塑料改性技術的現狀及發展建議*

劉成娟

（福州職業技術學院，福建 福州 350108）

0 序言

改性材料出現于本世紀90年代，30年的發展使其具備了以塑代鋼、代銅、代木、代塑和以輕代重等優點，被廣泛應用在家電、汽車、高鐵、地鐵、航天、船舶、辦公設備、通信設備、機械建筑等行業領域。

國家統計局數據顯示，截至2020年，中國改性塑料需求達到2250萬t，改性化率升至21.7%。其中，家電應用比例高達34%、汽車應用比例占19%、其他領域占47%[1]。到2022年底，中國改性塑料產量2884萬t，總產值將超過4152億元，我國改性塑料逐漸成為世界最大需求市場和增長動力來源[2]。

在國家政策的支持下，改性塑料促進了其他產業技術的發展與消費進階，當前，改性塑料已成為我國石油化工高分子材料領域的戰略性新興產業和研究熱點。因此，對塑料改性的原理、設備與工藝、原材料、配方、關鍵制備技術難點及應用進行研究，對促進整個塑料產業發展有十分重要的意義。

1 塑料改性技術及特點

塑料改性技術[3]是指在把高分子樹脂加工成塑料制品的過程中，通過填充、增強、共混等物理改性方法，嵌段共聚、輻射交聯等化學改性方法或者發泡、拉伸及復合等其他改性方法，得到預期新材料的技術。此技術大大提高了塑料的阻燃、導熱、力學、耐磨、電磁屏蔽等性能，與此同時也會降低原本塑料的某些性質和特點，如導致絕緣性能、耐腐蝕度、光澤度下降等，但技術人員可以采用合適配方和措施減少性能的負面變化。

2 塑料改性成型技術關鍵

聚合物改性是將基體樹脂和各種改性助劑通過初混設備、間歇式熔融混合設備、連續轉子（FCM）混煉機、往復式螺桿混煉擠出機等成型設備進行混合與混煉的過程[4]。

改性成型過程中，配方設計和制備工藝兩方面尤為關鍵。前者包括基本樹脂母粒和改性劑的形態、用量、搭配的選取和原則；后者包括合理改性工藝流程確定，成型設備的選擇、塑料顆粒的干燥。兩者均可大幅度避免交聯或降解，提高制品性能和質量。同時，運用無損檢測技術，采用物理方法，在不破壞機體結構及性能基礎上，對改性塑料內外部結構進行檢測評估，以保證產品質量、使用安全、性能可靠，進而改進生產工藝、延長產品壽命。

2.1 塑料改性配方要點

2.1.1 基體樹脂的選擇

樹脂要選擇與耐磨、耐熱等性能最近的品種和品牌；各種樹脂材料黏度接近可以保證流動性；不同生產方式與改性需求要求的流動性相異。

2.1.2 助劑的選擇

助劑選擇原則要做到協同、對抗、可加工、環保、經濟、負面影響小或無。

助劑形態對改性影響大，比如：纖維狀助劑增強效果好，圓球狀助劑增韌效果好、流動性好、光澤度高；助劑粒度越小，則力學性能、著色力、導電性越好、單分散性降低。需要綜合考慮助劑形態以確定助劑添加量及表面處理方式。

2.2 塑料改性工藝技術要點

2.2.1 干燥處理

塑料顆粒含有的水分和易揮發低分子化合物，在高溫成型過程中易出現交聯或降解現象，導致產品出現銀紋、氣泡等缺陷，影響產品質量，需要對塑料進行預熱和干燥處理。

干燥的溫度、時間和料層薄厚等會影響干燥效果。在實際生產中，應根據塑料親水性能、熔點、露點、濕度、導熱性和生產批量等來確定采用直接式或間接式干燥法，此兩種方法結合使用是進行干燥的有效方法。

2.2.2 螺桿組合和加料技術

在改性塑料成型設備中，螺桿結構形式是成型核心部件。成型周期由加料、熔融、共混和排氣等工藝階段構成。物料、配方、性能、成型工藝和工藝階段的不同，需要不同的螺桿結構和局部結構組合形式來滿足，需要進行系統研究和工程實踐驗證。

2.2.3 填料表面處理技術

在塑料改性過程中，要添加各種極性無機填料，但其與極性極小的有機材料相容性較差，要通過粉體插層、機械力和化學包覆等改性方法來提高相容性，以獲得性能優良制品。

2.2.4 色差和尺寸外觀控制技術

利用計算機等科學儀器和操作人員經驗相結合的方法進行著色劑配色，檢測白度和黑點，使用過濾雜質技術等獲得多彩豐富的優良制品。

3 塑料改性和無損檢測技術及其應用

進入21世紀，人與自然和諧共處是全人類需要共同面對的課題。隨著科技創新和發展方式變革，各行業都朝著綠色、節能、環保、可回收、可循環再利用的方向發展，高性能材料改性技術不斷涌現。

3.1 石墨烯改性技術

石墨烯由諾貝爾物理學獎獲得者Andre Geim和Konstantin Novoselov從石墨中提取制備而成，石墨烯由碳原子單層片狀組成的二維碳素晶體新材料，是迄今發現最薄材料，厚度約為0.335 nm。由石墨烯改性技術得到的高分子塑料性能更優，如高耐熱、抗耐蝕、高硬度、阻隔性、高力學和電學性能[5]，一些學者已對石墨烯改性塑料的加工方法、性能和無損檢測等方面做了深入研究。

洪曉東等[6]學者綜述了石墨烯改性復合塑料制備工藝，如，羧基、環氧基和非共價鍵功能化等的研究進展及應用現狀，總結認為氧化石墨烯的改性及其聚合物復合材料可用來制備自修復智能、超級電容儲能等復合材料。

崔峻豪[7]等學者對比分析了石墨烯物理和化學制備工藝的改進技術及優缺點，包括機械剝離法、液相剝離法的改進優化，化學氣相沉積法（CVD）、氧化還原法、電化學剝離的優化改進，綜合后認為氧化還原法與電化學是極具工業化發展潛力的。這些技術使得石墨烯可以大量制備，并應用在各個領域，具有良好發展前景。

鄧智鵬等[8]學者系統地從防靜電、導熱、力學、輕薄透、環保、便于保存新鮮食品的阻隔性復合材料角度，綜述了石墨烯材料的最新研究進展和優缺點，闡述了改性機理和電磁屏蔽、抗菌、耐摩擦等應用發展前景。此外，也有學者認為石墨烯改性技術有許多難題要解決，如片層褶皺、堆疊、團聚可控性、良好相容性和高品質、低成本等問題[9]。

Kamboj,Saurabh 等[10]學者系統綜述了石墨烯技術的最新研究成果，包括石墨烯基復合材料的制備方法和在光催化劑、超級電容器和鋰離子電池中的開發應用。石墨烯形成復合物以后，納米金屬氧化物材料的性能得到顯著提升，能有效降解廢水中有機污染物，并在光催化方面得到更加廣泛的應用。石墨烯也被認為是超級電容器的優良材料，這為開發出高性能的電動汽車領域提供巨大應用潛能。石墨烯復合材料作負極材料制成的鋰離子電池，具有低自放電速率、高能量密度和良好循環壽命。

石墨烯改性技術在儲能、化學傳感器、電子和健康醫療應用中引發研究者興趣。Soon Poh Lee等[11]學者研究還原氧化法制備PTZ-rGO，發現穩定的充放電性能在10000次循環后，仍具有92%的電容保持率，使其成為超級電容器的優良電極材料制造。A.G.Olabi等[12]學者探討了石墨烯在儲能裝置、吸收器和電化學傳感器中的應用。Santosh K.Tiwari等[13]學者系統探索新的石墨烯衍生物及其在生物成像、防水涂料、健康產品到航空航天中的應用。

3.2 碳纖維改性技術

碳纖維被稱作21世紀的黑色黃金，具有高彈性模量、比強度、抗蠕變、耐疲勞腐蝕等優異性能[14]可作為改性樹脂基體的增強材料。熱塑性增強材料具有可回收循環再利用、成型快、抗沖擊、易修復等特點[15]，在交通、輪船、航天和醫用器材等領域有良好應用前景。

碳纖維因品種不同，強度、模量、界面黏結性能和綜合性能都不同[16]。碳纖維表面活性官能團顯示惰性和非極性，運用改性技術加強與樹脂基體的黏結性提高性能和應用領域[17]是國內外研究工作的重心。

戰奕凱，李剛[18-20]等學者綜述了國內外碳纖維表面改性技術，分為化學方法和物理方法。化學方法分為表面氧化法、接枝法等，具有反應速率快、效果顯著，可增加表面粗糙度和微觀特征，從而改善界面黏結力的優點，但是化學方法改性過程中容易使纖維內部結受損而導致強度降低，是需要改進的難點。物理方法包括涂層法和等離子處理法，此法具有靈活、易控制、無污染等優點，但對所需生產設備要求高，且不能從根本上提高其表面性能，對表面性能要求高的場合無法應用，因而制約了此技術發展。

Wu、Dongliang等[21]學者研究了采用化學氣相沉積(CVD)技術通過涂層將碳納米管均勻分布在纖維表面，不破壞碳纖維增強塑料(CFRP)界面結構和性能，從而有效地減輕高溫和金屬催化劑對纖維體的腐蝕，提高了碳纖維及其復合材料的力學性能。Zheng、Hao等[22]學者系統綜述了近年來碳纖維改性研究成果，為復合材料的增強作用研究提供理論依據，對今后的研究方向進行了展望。

3.3 改性塑料無損檢測技術

制造工藝的復雜、不穩定，在役時環境變化等因素的影響都會產生分層、孔隙、纖維斷裂、褶皺等不同類型損傷，嚴重影響其力學性能。超聲無損檢測技術具有攜帶方便、操作簡單及檢測效率高等優點，在產品設計、成品檢測損傷，質量評價及壽命評估等領域廣泛使用。

楊紅娟[23]等學者系統綜述了基于體波或導波的C掃描、相控陣、激光超聲、空氣耦合和光纖超聲等超聲無損檢測技術、損傷診斷成像算法以實現損傷形貌圖像。根據被測樣品密度、厚度、彈性常數和換能器參數等選擇合適無損檢測方法，并從構建碳纖維改性材料的陣列聲場模型、損傷成像算法、智能監測成像系統、損傷定量評估標準、診斷評估及壽命預測等方面進行研究展望。

4 改性塑料及其無損檢測技術發展建議

⑴ 完善改性塑料工業體系、標準體系和知識產權體系。改性材料的持續健康發展需建立完善的改性塑料工業體系、標準體系和知識產權體系，產品標準的內容和數量與產業發展越同步才能更好地使行業參與國際競爭。

⑵ 塑料改性的理論研究和工程實踐應用研究需要相互促進提高。目前，改性材料主要側重理論和通用產品領域的研究，而生產實踐過程中涉及的人才培養、設備制造、配方設計、工藝開發等應用研究還有待加強。進一步提高科研成果的知識產權轉化率和指導實際生產能力，加強對高性能改性劑、新材料和產品的研發和生產加工，引導國內金發科技、中國鑫達、銀禧科技、道恩股份等主要改性塑料企業生產高水平產品，促進我國的塑料改性產業朝著安全、綠色、環保、輕量功能化、生態智能化等方向發展。

⑶ 在無損檢測技術和成像算法方面，需要進一步構建碳纖維改性材料的陣列聲場模型、損傷成像算法，制定損傷定量評估標準、診斷評估及壽命預測標準，開發智能監測成像系統，使無損檢測設備攜帶更方便、操作更簡單、準確度及效率更高。

5 結語

改性塑料的蓬勃發展，為家電、汽車、航天、高鐵、船舶、辦公設備、電動工具、機械建筑等行業的多樣性發展提供強有力的技術支撐，然而這些行業也對改性塑料的配方設計研發、改性成型工藝和設備等方面提出更高技術要求，因此，塑料改性成型技術的研究對于促進整個塑料產業發展和轉型升級具有積極意義。