產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的塑料改性、加工與性能測(cè)試一體化綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

董桂偉， 趙國(guó)群， 王桂龍， 宋立彬， 王家昌

（1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南250061；2.青島海信模具有限公司，山東青島266114）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育實(shí)踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、探索、科研、創(chuàng)新能力方面有著重要作用，是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才不可缺少的重要途徑［1-2］。近年來，盡管實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校教學(xué)中得到了越來越高的重視，但在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等方面還存在項(xiàng)目陳舊、實(shí)踐性不強(qiáng)、脫離產(chǎn)業(yè)實(shí)際等一系列不足，亟須進(jìn)一步改進(jìn)和加強(qiáng)［3-5］。“十三五”規(guī)劃明確提出高等教育要“改革院校創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，引導(dǎo)推動(dòng)人才培養(yǎng)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈的有機(jī)銜接”，強(qiáng)調(diào)高校要通過與企業(yè)的深度溝通與協(xié)作，把與企業(yè)單邊合作行為上升為校企人才培養(yǎng)協(xié)同戰(zhàn)略，同時(shí)注重寓教于研，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式［6-8］。

針對(duì)我校材料成形及控制工程專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求、行業(yè)研究熱點(diǎn)以及本專業(yè)自身的科研優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的集塑料改性、加工與性能測(cè)試于一體的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。本實(shí)驗(yàn)以青島海信模具有限公司快速熱循環(huán)注塑工藝涉及的塑料改性問題的需求為出發(fā)點(diǎn)，由學(xué)生綜合高分子材料科學(xué)、塑料成形工藝與模具設(shè)計(jì)、材料性能與檢測(cè)等專業(yè)理論知識(shí)，在研究和試驗(yàn)先進(jìn)材料成形工藝的基礎(chǔ)上，獨(dú)立或協(xié)作完成塑料材料改性、共混擠出、快速熱循環(huán)注塑成形、試樣力學(xué)性能測(cè)試等過程，并最終進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)，評(píng)價(jià)材料改性效果。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的前沿性、研究性和實(shí)際應(yīng)用性選題可以提升學(xué)生探索科學(xué)和實(shí)際生產(chǎn)問題的興趣，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)研究能力和綜合能力的提升，并可為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同背景下的人才培養(yǎng)新模式提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)背景

材料成形及控制工程專業(yè)是材料科學(xué)、材料加工、檢測(cè)測(cè)試與自動(dòng)控制技術(shù)的綜合與交叉，是一個(gè)應(yīng)用性、實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)。近年來，隨著本專業(yè)本科教學(xué)改革的進(jìn)一步深入和工程教育專業(yè)認(rèn)證的全面推行，對(duì)材料成形及控制工程專業(yè)的本科實(shí)踐類教學(xué)特別是綜合與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的要求［9］。目前，本專業(yè)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系內(nèi)容仍以課本理論知識(shí)點(diǎn)的感性認(rèn)知為主，與實(shí)際工程生產(chǎn)過程的貼合度不高、與本專業(yè)的科研方向吻合度不強(qiáng)，造成現(xiàn)有綜合與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目體系具有一定的局限性，在綜合鍛煉學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決材料成形過程實(shí)際問題的能力、創(chuàng)新研究與工程實(shí)踐能力方面有所欠缺，亟需開發(fā)新的集探索性、研究性、設(shè)計(jì)性和應(yīng)用性在內(nèi)的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目［10］。

塑料改性是在通用塑料和工程塑料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過填充、共混、增強(qiáng)等方法加工，提高其強(qiáng)度、抗沖擊性、韌性等性能的工藝方法，是塑料材料加工與成形專業(yè)領(lǐng)域的重要內(nèi)容。塑料改性的需求往往來源于新的塑料成形工藝方法，本專業(yè)團(tuán)隊(duì)與青島海信模具有限公司前期成功合作開發(fā)了快速熱循環(huán)注塑工藝，實(shí)現(xiàn)了塑料產(chǎn)品的高光無(wú)熔痕生產(chǎn)［11］。然而，該新工藝特殊的工藝特征對(duì)成形塑料材料提出了更高的要求，要求材料具備更高的硬度、表面光澤度、流動(dòng)性和更優(yōu)良的力學(xué)性能［12-13］。同時(shí)，塑料改性的效果評(píng)價(jià)依賴于改性后材料的性能測(cè)試和實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)，而針對(duì)這些內(nèi)容所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目目前還很少，也沒有進(jìn)行科學(xué)的綜合。因此，設(shè)計(jì)塑料改性、加工與性能測(cè)試于一體的綜合實(shí)驗(yàn)，將企業(yè)的實(shí)際需求、學(xué)校的研究?jī)?yōu)勢(shì)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同融合，對(duì)新時(shí)期高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有重要意義［14］。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本綜合實(shí)驗(yàn)的目的如下：

（1）加深對(duì)材料成形原理、材料成形工藝、聚合物加工工程、聚合物改性原理、材料成形檢測(cè)及控制工程擠出、材料性能與檢測(cè)、塑料成形工藝與模具、塑性成形CAE等課程知識(shí)的理解。

（2）熟悉塑料共混改性、注塑成形以及力學(xué)性能測(cè)試的基本原理和方法。

（3）了解和研究快速熱循環(huán)注塑新工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

（4）掌握計(jì)算機(jī)在聚合物成形工藝中的應(yīng)用。

（5）掌握雙螺桿擠出機(jī)、注塑機(jī)、材料試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備的基本操作和日常維護(hù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料和儀器設(shè)備

（1）實(shí)驗(yàn)材料。聚碳酸酯PC 2405（德國(guó)拜耳）；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS 8391（中石化）；玻璃纖維3.0 mm（中國(guó)重慶國(guó)際復(fù)合材料有限公司）；主抗氧劑1010（瑞士汽巴）；輔抗氧劑168（瑞士汽巴）；潤(rùn)滑劑EBS（馬來西亞甲洞公司）；磷系阻燃劑UN707（德國(guó)朗盛）；磷系阻燃劑PX-220（浙江萬(wàn)盛化工）；增韌相容劑MBS EM500（德國(guó)巴斯夫）等。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。SHJ-30型同向雙螺桿擠出機(jī)組；MA3200型注塑機(jī)；CMT5205微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；XC-5.5型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)；注塑樣條模具一套（標(biāo)準(zhǔn)ASTM拉伸、彎曲、沖擊樣條）、快速熱循環(huán)模溫控制系統(tǒng)等。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要內(nèi)容包括塑料改性、注塑加工和性能測(cè)試3個(gè)部分，如圖1所示。其中，塑料改性部分根據(jù)合作企業(yè)的實(shí)際產(chǎn)品提出相關(guān)塑料材料的改性要求，學(xué)生根據(jù)所學(xué)塑料改性知識(shí)，分組進(jìn)行塑料共混改性配方設(shè)計(jì)，并確定相應(yīng)的擠出工藝參數(shù)，操作雙螺桿擠出機(jī)組，進(jìn)行塑料共混擠出與切粒；注塑加工部分首先學(xué)生利用Moldflow軟件進(jìn)行加工試樣的注塑流動(dòng)分析，在此基礎(chǔ)上確定合理的注塑工藝方案，重點(diǎn)研究確定快速熱循環(huán)注塑工藝的模具溫度控制方案，利用電加熱快速熱循環(huán)注塑模具，在注塑機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)試樣的注塑成形；性能測(cè)試部分根據(jù)改性要求，重點(diǎn)測(cè)試試樣的力學(xué)、阻燃等性能，并與改性前的材料進(jìn)行對(duì)比，最終進(jìn)行產(chǎn)品試生產(chǎn)，考察和評(píng)價(jià)塑料改性效果。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

3 實(shí)踐案例-短切玻璃纖維增強(qiáng)對(duì)PC／ABS復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)意義

以PC和ABS為主要原料的共混物作為一種重要的工程塑料復(fù)合材料，融合了ABS和PC的各自優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、家電國(guó)防軍工等領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)PC／ABS復(fù)合材料在快速熱循環(huán)注塑工藝的深入應(yīng)用，研究短切玻璃纖維增強(qiáng)PC／ABS改性具有重要工程指導(dǎo)價(jià)值。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及試樣制作

（1）PC、ABS不同配比的性能變化。在僅添加抗氧化劑的條件下，探討PC與ABS不同配比的性能變化，按照PC／ABS 為80／20、60／40、50／50、30／70、20／80 5種方案進(jìn)行共混改性實(shí)驗(yàn)。

（2）不同玻纖添加量的PC／ABS復(fù)合材料性能變化。在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇合適的PC／ABS配比方案，分別以10%、20%、30%的比例加入長(zhǎng)度為3.0 mm的玻璃纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

除玻璃纖維外，所有實(shí)驗(yàn)方案的共混材料按比例稱重后，首先在高速混料機(jī)上充分混合，然后通過長(zhǎng)徑比40的SHJ-30型同向雙螺桿擠出機(jī)組進(jìn)行共混、重融、冷卻和切粒。擠出機(jī)料筒各段的溫度控制分別為180、230、240、245、240 和230 ℃，擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)從一區(qū)到六區(qū)分別設(shè)置為“傳輸段-強(qiáng)剪切段-傳輸段-剪切段-剪切段-輸送段”。共混擠出后的改性塑料顆粒經(jīng)充分干燥后在MA3200型注塑機(jī)上注塑成形得到如圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)樣條試件。

圖2 注塑成形樣條

3.3 性能測(cè)試

（1）強(qiáng)度測(cè)試。試樣的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度在CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)ASTM D638測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，拉伸試驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)的橫梁速度設(shè)定為5.0 mm／min，樣品標(biāo)距為50.0 mm；彎曲試驗(yàn)中的橫梁速度選擇為2.0 mm／min，跨距為樣品厚度的16倍。要求學(xué)生每組實(shí)驗(yàn)所測(cè)試樣數(shù)為5個(gè)，并記錄其平均值。

（2）缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試。采用XC-5.5型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試樣品的懸臂梁缺口沖擊性能，根據(jù)ASTM D256測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，沖擊能量采用2.75 J，沖擊速度為3.50 m／s，要求測(cè)量樣品數(shù)為5個(gè)，并取其平均值。

3.4 結(jié)果分析

圖3（a）所示給出了有無(wú)熔接痕PC／ABS復(fù)合材料樣品的拉伸強(qiáng)度隨ABS含量增加的變化規(guī)律，由圖可見，對(duì)于有無(wú)熔接痕兩種情況，樣品的拉伸強(qiáng)度都隨ABS含量的增加而顯著降低。圖3（b）所示給出了PC／ABS復(fù)合材料樣品的缺口沖擊強(qiáng)度隨ABS含量增加的變化情況，由圖可見，該體系的缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別是ABS含量在20%和50%左右。而綜合PC／ABS復(fù)合材料體系的拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度的變化可以推斷，為了獲得綜合性能優(yōu)良的PC／ABS產(chǎn)品，ABS的添加比例應(yīng)少于40%。

基于上述實(shí)驗(yàn)和研究，確定PC／ABS的最優(yōu)配比方案為7∶3。在此基礎(chǔ)上分別以10%、20%、30%的比例加入長(zhǎng)度為3.0 mm的玻璃纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖4（a）所示給出了不同纖維含量的有無(wú)熔接痕樣品的拉伸強(qiáng)度的變化，圖4（b）給出了不同纖維含量的有無(wú)熔接痕樣品的彎曲強(qiáng)度的變化。可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維含量的增加，PC／ABS復(fù)合材料體系的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都獲得了不同程度的增加，同時(shí)，纖維含量的增加對(duì)復(fù)合材料體系拉伸強(qiáng)度的影響程度要低于對(duì)其彎曲強(qiáng)度的影響程度。

圖3 ABS含量增加對(duì)PC／ABS復(fù)合材料強(qiáng)度的影響

圖4 玻璃纖維含量對(duì)PC／ABS復(fù)合材料強(qiáng)度的影響

3.5 試生產(chǎn)與評(píng)價(jià)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用PC／ABS配比7∶3，添加20%長(zhǎng)度3.0 mm玻璃纖維的共混方案，進(jìn)行擠出共混擠出造粒，并在青島海信模具有限公司進(jìn)行了電視機(jī)膠框產(chǎn)品的試生產(chǎn)，得到如圖5所示的試驗(yàn)產(chǎn)品。對(duì)該試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的性能測(cè)試，結(jié)果顯示滿足生產(chǎn)需求，改性效果良好。

圖5 試生產(chǎn)的電視機(jī)膠框產(chǎn)品

4 結(jié) 語(yǔ)

該綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目已經(jīng)對(duì)有一定專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)的大三及以上學(xué)生開設(shè)，實(shí)驗(yàn)所涉及的塑料改性、擠出工藝、注塑工藝、性能測(cè)試等基本知識(shí)和技能，所用到的新工藝和新裝備，都要求學(xué)生既要具備一定的基礎(chǔ)能力，又要一定分析問題、解決問題以及逆向評(píng)價(jià)結(jié)果的能力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與企業(yè)需求的高度貼合，使學(xué)生探求欲望和科研積極性得到了大幅提升。目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和教學(xué)效果表明，在該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生既參與了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，又學(xué)習(xí)了多種材料成形新工藝，同時(shí)掌握了部分先進(jìn)科研檢測(cè)儀器的使用，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研意識(shí)，也提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合素質(zhì)。