高分子材料的加工成型技術(shù)探究

陳茂順

（廣東美的廚房電器制造有限公司，廣東 佛山 528300）

0 引言

隨著材料科學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展，高分子材料在家電領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，有關(guān)高分子成型技術(shù)研究也在不斷深入。近些年，除了家電領(lǐng)域外，在工業(yè)生產(chǎn)、航空制造等行業(yè)中都有高分子材料的身影，鑒于高分子材料在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要地位，本文對(duì)高分子材料進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，重點(diǎn)研究高分子材料成型加工技術(shù)的應(yīng)用，以供參考。

1 高分子材料概述

1.1 高分子材料的分類

目前高分子材料種類繁多，比如橡膠、塑料、纖維、粘合劑、涂料等等，被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品當(dāng)中。高分子材料也被稱之為聚合物材料，由許多簡(jiǎn)單的、相同的結(jié)構(gòu)單元利用共價(jià)鍵重復(fù)連接而成[1]。現(xiàn)階段對(duì)于高分子材料的分類有多種方法，如果按照材料的來(lái)源進(jìn)行分類可以分為天然材料和人工合成；如果按照材料的特性分類可分為橡膠、纖維、塑料、粘合劑、涂料等等；如果按照應(yīng)用功能分類可以分為通用型高分子材料、特種高分子材料和功能高分子材料。目前高分子材料被廣泛應(yīng)用于建筑、交通、家電、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空等領(lǐng)域中，并逐步向著功能化、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展，而我國(guó)在這方面的發(fā)展與研究相對(duì)要晚一些，需要解決技術(shù)上的不足，培養(yǎng)更多的技術(shù)型人才，才能不斷提高高分子材料成型技術(shù)，躋身于世界前列[2]。

1.2 高分子材料的成型性能

當(dāng)處于不同物理狀態(tài)時(shí)，高分子材料的性能差別是非常大的，因此在研究其成型性能時(shí)需要了解高分子材料的熔融性能。以往研究表明，非晶體的高分子材料一般存在三種狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，而晶體材料大多只存在兩種狀態(tài)，即結(jié)晶態(tài)和粘流態(tài)。通常情況下玻璃態(tài)、高彈態(tài)與結(jié)晶態(tài)是在材料成型后使用時(shí)的狀態(tài)，而粘流態(tài)一般是在材料加工過(guò)程中呈現(xiàn)的一種狀態(tài)，但是也有些高分子材料是在高彈態(tài)時(shí)進(jìn)行加工成型的[3]。

通常針對(duì)高分子材料的加工成型過(guò)程是先將材料加工成熔融狀態(tài)，然后將其置于模具和流道內(nèi)，經(jīng)冷卻后固定成型，因此要求高分子材料具備較好的流變性。在研究中發(fā)現(xiàn)，影響高分子材料流變性的主要因素有溫度、壓力、粘度、分子結(jié)構(gòu)、添加劑等。

1.3 高分子材料的加工成型特點(diǎn)

（1）可擠壓性。通常高分子材料極易發(fā)生形變，當(dāng)受到外力擠壓時(shí)就會(huì)發(fā)生明顯的形變。因此，在加工成型過(guò)程中只需要通過(guò)熔融方法將高分子材料改變?yōu)檎沉鲬B(tài)，然后在模具和流道內(nèi)控制其流動(dòng)速率，從而得到所需要的應(yīng)用形狀。

（2）可模塑性。當(dāng)高分子材料處于一定壓力與溫度條件下，可進(jìn)行可塑性形變，常用于高分子材料的模塑成型，同時(shí)高分子材料還具有流變性以及熱性能，因此在模塑成型過(guò)程中只需要按照技術(shù)要求控制好壓力與熱量即可控制模具中高分子材料的變化形態(tài)。

（3）可延性。當(dāng)高分子材料受到壓力及拉伸力的時(shí)候會(huì)發(fā)生一定的形變，按照技術(shù)要求合理控制壓力或拉伸力，使之成為所需的不同形態(tài)的形狀。比如通過(guò)壓延可以讓高分子材料變成薄膜，通過(guò)拉伸可以讓高分子材料變成片狀型材，然后應(yīng)用到各類場(chǎng)景中。

2 高分子材料加工成型技術(shù)

2.1 擠出成型技術(shù)

擠出成型技術(shù)的主要特點(diǎn)是高效、連續(xù)成型，適用范圍廣泛，在高分子材料加工中應(yīng)用較早，也是加工成型技術(shù)中應(yīng)用最多的一種方法。受熱熔化后的高分子材料在螺桿或柱塞擠壓作用下進(jìn)入模具內(nèi)成型，在完成定型后冷卻，得到工業(yè)產(chǎn)品。擠壓成型技術(shù)的主要步驟有加料、熔融塑化、擠壓成型、定型和冷卻等。在整個(gè)擠壓成型過(guò)程中高分子材料經(jīng)過(guò)了固態(tài)、彈性狀態(tài)、粘流態(tài)、固態(tài)等幾個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)變。用于擠壓成型加工的機(jī)械設(shè)備有單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)兩種，該方法常用于管材、棒材、薄膜、片材、電線纜護(hù)層以及單絲類連續(xù)成型產(chǎn)品的加工[4]。但是，傳統(tǒng)的擠壓成型技術(shù)存在著一定的環(huán)境污染問(wèn)題，難以適應(yīng)當(dāng)前我國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，因此也在經(jīng)歷著不斷的發(fā)展與進(jìn)步。通過(guò)專家學(xué)者以及技術(shù)人員的不懈努力，目前擠出成型技術(shù)有了很大發(fā)展，已經(jīng)用于生產(chǎn)的有反應(yīng)擠出、固態(tài)擠出、振動(dòng)擠出、微納層共擠出等四種。

2.2 注塑成型技術(shù)

注塑成型技術(shù)的主要特點(diǎn)是生產(chǎn)速度快、效率高，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，適用于多種形狀、大小、花色的產(chǎn)品生產(chǎn)。該技術(shù)使用顆粒狀高分子材料，利用注塑機(jī)和注塑模具完成加工成型的過(guò)程。現(xiàn)階段注塑成型技術(shù)已經(jīng)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，主要分為以下四種。

（1）在氣體輔助注塑成型技術(shù)中使用到了塑料熔體注射與氣體注射成型兩種技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是注射壓力低，成品不易發(fā)生變形，提高了成品的表面光潔度。在使用氣體輔助注塑成型技術(shù)后，尺寸的穩(wěn)定性得到有效控制，可以用來(lái)生產(chǎn)較為復(fù)雜的產(chǎn)品，也可用于薄壁制品的加工生產(chǎn)。

（2）可熔芯注塑成型技術(shù)已經(jīng)成為一種專門(mén)的成型技術(shù)的分支，其原理是先使用低熔點(diǎn)的材料加工成可熔型芯，并將之放入模具中注塑成型，待注件冷卻成型后在模腔中取出，然后再將可熔型芯熔化后取出。這種方法特別適用于形狀復(fù)雜、中空以及不便于使用機(jī)械加工的復(fù)合材料產(chǎn)品。

（3）共注塑成型技術(shù)是使用兩個(gè)注射料筒分別注射不同的物料，可以是不同顏色的材料，也可以是不同種類的材料，適用于生產(chǎn)多層結(jié)構(gòu)、多種顏色的復(fù)合型材料塑件。

（4）反應(yīng)注塑成型技術(shù)使用兩種或者多種高分子材料，按照一定的配比將材料混合均勻后注射到模具當(dāng)中，在加工成型過(guò)程中伴隨著材料之間的化學(xué)反應(yīng)完成固化成型。在反應(yīng)注塑成型技術(shù)中使用到的原料是液體，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整原料的配比或化學(xué)組分來(lái)調(diào)整的塑件的性能，可以有效的降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)加工效率。

2.3 壓延成型技術(shù)

壓延成型技術(shù)是利用輥筒在特定的溫度條件下對(duì)高分子材料進(jìn)行多次擠壓，完成對(duì)材料的加工成型，主要用于薄膜和片材的生產(chǎn)與加工，按照技術(shù)要求的規(guī)格尺寸控制好產(chǎn)品的寬度與厚度。一般使用該方法生產(chǎn)的成品厚度在0.05～0.30 mm范圍內(nèi)，如果厚度超過(guò)了0.30 mm則宜選用擠壓法。壓延技術(shù)的使用可以追溯到十八世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們需求的增長(zhǎng)，壓延技術(shù)也在不斷發(fā)展，主要表現(xiàn)在加工設(shè)備的改進(jìn)上，比如出現(xiàn)了異徑輥筒壓延機(jī)，在壓延機(jī)后增加了擴(kuò)幅機(jī)等等，大大提高了機(jī)器設(shè)備的實(shí)用性，并逐步呈現(xiàn)大型化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。

2.4 發(fā)泡成型技術(shù)

利用發(fā)泡成型技術(shù)使高分子材料產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)，通常具有熱固性和熱塑性的材料都可以使用該技術(shù)，比如聚乙烯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂等等。傳統(tǒng)的發(fā)泡方法主要有化學(xué)法、物理法和機(jī)械法三種，隨著該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，又出現(xiàn)了超臨界發(fā)泡法和高壓釜發(fā)泡法。超臨界發(fā)泡成型技術(shù)所利用的是處于超臨界狀態(tài)的二氧化碳或氮?dú)獾葰怏w的可壓縮性，在一種特殊的塑化裝置中注入上述氣體，使之與處于熔融狀態(tài)的高分子材料混合均勻，成為單相混合溶膠，然后將其導(dǎo)入模具型腔或擠出槽，溶膠內(nèi)部產(chǎn)生較大的壓損，氣體就會(huì)析出而形成大量的氣泡核，隨著不斷的冷卻這些氣泡核也在逐漸長(zhǎng)大，最終形成微孔發(fā)泡的成品。高壓釜發(fā)泡法則是將高分子材料置于充滿氮?dú)獾葰怏w的高壓釜內(nèi)，按照生產(chǎn)技術(shù)要求設(shè)定好壓力與溫度，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后氣體在高分子材料中呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，此時(shí)將釜內(nèi)的壓力快速泄掉，完成發(fā)泡成型。

2.5 增材制造成型技術(shù)

增材制造成型技術(shù)也就是平時(shí)所說(shuō)的3D打印技術(shù)，首先利用計(jì)算機(jī)軟件完成數(shù)字模型的制作，然后利用數(shù)字技術(shù)打印機(jī)通過(guò)逐層打印的方式完成產(chǎn)品的制造。目前3D打印中所使用的材料為專用的金屬材料、非金屬材料或者醫(yī)用生物材料等，一般價(jià)格都比較昂貴，打印技術(shù)也處于發(fā)展階段，尚不成熟，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)加工[5-6]。

3 高分子材料成型加工技術(shù)的應(yīng)用前景

自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，高分子材料已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基石，遍布于交通、建筑、家電、工業(yè)、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域中，其用量已經(jīng)超過(guò)了金屬類材料的使用，尤其是在節(jié)約資源、能源保護(hù)等方面效果顯著。近些年在研究人員的不懈努力下，高分子材料的成型加工技術(shù)也在不斷發(fā)展，在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)之上不斷改進(jìn)，生產(chǎn)效率逐步提高，生產(chǎn)成本越來(lái)越低，同時(shí)也出現(xiàn)了一些新型技術(shù)，比如3D打印技術(shù)，讓我們看到了高分子材料的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高分子材料成型技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)根據(jù)不同材料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及用途等做出相應(yīng)的調(diào)整與改變，目前高分子材料的成型加工技術(shù)已經(jīng)成為材料合成、制備與工業(yè)化生產(chǎn)的前沿技術(shù)。在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，逐步向著低能耗、高效率、經(jīng)濟(jì)低成本、污染小的方向發(fā)展，在我國(guó)大力推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，高分子材料成型加工技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。