塑料及其成型加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展杜遙雪瞿金平2（1.五邑大學(xué)機(jī)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(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要作用材料、能源、信息是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱，材料科學(xué)是當(dāng)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，通常稱之為“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(qiáng)度高、電性能優(yōu)異、容易加工成各種外觀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(yīng)用領(lǐng)域正逐步擴(kuò)大，已涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)、漁牧業(yè)、電氣、機(jī)械表、汽車、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塑料的分類根據(jù)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(duì)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(jù)塑料產(chǎn)量和應(yīng)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(bào)（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(zhuǎn)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(jù)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(dá)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(shì)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(fù)合、增強(qiáng)、填充、發(fā)泡等。
表1 1998年我國(guó)各種樹(shù)脂消費(fèi)情況四川大學(xué)對(duì)納米級(jí)無(wú)機(jī)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(jí)無(wú)機(jī)填料，即可使材料的沖擊強(qiáng)度提高56%，拉伸強(qiáng)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(yīng)用近年來(lái)，工程塑料一方面繼續(xù)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(shè)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(qiáng)、復(fù)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(xiàn)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、機(jī)械、電氣電子、辦公自動(dòng)化設(shè)備、建材等領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(jié)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?jī)H次于PA.PC具有高透明度，用于汽車燈具、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(yīng)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工業(yè)界對(duì)材料需求的復(fù)雜化和多樣化，聚合物合金和共混物應(yīng)運(yùn)而生。
聚合物合金和共混物投資少，風(fēng)險(xiǎn)小，易于適應(yīng)市場(chǎng)需求的細(xì)致變化。
復(fù)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(dāng)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(qiáng)度提高11.2MPa，斷裂彈性模量提高0.9GPa，彎曲強(qiáng)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(shí)，通過(guò)分子設(shè)計(jì)、分子結(jié)構(gòu)對(duì)功能的影響規(guī)律研究，可以合成并制備種類繁多、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(yī)藥功能高分子及衛(wèi)生保健技術(shù)研究、信息高分子的合成及應(yīng)用技術(shù)、各種敏感檢測(cè)材料、微小機(jī)械材料等。
導(dǎo)電塑料是指體積電阻率小于106 cm或電導(dǎo)率大于2S/cm的一類聚合物。在20世紀(jì)80年代以前，人們一直認(rèn)為塑料為絕對(duì)的非導(dǎo)體材料。1977年日本學(xué)者KSiakawa和MacDiarmid首先開(kāi)發(fā)出電導(dǎo)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(dǎo)率可達(dá)104~105S/cm.這時(shí)，人們才認(rèn)識(shí)到塑料也可成為導(dǎo)體，而且是一種電的良導(dǎo)體。導(dǎo)電塑料具有質(zhì)輕、導(dǎo)電性好、防腐蝕、防生銹等優(yōu)點(diǎn)，是一類很有發(fā)展前途的導(dǎo)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(jù)環(huán)境變化自動(dòng)改變自身形態(tài)，作出反應(yīng)的一類新型高分子材料，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(qū)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(zhí)行和完成動(dòng)作，從而達(dá)到自檢測(cè)、自診斷、自控制、自校正、自修改和自適應(yīng)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(fù)合材料的迅猛發(fā)展復(fù)合材料是由高分子材料、無(wú)機(jī)非金屬和金屬材料通過(guò)復(fù)合工藝構(gòu)成的一種新型材料，其中聚合物基復(fù)合材料已成為復(fù)合材料的主角。目前，聚合物基復(fù)合材料正從重點(diǎn)發(fā)展熱固性樹(shù)脂轉(zhuǎn)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(fù)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(bǔ)強(qiáng)，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(fù)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(qiáng)度也有所改善，且防水性能大大增強(qiáng)。
中國(guó)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(fù)合材料，并得出插層聚合復(fù)合材料具有高耐熱性、高彈性模量、高強(qiáng)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(tǒng)材料。
4塑料成型加工的新技術(shù)4.1反應(yīng)性加工技術(shù)反應(yīng)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(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，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(yīng)注射成型（RIM）是將兩種或兩種以上具有反應(yīng)性的液體組分在一定溫度下注入模具型腔內(nèi)，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(bào)（自然科學(xué)版）2001年得到制品的“一步法”注射技術(shù)。互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）與RIM結(jié)合起來(lái)的IPN-RIM是近年來(lái)國(guó)外正在開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。
近年來(lái)，反應(yīng)擠出加工技術(shù)已愈來(lái)愈多地應(yīng)用于加成聚合反應(yīng)、縮聚反應(yīng)、接枝共聚反應(yīng)、控制聚合物分子量及分子量分布等方面。反應(yīng)擠出技術(shù)是把聚合物的化學(xué)反應(yīng)和聚合物的擠出加工有機(jī)結(jié)合成一個(gè)完整的連續(xù)過(guò)程的反應(yīng)性聚合物加工。隨著單螺桿擠出機(jī)性能的不斷完善，特別是雙螺桿擠出機(jī)的出現(xiàn)，為連續(xù)反應(yīng)成型提供了優(yōu)良的特性，對(duì)反應(yīng)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?nèi)垠w的流動(dòng)狀態(tài)，控制制品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與微觀形態(tài)，從而達(dá)到控制制品力學(xué)性能和外觀質(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(nèi)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(dǎo)作用，生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高性能的注射制品，這是傳統(tǒng)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(jī)的模具上段安裝一個(gè)可以縱向、橫向振蕩和螺旋運(yùn)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(tái)交流電機(jī)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(dǎo)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(jié)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(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)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(jī)電磁一體化和動(dòng)態(tài)成型新概念，使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，能耗降低，制品質(zhì)量顯著提高。
電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出機(jī)的塑化擠壓部分被全部置入驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔中，讓轉(zhuǎn)子直接參與聚合物的塑化擠出過(guò)程，并利用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)、諧波振動(dòng)和強(qiáng)制振動(dòng)，直接將電磁功率轉(zhuǎn)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(jī)械振動(dòng)場(chǎng)引入到聚合物塑化擠出全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了物料動(dòng)態(tài)塑化擠出、直接電磁換能及結(jié)構(gòu)的集成化。該設(shè)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(duì)物料的適應(yīng)性好、塑化混煉效果好、擠出溫度低和成型制品質(zhì)量高等一系列顯著特點(diǎn)。由表3可以看出，新型擠出機(jī)生產(chǎn)的薄膜各項(xiàng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)擠出機(jī)。
表3新型擠出機(jī)和傳統(tǒng)擠出機(jī)生產(chǎn)的薄膜性能比較物料擠出機(jī)拉伸強(qiáng)度/MPa撕裂強(qiáng)度/（kg/cm）斷裂伸長(zhǎng)率/%縱向橫向縱向橫向縱向橫向新型傳統(tǒng)新型傳統(tǒng)電磁動(dòng)態(tài)注射機(jī)將塑化裝置與控制系統(tǒng)巧妙地結(jié)合在一起，采用無(wú)拉桿、雙動(dòng)模板的結(jié)構(gòu)方式，完全打破了傳統(tǒng)注射機(jī)的結(jié)構(gòu)模式。電磁動(dòng)態(tài)注射機(jī)將振動(dòng)場(chǎng)引入塑化、注射、成型全過(guò)程，有利于實(shí)現(xiàn)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(jī)，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(tǒng)的雙螺桿擠出機(jī)性能大大改善。
4.4在線檢測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)在塑料工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，注塑成型設(shè)備的數(shù)字、智能控制和比例或伺服系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，而且在迅速更新提檔。擠出成型設(shè)備實(shí)現(xiàn)全線聯(lián)機(jī)控制，并與在線檢測(cè)裝置建立反饋系統(tǒng)。例如通過(guò)對(duì)膜、片厚度的在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭膜唇間隙自動(dòng)調(diào)整；通過(guò)對(duì)吹塑管泡徑向尺寸的測(cè)定，調(diào)整內(nèi)冷裝置進(jìn)排氣量；中空成型型坯厚度實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。
4.5氣體輔助技術(shù)氣體輔助注射技術(shù)是20世紀(jì)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(shè)計(jì)方面有許多新的設(shè)計(jì)概念氣體輔助注射成型是在物料充模過(guò)程中，向熔體內(nèi)注入相對(duì)注射壓力而言的低壓氣體，利用氣體的壓力實(shí)現(xiàn)保壓補(bǔ)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(duì)氣體輔助注射制品施加波動(dòng)的壓力，改變?nèi)垠w在冷卻成型中的粘彈性，增強(qiáng)制品的分子取向，提高制品的結(jié)晶度，從而改善制品的性能。
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