高分子材料成型及其控制研究

郜一帆

摘要：高分子材料除了擁有較高技術(shù)含量，也展現(xiàn)出了良好加工成型特性，所以能夠用于生產(chǎn)種類豐富的產(chǎn)品。基于此，本文對高分子材料成型原理和方法展開了分析，并對加工成型過程的控制目標(biāo)和方法進(jìn)行了探討，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

Abstract： In addition to high technical content， polymer materials also exhibit good processing and molding characteristics， so they can be used to produce a wide range of products. Based on this， this article analyzes the forming principles and methods of polymer material， and discusses the control objectives and methods of the processing and molding process， so as to provide references for people who are concerned about this topic.

關(guān)鍵詞：高分子材料;成型原理;加工控制

Key words： polymer materials;forming principle;processing control

中圖分類號：TQ317? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0179-02

0? 引言

作為復(fù)合材料的一種，高分子材料由聚合物和分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成，具有較高的結(jié)構(gòu)變化性，可塑性較強(qiáng)。經(jīng)過科學(xué)處理后，可以將高分子材料加工成固定形狀，并發(fā)揮相關(guān)應(yīng)用要求，所以在電子、汽車、航天等多個(gè)領(lǐng)域得到了運(yùn)用。而目前高分子材料依然處于發(fā)展階段，因此還應(yīng)加強(qiáng)材料成型及控制技術(shù)的研究，從而了解材料未來應(yīng)用發(fā)展趨勢。

1? 高分子材料成型特點(diǎn)

高分子材料之所以能夠加工成不同結(jié)構(gòu)、形態(tài)的產(chǎn)品，與其固有屬性相關(guān)。首先，材料具有較強(qiáng)可形變性，在受到加壓后將發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，呈現(xiàn)出粘流態(tài)。通過控制材料流動(dòng)速率，達(dá)到形變要求，能夠加工得到獨(dú)特形狀。其次，材料具有較強(qiáng)可塑性。在特定溫度和壓力條件下，材料可以發(fā)生可塑性形變。隨著溫度和壓力的變化，材料的流變性和熱性能也將發(fā)生改變。對壓力、熱量進(jìn)行控制，能夠?qū)δ＞咧懈叻肿硬牧献兓螒B(tài)進(jìn)行控制，最終加工得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能可靠的制品。此外，材料具有較強(qiáng)的可延性。受到壓力或拉力，材料體現(xiàn)出較強(qiáng)變形適應(yīng)性，能夠轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌螒B(tài)的聚合物。如通過延壓方式能夠?qū)K狀高分子材料轉(zhuǎn)變?yōu)楸∧ぃㄟ^拉伸可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠模玫降牟牧蟿t帶有一定硬化效果，因此可以滿足加工成型要求[1]。

2? 高分子材料成型技術(shù)

2.1 成型原理

從結(jié)構(gòu)上來看，高分子材料中包含較多長鏈結(jié)構(gòu)分子，通過彼此貫穿、重疊纏結(jié)在一起。而分子與分子間存在較大吸引力，使材料呈現(xiàn)各種力學(xué)特性。在成型加工過程中，分子行為和材料性能與長鏈結(jié)構(gòu)聚集態(tài)有關(guān)。在主價(jià)鍵和次價(jià)鍵作用下，不同聚集態(tài)的高分子聚合在一起，獲得不同性能，決定了材料對成型技術(shù)的適應(yīng)性，使材料在加工期間表現(xiàn)不同特性[2]。從高分子材料成型過程來看，通常采用若干個(gè)化工單元促使材料發(fā)生高分子反應(yīng)，熔為一體后需要進(jìn)行形態(tài)結(jié)構(gòu)加工。不同于普通材料，高分子材料在物料運(yùn)輸、能量傳遞等方面擁有各自平衡特點(diǎn)，需要多個(gè)單元共同作用使材料發(fā)生聚合。在反應(yīng)過程中，需要解決傳熱和傳質(zhì)問題。在傳統(tǒng)聚合反應(yīng)中，需要利用溶劑和降低反應(yīng)速度兩種方式解決問題。如今的聚合反應(yīng)則更加激烈，反應(yīng)速度較快，物料將迅速升溫，在幾分鐘內(nèi)達(dá)到400-800℃。在產(chǎn)生大量熱的情況下，需要及時(shí)將物料脫除，以免發(fā)生降解或碳化問題。因此不同與傳統(tǒng)成型過程需要利用設(shè)備加熱，現(xiàn)代加工中需要采用設(shè)備及時(shí)移除熱量。

2.2 成型方法

2.2.1 擠出成型

擠出成型為應(yīng)用最廣的高分子材料加工方法，具有較強(qiáng)適應(yīng)性和較高生產(chǎn)率。采用該技術(shù)，需要將高聚物熔體輸入到擠出機(jī)中，利用柱塞或螺桿施加擠壓力，使材料在通過固定形狀模具后連續(xù)成型，能夠加工得到恒定斷向形狀的連續(xù)型材[3]。在設(shè)備內(nèi)部對固體塑料進(jìn)行加熱，可以利用材料間內(nèi)摩擦熱實(shí)現(xiàn)塑化，得到粘流態(tài)物料。將從有機(jī)筒中擠出的高分子材料送入到擠塑機(jī)中，可以形成基本型坯，然后借助牽引工具完成材料提取和冷卻加工，最終得到想要的型材。對外形簡單的制品進(jìn)行連續(xù)加工，能夠達(dá)到較高生產(chǎn)效率，得到的產(chǎn)品均勻密實(shí)，可以保證尺寸準(zhǔn)確。現(xiàn)階段采用該技術(shù)能夠?qū)Τ齈TEE以外幾乎所有熱塑性塑料進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)塑化、造粒、共混改性等操作，擁有豐富變化，可對各種異型材進(jìn)行加工。

2.2.2 吹塑成型

依靠氣體壓力對高分子材料進(jìn)行加工的過程被稱之為吹塑成型，能夠?qū)崛坌椭破芳庸こ芍锌战Y(jié)構(gòu)產(chǎn)品，所以擁有獨(dú)特成型優(yōu)勢。如對熱塑性樹脂進(jìn)行吹塑，可以得到管狀型坯。加熱至軟化后放入開模，在閉模后通入壓縮空氣能夠?qū)⑿团鞔得洠o貼于模具內(nèi)壁，冷卻脫模后可以得到制品。在傳統(tǒng)工藝中，需要通過吹氣的方式連續(xù)提供氣體，形成壓力使形狀閉合的高分子材料碰撞，直至得到想要的形狀。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，吹塑成型技術(shù)更加便利和先進(jìn)，在保持較低成本的同時(shí)，能夠達(dá)到較高成型率，用于制作各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。配合采用擠壓、拉伸等不同加工方式，可以將技術(shù)劃分為不同類型。根據(jù)型坯加工方法，具體可以劃分為擠出吹塑、注射吹塑等等，拉伸吹塑、多層吹塑則是新興技術(shù)。

2.2.3 注塑成型

注塑成型技術(shù)也為常見高分子材料加工方法，能夠用于加工空間幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，具有花色多、尺寸穩(wěn)、周期短等優(yōu)勢。在機(jī)械自動(dòng)化加工領(lǐng)域，由于注塑模具擁有較好服役條件，可以保持較高生產(chǎn)效率，因此得到了廣泛運(yùn)用。應(yīng)用該技術(shù)需要對膠料進(jìn)行預(yù)加熱，在達(dá)到塑性狀態(tài)后注入模具，實(shí)現(xiàn)定型硫化。在高分子材料加工方面，可以對不同材料進(jìn)行組合加工，將方法劃分為夾心成型、多色復(fù)合成型等不同方法。采用惰性氣體輔助注射，可以用于制作微孔泡沫塑料等結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品。配合采用壓縮或壓制方式，可以實(shí)現(xiàn)注射壓縮成型。從成型技術(shù)組成特征上來看，包含模具移動(dòng)、延伸、化學(xué)反應(yīng)等多種，可以取得不同成型加工效果。相較于其他技術(shù)，注塑成型技術(shù)生產(chǎn)的材料擁有較強(qiáng)的空間感，需要達(dá)到較高立體度要求，但操作十分簡單，具有較高實(shí)用價(jià)值。

2.2.4 激光成型

激光成型技術(shù)為近年來取得迅速發(fā)展的成型技術(shù)，能夠用于對擁有特殊價(jià)格要求的大項(xiàng)目進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)不同生產(chǎn)要求，需要選用不同的高分子材料和成型技術(shù)。常見材料包含光敏樹脂、高分子粉末狀材料、凝膠材料、彈性體材料等等，常用技術(shù)包含激光固化成型技術(shù)、激光燒結(jié)技術(shù)等。在3D打印中，激光固化成型技術(shù)就得到了廣泛運(yùn)用，能夠利用特定波長和強(qiáng)度的紫外光激光光束對成型材料表面進(jìn)行掃描，逐區(qū)使材料固化成型。經(jīng)過反復(fù)逐層疊加，可以得到三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，可用于高精密復(fù)雜零部件的加工，在生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域得到了運(yùn)用。采用激光燒結(jié)技術(shù)可以對各種粉末狀高分子材料進(jìn)行加工，對實(shí)體零件進(jìn)行切片后，將粉末鋪灑在工作臺上，根據(jù)各截面CAD數(shù)據(jù)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用高強(qiáng)度二氧化碳激光器進(jìn)行掃描照射，能夠使材料燒結(jié)在一起，形成截面層，作為下個(gè)粉末層的支撐輔助結(jié)構(gòu)。激光成型技術(shù)不僅工藝簡單、材料來源廣，同時(shí)成型速度較快，能夠降低生產(chǎn)成本和提高加工柔性度。

3? 高分子材料成型控制技術(shù)

3.1 控制目標(biāo)

實(shí)際在高分子材料成型加工過程中，無論采用哪種成型技術(shù)都要重視材料成型過程控制，通過防止不良問題發(fā)生保證成型效果，使產(chǎn)品質(zhì)量得到管控。實(shí)際高分子材料在成型期間容易發(fā)生共混物形態(tài)變化，因此需要加強(qiáng)形態(tài)和溫度控制。加強(qiáng)形態(tài)控制，與多數(shù)聚合物存在多相體系不相溶特點(diǎn)有關(guān)。為確保成型過程順利，需要添加第三組分進(jìn)行改性，促使各種聚合物相容，順利凝結(jié)為新的結(jié)構(gòu)形態(tài)。聚合物及共混物在不同溫度下將發(fā)生不同變化，而加工過程將發(fā)生非等溫場作用，還要掌握制品溫度隨時(shí)間變化，以便通過控制成型溫度提高制品使用性能。從現(xiàn)有研究來看，材料基體聚合物結(jié)晶形態(tài)將受到微纖影響，因此對多種聚合物進(jìn)行反應(yīng)加工時(shí)通常在微纖中進(jìn)行導(dǎo)電離子組裝，形成導(dǎo)電三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度有效控制。

3.2 控制技術(shù)

3.2.1 全硫化控制

在高分子材料加工過程中，混煉環(huán)節(jié)將發(fā)生硫化反應(yīng)，同樣需要實(shí)施有效控制。將橡膠與無法硫化的PP等聚合物進(jìn)行熔融，需要利用交聯(lián)劑促使橡膠硫化，得到微米級別微粒硫化橡膠相。分散在樹脂中加工成型，可以得到結(jié)構(gòu)、性能穩(wěn)定的制品，以免產(chǎn)品出現(xiàn)物性變化。對熱塑性彈性體的加工過程進(jìn)行控制，通常采用動(dòng)態(tài)全硫化技術(shù)，通過將振動(dòng)力場引入混煉擠出全過程，能夠使硫化反應(yīng)進(jìn)程得到有效控制。不同于傳統(tǒng)橡膠硫化加工利用平板硫化機(jī)，需要在型腔內(nèi)固定生膠和加熱，動(dòng)態(tài)硫化能夠使橡膠得到分散交聯(lián)，提高彈性體永久變形性等性能。運(yùn)用該技術(shù)能夠使橡膠相在混煉期間實(shí)現(xiàn)全硫化，避免出現(xiàn)相態(tài)反轉(zhuǎn)問題，適用于廢料可再生利用等領(lǐng)域。

3.2.2 聚合動(dòng)態(tài)控制

在聚合物加工過程中，還要采用聚合動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，在電磁場條件下引入機(jī)械振動(dòng)，使聚合結(jié)構(gòu)生成過程和制品各項(xiàng)變化得到有效控制。采用傳統(tǒng)聚合反應(yīng)加工技術(shù)，需要達(dá)到嚴(yán)苛條件，如高壓、真空等，反應(yīng)后需要進(jìn)行分離、提取等操作，最后甚至需要利用吹塑、定型等工藝進(jìn)行處理。由于生產(chǎn)步驟復(fù)雜，不僅影響的生產(chǎn)效率，還將造成嚴(yán)重環(huán)境污染。運(yùn)用聚合動(dòng)態(tài)控制這種創(chuàng)新技術(shù)，能夠?qū)C(jī)械振動(dòng)當(dāng)成是紐帶實(shí)現(xiàn)聚合物反應(yīng)擠出操控，使整個(gè)反應(yīng)過程得到有效控制。在強(qiáng)振動(dòng)剪切作用下，無機(jī)粒子將進(jìn)行快速反應(yīng)。整個(gè)過程將在連續(xù)加工環(huán)境中進(jìn)行，幾乎不受外界干擾，能夠減少催化劑、改性劑的使用。此外，應(yīng)用該技術(shù)使用的基礎(chǔ)設(shè)備不僅體積小、質(zhì)量輕，同時(shí)具有良好控制性，能夠使工藝技術(shù)適應(yīng)性得到增強(qiáng)。

3.2.3 信息化控制

在信息技術(shù)取得快速發(fā)展的背景下，高分子材料成型加工也可以實(shí)現(xiàn)信息化控制。如在對熔融高分子材料進(jìn)行加工時(shí)，就可以采用FDM工藝實(shí)現(xiàn)數(shù)控生產(chǎn)和機(jī)械加工控制，使設(shè)備在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。不同于過去需要人員對各個(gè)加工環(huán)節(jié)進(jìn)行管控，采用信息化控制技術(shù)能夠在無人看管的情況下實(shí)現(xiàn)整個(gè)成型過程的操縱和管理，在提高加工效率的同時(shí)，減少人為原因帶來的操作失誤，使成型質(zhì)量得到提高。在該種技術(shù)的支撐下，也可以減少人力成本投入，使加工效益得到提升。

4? 結(jié)論

高分子材料體現(xiàn)出了較強(qiáng)的可塑性、擠壓性等優(yōu)良特性，所以衍生出了多種成型技術(shù)，加工得到不同結(jié)構(gòu)、形態(tài)的產(chǎn)品。伴隨著社會的發(fā)展，人們在高分子材料加工方面提出了更高質(zhì)量要求，還要引進(jìn)不同控制技術(shù)使材料物理、化學(xué)等性能得到有效控制，最終得到高品質(zhì)聚合物材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉春波，張鵬，林綠葉，等.注塑成型過程中液晶高分子材料微流動(dòng)的數(shù)值分析及可視化實(shí)驗(yàn)[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2020，37（05）：2222-2227，2335.

[2]任蕊，曹晨茜，皇甫慧君，等.基于高分子材料3D打印成型技術(shù)的研究[J].應(yīng)用化工，2020，49（09）：2370-2376.

[3]侯慶新.高分子材料的加工成型技術(shù)研究[J].化工管理，2020（11）：109-110.