高分子材料中反應(yīng)加工的研究

史永祥

（池州學(xué)院，安徽池州 247000）

在我國(guó)的工業(yè)體系中，高分子材料的制造與加工是其中重要的板塊，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要的價(jià)值。生活中隨處可見的橡膠、塑料、棉花等，都是高分子材料的制成品。高分子材料的反應(yīng)，指的是將原料通過化學(xué)反應(yīng)使其合成具有特殊價(jià)值的商業(yè)化材料的過程；而加工過程則是通過一定的方式與過程，將原材料、半成品轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)品的過程。而反應(yīng)加工技術(shù)將合成反應(yīng)器的功能賦予給了加工設(shè)備，從而縮短了生產(chǎn)的流程，現(xiàn)已成為有機(jī)材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，受到了工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。

1 高分子材料反應(yīng)加工概述

高分子材料的傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中，材料的制備與加工是割裂開來的，在完成聚合反應(yīng)后，需通過分離、提純、造粒等一系列工序才能進(jìn)入到成型加工環(huán)節(jié)。在加工期間還需對(duì)材料再次加熱，使之熔融后，通過注塑、吹塑和擠塑等工藝生產(chǎn)為所需的產(chǎn)品或半成品。

而高分子材料的反應(yīng)加工過程則將高分子材料的合成和加工融為一體，通過反應(yīng)擠出和反應(yīng)注射成型兩個(gè)階段，完成聚合物生產(chǎn)和加工成型的作業(yè)。其中，反應(yīng)擠出是當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，主要可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：其一，在擠出機(jī)的加料口內(nèi)添加官能單體、助劑和催化劑，在擠出機(jī)內(nèi)通過連續(xù)擠壓使之發(fā)生反應(yīng)，生成目標(biāo)聚合物，在擠出機(jī)頭的位置安裝適當(dāng)模，就可獲得所需的高分子材料制品；其二，在擠出機(jī)的加料口內(nèi)加入1種或多種聚合物，在適當(dāng)位置加入反應(yīng)單體、催化劑或助劑，通過連續(xù)擠壓，令反應(yīng)單體與添加的聚合物發(fā)生共聚，或促使聚合物之間發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原有聚合物的化學(xué)改性，產(chǎn)出目標(biāo)高分子材料。反應(yīng)加工的技術(shù)極大縮短了反應(yīng)的周期，無需對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行二次熔化，節(jié)約了能源與資源，有利于成本控制，必然成為高分子材料加工制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

2 高分子材料反應(yīng)加工的發(fā)展現(xiàn)狀與實(shí)際應(yīng)用

2.1 高分子材料反應(yīng)加工的研究進(jìn)程

高分子材料的反應(yīng)加工最早在二十世紀(jì)八十年代被列入新型材料學(xué)科，此后因其在生產(chǎn)實(shí)踐中的明顯優(yōu)勢(shì)，而獲得了學(xué)界的廣泛關(guān)注。其中，Venderbosch（1995）等利用助劑對(duì)難降解聚合物進(jìn)行處置，使之成為反應(yīng)加工的良好基體材料。PranabDey（2014）等則對(duì)利用動(dòng)態(tài)硫化技術(shù)生產(chǎn)的橡膠的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。在歐洲、日本、美國(guó)等國(guó)家，高分子材料反應(yīng)加工手段中的一種，現(xiàn)已在家電、包裝、汽車、農(nóng)業(yè)、電子等多個(gè)領(lǐng)域取得廣泛運(yùn)用。相較而言，我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究起步較晚，雖已取得了一定的成果，但仍與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距。其中，長(zhǎng)春應(yīng)化所（2003）就烯類單體本體聚合反應(yīng)擠出機(jī)理與動(dòng)力學(xué)、加工過程中聚烯烴降解和反應(yīng)的控制與應(yīng)用以及聚合物在反應(yīng)擠出過程中的結(jié)構(gòu)形態(tài)演變等問題進(jìn)行了研究。沈春根（2018）等以數(shù)值仿真的方式就尼龍6反應(yīng)注射成型加工過程進(jìn)行了研究，并分析了在加工過程中結(jié)晶度與體系溫度場(chǎng)的分布情況。在高分子材料領(lǐng)域，生產(chǎn)技術(shù)與制成品的性能具有緊密的聯(lián)系。在大力發(fā)展自主創(chuàng)新能力的今天，針對(duì)高分子材料反應(yīng)加工過程中的核心問題，還有待于進(jìn)一步的深化探索。

2.2 高分子材料反應(yīng)加工的應(yīng)用

利用反應(yīng)加工技術(shù)進(jìn)行高分子材料產(chǎn)品的生產(chǎn)，具有靈活性高、專用性強(qiáng)的特征，可對(duì)現(xiàn)有大規(guī)模生產(chǎn)構(gòu)成良好補(bǔ)充。以樹脂材料為例，不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)樹脂的機(jī)械性能、化學(xué)性能的要求不同，若生產(chǎn)總量較小，采取常規(guī)加工方式往往不夠經(jīng)濟(jì)，而利用反應(yīng)加工技術(shù)，則可針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象提供性能不同的專用樹脂，從而解決結(jié)構(gòu)性短缺的問題。長(zhǎng)春應(yīng)化所利用反應(yīng)加工所制得的農(nóng)用棚膜，其流滴期長(zhǎng)達(dá)12個(gè)月，對(duì)于大棚保溫、防治病蟲害具有明顯優(yōu)勢(shì)，有利于農(nóng)民的增產(chǎn)增收。另外，在SBS 的生產(chǎn)中，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝需使用大量的有機(jī)溶劑，對(duì)其進(jìn)行回收不但要消耗大量時(shí)間，而且將造成電能的浪費(fèi)，同樣可通過反應(yīng)加工的方式加以解決。

3 高分子材料反應(yīng)加工中的核心問題

要想推動(dòng)高分子反應(yīng)加工的理論研究與推廣運(yùn)用，首先需對(duì)其中的核心問題進(jìn)行深入探討，在動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)傳熱、結(jié)構(gòu)性能與流變問題都可以得到有效控制的情況下，方能確保反應(yīng)加工的產(chǎn)物符合生產(chǎn)的要求。

3.1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)問題

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究的是各類化學(xué)、物理因素對(duì)反應(yīng)速率的影響。在高分子材料反應(yīng)加工過程中發(fā)生的主要反應(yīng)包括：由正負(fù)離子引起的聚合、自由基引起的聚合以及加聚與縮聚等。通常上述反應(yīng)的速率較快，需要相關(guān)研究者在把握反應(yīng)機(jī)理的前提下，能夠根據(jù)各個(gè)基元反應(yīng)的反應(yīng)速率計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)整個(gè)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。另外，還應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)體系中各組分濃度與反應(yīng)速率的關(guān)系加以確定，從而滿足反應(yīng)過程開發(fā)的需要。通過對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征的深度了解，在聚合反應(yīng)過程中出現(xiàn)各種突發(fā)性問題時(shí)，方能有條不紊地進(jìn)行處置。

3.2 傳質(zhì)傳熱問題

反應(yīng)的傳質(zhì)與傳熱問題主要研究的是反應(yīng)過程中熱量與質(zhì)量傳遞所遵循的基本原理，是對(duì)能量平衡問題與質(zhì)量傳遞現(xiàn)象的解答。在高分子材料的反應(yīng)加工過程中，借助加壓操作促進(jìn)聚合反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)是在較短時(shí)間內(nèi)完成的，這就對(duì)物料運(yùn)輸和能量平衡提出了挑戰(zhàn)。此類反應(yīng)大多為放熱反應(yīng)，在生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的合成方式通常是借助有機(jī)溶劑在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)。然而在反應(yīng)加工工序中，由于劇烈放熱，反應(yīng)器中將在極短的時(shí)間內(nèi)升到較高的溫度，為避免原料的碳化或降解，需對(duì)放出的熱量及時(shí)地進(jìn)行處理。

3.3 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及性能問題

高分子材料的性能表現(xiàn)在一定程度上是由其化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定的，而反應(yīng)加工工藝又對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)具有決定性的影響。為確保產(chǎn)物的物理性能與化學(xué)性質(zhì)能達(dá)到所需的條件，有必要對(duì)反應(yīng)加工過程中產(chǎn)物形態(tài)結(jié)構(gòu)的形成和演變進(jìn)行專項(xiàng)研究，在了解其變化規(guī)律的情況下，提升對(duì)產(chǎn)物的質(zhì)量控制。

3.4 化學(xué)流變問題

化學(xué)流變學(xué)是在化學(xué)與經(jīng)典流變學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興學(xué)科，主要就聚合物在流變過程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，及反應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果變化對(duì)聚合物流變性能的影響進(jìn)行探究。對(duì)高分子材料反應(yīng)加工而言，針對(duì)其形變與流動(dòng)進(jìn)行研究關(guān)于到成型加工的效果。高分子材料在熔融狀態(tài)下，由于交聯(lián)現(xiàn)象或降解問題，可能引起其流動(dòng)形態(tài)發(fā)生改變，若對(duì)流變問題未引起足夠的重視，可能導(dǎo)致產(chǎn)物的性質(zhì)不能滿足要求。

4 結(jié)語

在材料科學(xué)領(lǐng)域，隨著學(xué)科交叉的深入以及工程熱物理、高分子化學(xué)及物理化學(xué)細(xì)分學(xué)科的發(fā)展，高分子材料的反應(yīng)加工已成為材料合成、制備與工程化的前沿技術(shù)，受到了工程技術(shù)人員和相關(guān)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。相對(duì)于傳統(tǒng)高分子材料將合成與加工割裂開來的工序流程，反應(yīng)加工具有能耗低、效率高、經(jīng)濟(jì)性好、污染小的特點(diǎn)，在我國(guó)政府與社會(huì)各界高度重視環(huán)境友好、生態(tài)文明建設(shè)的今天，具有傳統(tǒng)流程不可比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，反應(yīng)加工的過程中涉及到復(fù)雜的物理化學(xué)變化，當(dāng)前在工業(yè)應(yīng)用方面還存在一定的問題，難以做到大規(guī)模生產(chǎn)，這一情況有待于研究者們的深入研究和探討，以推動(dòng)我國(guó)高分子材料產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。