高分子材料主要成型方式、控制方式等進(jìn)行深入探究，結(jié)果表明，高分子材料自身獨(dú)特優(yōu)勢使其能夠穩(wěn)定扎根在社會(huì)當(dāng)中，擁有不可替代價(jià)值作用。相關(guān)研究者站立于客觀角度進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際所需充分展現(xiàn)自我優(yōu)勢，擬定出與實(shí)際相符控制方案以及成型方案。