聚合物加工成型的现代化优化

英国伦敦科学研究委员会聚合物工程理事会理事A. A. L查利斯^[1]指出：“聚合物流变学是一个与聚合物加工成制品或元件有关的领域，是一个关系到使聚合物制品的设计符合使用要求的领域，是与聚合物制品或元件的长期和短期特性有关的领域。”聚合物流变学是研究聚合物材料结构和性能关系的核心环节之一。聚合物流变学已成为材料分子设计、材料设计、制品设计和加工设备设计的重要组成部分。聚合物流变学作为一门新兴的研究材料结构与性能关系的科学，与聚合物科学的任一分支均有密切关系。Han^[6]指出：“聚合物材料的流变性质随其化学结构而变化。”在聚合物的聚合阶段，流变学与化学结合在一起，而在后续的所有加工阶段，流变学主要是与聚合物加工成型工程相结合。

聚合物材料中，合成树脂和塑料的产量占80%以上，加工聚合物材料的方法就有30多种。挤出、压延、吹塑、注塑的成型等大多数加工方法是以熔体加工为基础，先将固体塑料加热、融化、混合、熔体输送和赋形，再经固化而制成制品。在这种加工过程中，聚合物材料所经受的加热和变形直接影响制品的微观结构，最终决定制品的性能。这里简单介绍现代聚合物加工成型的典型过程，作为读者的入门知识。

Tadmor和Gogos^[7]专著的第1章详细介绍了聚合物典型加工成型过程的流程图，便于读者理解聚合物加工成型的过程。图1.2.1给出气相聚合反应工艺流程。由图1.2.1可知，气相聚合反应产物经分离和干燥获得纯聚合物粉末。然后将其与各种稳定剂混合，得到包覆有稳定剂聚合物粉末料。经同向双螺杆挤出机或连续混料器的塑炼、熔融、混合，加压输送到口模成型，经冷却、切割，获得初始的塑料粒子，提供给配料或制造厂家使用。由此可以很好地理解，聚合物加工成型的因果关系。

图1.2.1 气相聚合反应工艺流程^[7]

图1.2.2给出聚合物复合工艺流程。由图1.2.2可知，来源于树脂厂商的初始塑料粒子与颜料、填料、补强剂一起，经单（双）螺杆挤出机塑炼、熔融、混合和加压，经齿轮泵加压输送到口模成型，冷却后经造粒机切割，获得复合颗粒，提供给制造商。

图1.2.2 聚合物复合工艺流程^[7]

图1.2.3给出反应聚合物加工工艺流程。由图1.2.3可知，初始塑料粒子与反应物一起，经双螺杆挤出机或连续混合器（单螺杆挤出机）塑炼、熔融、混合、反应，脱除挥发组分后，进入齿轮泵加压输送到口模成型，由水下造粒机完成切割、冷却，获得反应改性/功能化的颗粒，提供给制造商或混料商。

图1.2.3 反应聚合物加工工艺流程^[7]

图1.2.4给出聚合物发现和改性的历史沿革。图1.2.4的左图给出基于新单体的聚合物从1920年至2000年的发展情况；图1.2.4的右图给出基于已知单体和聚合物组分的聚合物1920年至2000年的发展情况。由图1.2.4可知，20世纪的20年代至60年代，大部分聚合物都已被发现。之后聚合物工业和学术界都致力于开发新型聚合物共混物（合金）。自1960年以来，新发现的单体聚合物在减少，而有商业价值的聚合物共混物数量在快速增加，有力地推动了塑料工业的发展。同时，也给聚合物加工成型领域带来了新的研究课题。

图1.2.4 聚合物发现和改性的历史沿革^[7]

图1.2.5给出聚合物合金制备工艺。由图1.2.5可知，两种聚合物粒子与相容剂、添加剂等一起，经双螺杆挤出机塑炼、熔融、混合、反应，脱除挥发分后，经齿轮泵加压送到口模成型，冷却后由造粒机切割，获得聚合物合金颗粒，提供给制造商。

图1.2.5 聚合物合金制备工艺^[7]

图1.2.6给出塑料产品制备工艺。由图1.2.6可知，初始塑料粒子与少量添加剂一起，经单螺杆挤出机或注塑机塑炼、熔融、混合，加压输送到单螺杆挤出机的口模/或模具进行成型、排列、冷却后，再经修整、焊接、热成型等下游/后处理，获得聚合物混合颗粒，最后制成塑料制品。

图1.2.6 塑料产品制备工艺^[7](www.xing528.com)

图1.2.7给出在线（原位）聚合物加工工艺。由图1.2.7可知，树脂与反应物、添加剂、相容剂一起进入设备，在同一操作工艺中完成复合、微结构、反应和成型过程，最后获得制品。

图1.2.7 在线（原位）聚合物加工工艺^[7]

图1.2.8给出聚合物加工成型过程的概念分解示意图。由图1.2.8可知，聚合物原料到成品经历基本步骤、成型和成型后处理等三个阶段。基本步骤准备加工成型的原材料，其过程包括颗粒状固体的处理、熔融、加压和泵送、混合、脱挥发分和剥离。成型阶段包括模具成型、成型铸造、拉伸成型、压光和涂覆和涂膜料等。成型基本阶段可以先于成型或与成型同时进行，贯穿这些过程的始终或在这些过程之后聚合物结构化。最后，在聚合物结构化的后面是印刷、装饰等成型后处理阶段。

图1.2.9给出聚合物复合、共混和反应聚合物工艺概念的分解。由图1.2.9可知，一种或多种聚合物、添加剂、反应物经过基本步骤和造粒模具被加工成小球。基本步骤包括颗粒状固体的处理、熔融、加压泵送、混合、熔融反应、脱挥发分和剥离，进而在造粒模具形成微结构。微结构化的小球经过第二步机械处理，获得初步产品或最终产品。在聚合物复合、共混和反应加工工艺中，基础聚合物原材料经过两次热力学经历，第一次热力学的基本步骤获得微结构颗粒，而第二步热力学经历主要用于制造成品。

图1.2.8 聚合物加工成型过程的概念分解示意图^[7]

通过对图1.2.1至图1.2.9的分析，学习了解了典型聚合物材料加工成型过程。一般由合成树脂厂提供不同牌号的聚合物。但是，为了开发新产品，大多数企业采用增塑、增强、共混、阻燃、稳定、发泡、复合等工艺，改性工业化的聚合物，以制备具有不同性能的材料。在开发新材料的过程中，必须研究聚合物的流变性能。每种过程材料经历了两次热力学过程。每一次热力学经历的基本步骤对制品有着不同影响。

图1.2.9 聚合物复合、共混和反应聚合物工艺概念的分解^[7]

在聚合物材料加工成型过程中，聚合物的流变特性起着很重要的作用，材料物性参数、设备结构和工艺条件直接影响制品的质量，也就是说：

① 在设备结构一定的条件下，研究物性参数和工艺条件影响制品的质量；

② 在物性参数一定的条件下，研究加工设备和工艺条件影响制品的质量。

在材料物性参数、设备结构和工艺条件相互关系之间，聚合物流变学起着核心的主要作用，已经成为聚合物工程极为重要的基础理论，是聚合物工程领域中工程技术人员不可缺少的专门知识。

Tadmor^[7]还特别强调：“随着这些领域的进步和可用计算能力的指数级增长，已经在实现特定的加工产品性能方面取得重大进展，而不是通过反复试验，而是通过过程模拟”可见，在信息化时代，掌握数值模拟技术的重要性和必要性。工程技术人员掌握了聚合物流变学的知识，研究掌握材料的物性参数，在设备结构一定的条件下，使用数值模拟技术，优化合理的加工工艺条件，减少盲目试验的成本，可以制出性能良好的制品，减少废品率；也可应用聚合物流变数据，优化设计加工设备，局部改进设计加工成型设备的工艺部分。