高分子材料成型加工的发展趋势

材料加工新技术

----高分子材料成型课程大作业

学生姓名

学生学号201512192390

专业方向材料学（金属材料）

研究生导师

2015年11月26日

高分子材料成型加工的发展趋势

摘要：随着科学技术的不断进步，经济的发展越来越快，高分子材料成为了发展的关键，同时也是发展高新科技的基础。高分子材料只有通过加工成型获得所需的形状、结构与性能,才能成为具有实用价值的材料与产品。高分子材料加工成型是一个外场作用下的形变过程,其技术与装备在很大程度上决定了最终材料与产品的结构与性能。高分子材料加工成型过程节能降耗、废旧制品循环利用、可再生资源替代是发展趋势,研宄与探索高分子材料加工成型新方法、技术及装备对推动高分子材料产业及相关制造业的发展具有重要意义。同时可丰富和发展我国高分子产品先进制造理论及其应用

关键词：高分子材料；发展；加工

高分子材料是当代新材料的后起之秀，但其发展速度与应用范围超过了传统的金属材料和无机材料，已成为工业、农业、国防、科技和日常生活等领域不可缺少的重要材料。世界合成高分子材料的总产量已达3亿吨，其体积产量超过金属材料。我国是高分子材料生产和消费的大国，合成高分子材料产量达3000万吨左右，在全球排名第二，年消费量5000万吨左右。近年来，高分子材料成型加工技术在工业上取得了飞速发展，我国航空工业、国防工业等领域的发展对聚合物材料的性能提出了更高的要求。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。[1]由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。高分子材料的高分子链通常是由结构单元组成，高分子链结构和许许多多高分子链聚在一起的聚集态结构形成了高分子材料的特殊结构。因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的结构特征(如同分异构体、几何结构、旋转异构)外，还具有许多特殊的结构特征。高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。近程结构属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。远程结构是指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构象．也称二级结构。聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构．包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。由于工业化技术的发展和人民生活水平的提高，人们对塑料产品种类和质量的需求也越来越高。高分子材料是通过制造成各种制品来实现其使用价值的，因此从应用角度来讲，以对高分子材料赋予形状为主要目的成型加工技术有着重要的意义[2]。高分子材料的主要成型方法有挤出成型、注射成型、吹塑成型、压延成型等，文章综述了高分子材料成型加工技术的最新进展现，着重探讨一下高分子材料成型加工技术的发展前景。

1 高分子材料的发展趋势

随着生产和科技的发展，以及人们对知识的追求，对高分子材料的性能提出了各种各样新的要求。总的来说，今后高分子材料的发展趋势是高性能化、高功能化、复合化、智能化以及绿色化[3]。

1 .1 高性能化

提高耐高温，耐磨性，耐腐蚀性，耐老化及高的机械强度等方面是高分子材料发展的重要方向，这对于航空、汽车工业、航天、电子信息技术、家用电器领域都有非常重要的作用。高分子材料高性能化的发展趋势主要有：（1）创造新的高分子聚合物；（2）通过改变催化剂和催化体系，合成工艺及共聚，共混及交联等对高分子性能进行改进；（3）通过新的加工方法改变聚合物的聚集态结构；（4）通过微观复合方法，对高分子材料进行性能改变

1 .2高功能化

高分子材料的高功能化是材料领域最具活力的新领域，目前已研究出了各种各样新功能的高分子材料，可以作为人造器官的医用高分子材料等。鉴于以上发展，高分子分离膜、高分子吸水性材料、光致抗蚀性材料、高分子催化剂等都是功能高分子的研究方向[4]。

1 .3 复合化

为了发挥不同材料的优点，克服单一材料的缺点和不足，提高经济效益，使高分子材料的应用更为广泛而有了高分子材料的复合化。高性能的结构复合材料是新材料革命的一个重要方向，目前主要用于航空造船、航天、海洋工程等方面，今后复合材料的研究方向主要有：（1 ）研究并开发高性能、高模量的纤维增强材料；（2）合成具有高强度，优良耐热性和优良成型加工性能的基体树脂；（3）界面性能，粘结性能的提高及评价技术的改进等方面。

1 .4 智能化

智能化的高分子材料是使材料本身带有生物所具有的高级智能，例如预知预告性，自我修复，自我诊断，自我识别能力等特性，对环境的变化可以做出相应的解答；根据人体的状态，控制和调节药剂释放的微胶囊材料，根据生物体生长或愈合的情况或继续生长或发生分解的人造血管人工骨等医用材料[5]。

1 .5 绿色化

我们的日常生活中虽然高分子材料对起了很大的作用，但是高分子材料也给我们带来了不小的污染。现在很受关注的从生产到使用能节约能源与资源，排放废弃物少，对环境污染小，又能循环利用的高分子材料，要求高分子材料生产的绿色化。研究高分子材料的绿色化主要有以下几个方向：（1）开发原子经济的聚合反应；（2）选用无毒无害的原料；（3）利用可再生资源合成高分子材料；（4）高分子材料的再循环利用

总的来说，高分子材料对我们的未来影响是不可预测的。我国虽然在高分子材料的开发和利用方面起步比较晚，然而目前看来进步的速度也是越来越快，高分子材料已经为我国的经济建设做了重要的贡献，我们应该更加提高技术水平，加强对新材料的开发，以提高生活的质量，让高分子材料成长得更加全面，更好地为人类服务。

2 高分子材料加工设备发展趋势

2.1精密注射成型设备

精密注塑机是指具有成型精密塑料制品能力的注塑机。20 世纪70 年代，随着电子技术的发展，工业发达国家率先研制出精密注塑机。尤其是日本，日钢、日精、东芝、新泻等厂家都开发了各具特色的精密注塑机。我国于80 年代，精密注射机研制也取得一定成绩。1985 年，上海第一塑料机械厂研制成功SZ---150 / 100 精密注塑机。同年，杭州四五零九厂制造出微型精密注塑机C4704。之后，上海电讯器材厂试制成功10 克精密注塑机，浙江塑料机械厂也研制出闭环控制的精密注塑机。闭环控制的注塑机可以分别对温度、注射速度、注射压力、保压压力、塑化背压、塑化转速等重要工艺参数及过程参数实施闭环控制，大幅度提高控制精度，确保产品质量更加稳定。1989 年，顺德市秦川恒利塑机有限公司研制出双动模及四缸差动合模注塑机，在此基础上又开发成功全液压四缸直锁二板式精密注塑机[6]

2.1.1全电动式注塑机

全电动式注塑机是指采用伺服电机取代原来的液压装置，以完成螺杆旋转、注射、开合模等动作过程的注塑机。全电动式注塑机的机械部分原理与传统注塑机基本机同，只是在控制部分采用伺服电机，代替原来的液压装置。全电动注塑机的注射装置也包括塑化部件和传动部件两部分。塑化部件与传统注塑机相同，主要由螺杆、机筒、喷嘴等组成；传动部件由滚珠丝杆、伺服电动、传动齿轮和离合器等组成。全电动注塑机的合模装置也有肘杆式和直压工两类。肘杆式合模装置的全电动注塑机结构如图2.1.1所示。合模装置中也采用了滚珠丝杆和伺服电机，包括动模板、前模板、后模板拉杆及传动齿轮等零部件。

图2.1.1 全电动式注塑机的结构示意图

全电动注塑机的合模装置在结构设计中用移模丝杆代替原有的移模油缸。它利用具有行程升角的螺纹，将旋转动变换为直线运动。以肘杆式合模机构为例，其工作原理：当电机正向转动时，移模丝杆带动肘杆机构推动模板向前运动。当模具的分型面接触时，肘杆机构尚未形成一线排列，动模板受到变形阻力的作用。此时电机的转速降低、扭矩增大，使作用在移模丝杆上的作用力不断增加，直至足以克服变形阴力，使肘杆成为一线排列。合模机构发生的弹性变形对模具实现了预紧，该预紧力即为合模力。[7]在开模时，电机反转，在移模螺杆力的作用下，肘杆的一线排列被破坏，动模板被迫与定模板分离并退回合模前的初始位置，从而实现开模。

2.1.2全液压式注塑机

全液压式注塑机在成型精密、复杂形状制品方面有许多独特优势，其注射装置与传统注塑机的注射装置类似。全液压式注塑机的合模装置有很多种结构，从最传统的单缸充液式、多缸充液式到最近几年发展出来的全液压二板直压式。[8]单缸充液式是传统全液式的代表，

图2.1.2充液式合模装置

如图2.1.2 所示。它有一般液压式的优点，如合模精度高、开模力大等，也有明显的

缺点，如容易内泄外漏、体积庞大、升压速度慢、耗能多等。[9]多缸充液式是从单缸充液式那里发展起来的一类结构，包括无拉杆注塑机。这类结构比单缸充液式有一定程度的改善，具有某些方面的优点，如方便安装顶出油缸等，而且机身较短，在欧洲生产的厂家也不少。

2.1.3精密注塑机的发展方向

电液复合式注塑机融合了全液压注塑机高性能的优点和全电动注塑机节能的优点。从全液压式高性能和全电动式节能相结合的角度来看，电液复合式注塑机将是精密注塑机发展的一个重要方向。[10]电动/ 液压相结合的复合式注塑机已成为当今精密注塑机发展的新动向。

2 .2高分子材料的3D打印设备

3D打印（3D printing），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术能够简化产品制造程序，缩短产品研制周期，提高效率并降低成本。可广泛应用于医疗、文化、国防、航天、汽车及金属制造等产业，被认为是近20年来制造领域的一个重大技术成果。

[11]传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。

2.2.1熔融沉积式(FDM）

通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。[12]FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1℃左右)。[13]其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定，通常是0.25~0.50mm

图2.2.1 熔融沉积式

2.2.2选择性激光烧结（SLS）

SLS技术是一种使用高功率激光（如二氧化碳激光）的添加制造技术，其原理如图所示。将很小的材料粒子融合成团块，形成所需要的三维形状。[14]高功率激光根据三维数据（如制作的CAD文件或扫描数据）所生成的切面数据，选择性地融化粉末层表面的粉末材料，然后每扫描一个粉末层，工作平台就下降一个层的厚度，一个新的材料层又被施加在上面，这个过程一直重复至完成制造[15]。

图2.2.2 选择性激光烧结

2.2.3分层实体制造（LOM）

激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将箔材无轮廓区切割成小碎片。[16]然后，由热压机构将一层层

纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、粘合和切割新的一层箔材。[17]最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品[18]

图2.2.3 分层实体制造

2.2.4立体平板印刷（SLA）

SLA的工作过程如图所示，紫外线激光束通过检流镜驱动，扫描装有液体感光树脂的桶表面，激活聚合反应，树脂硬化形成三维物体的一个固体层。完成一层的构建后，平台将会下降单层厚度（通常0.05～0.15mm）。然后，刀片扫过部件的横截面，为其涂上新的材料，在这个新的液体表面，再由激光束固化出随后一层的图案，合并到前一层。如此反复，就可形成一个完整的3D部件。[19]构建完成后，部件将被浸入化学药液中，以清洗掉多余的树脂，随后在紫外线烘箱内进一步完成产品的固化。

图2.2.4 立体平板印刷

近年来，3D打印技术发展迅速，应用领域逐渐增多，作为3D打印的物质基础，打印材料的发展决定了3D打印的发展前景。目前，国内关于3D打印材料的相关标准还不完善，许多材料仍然依赖国外进口，价格昂贵，造成了打印成本较高，使得3D打印技术难以普及化和产业化。因此，当下最急需的就是完善3D打印材料相关标准，加大对材料的研发力度，尤其是在新材料的研发及应用方面，提倡思维创新，‘鼓励技术革新，丰富打印材料种类，提高材料质量，进而推动我国3D打印产业的发展。作为3D打印的主要材料之一，高分子材料因其具有优异的机械性能、耐热性以及尺寸稳定性等许多优点，将会具有广阔的发展空间

2 .3超细纤维熔体微分静纺丝电设备

众所周知，由于溶液静电纺丝难以克服溶剂挥发造成纤维孔洞和环境污染问题，有些材料如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等在常温下甚至找不到合适的溶剂，从而限制了溶液静电纺丝技术的工业化应用[11]，迫切需要解决无溶剂的熔体静电纺丝的相关科学技术问题，实现高性能超细纤维绿色制造技术的产业化。然而聚合物熔体微分静电纺丝装置可以解决这些问题

如图2.3所示,熔体微分静电纺丝装置主要由六部分组成：微流量连续进给装置、熔体分配流道、无针微分喷头、电加热系统及高压静电系统。[20]微流量连续供给是自行设计的微型螺杆挤出，实现5~50 g/h的微流量熔体的连续可控供给；熔体分配流道通过流道中微分单元的设计实现单流体向线性或环形流体的转变，最终使熔体一致均分到喷头上；无针微分喷头是具有线性或环形斜表面的熔体均布喷头，有带沟槽或不带沟槽结构的直线性、伞形外锥面型、内锥面型等几种，[21]

图2.3 熔体微分静电纺丝装置

可实现电场线在喷头端部的集中和电荷积聚，达到降低阈值电压的作用；电加热系统是直接包裹在喷头及其上部流道的直接加热装置，喷头接地，接收板接高压电极的方法避免了电加热系统和高压静电的干扰。[22]熔体微分静电纺丝过程就是供给喷头的微流量熔体在微分喷头表面展薄后，在电场力作用下，于喷头面下端均匀分布形成数十个泰勒

锥，并在足够大的电场力作用下，喷射出多射流的过程。

目前开发了熔体微分静电纺丝批量化制备装置，提出了热风辅助的熔体微分静电纺丝批量化生产技术，通过创新的气流辅助内锥面喷嘴的应用，以及均匀一致的一级分流道的结合，高效地实现了熔体均匀细分和射流加速。[23]该技术具有熔喷工艺生产效率高的优点，又具有静电牵伸和气流牵伸的双重作用

3 高分子材料加工工艺发展趋势

随着工业化技术的发展和人民生活水平的提高，人们对塑料产品种类和质量的需求也越来越高。高分子材料是通过制造成各种制品来实现其使用价值的，因此从应用角度来讲，以对高分子材料赋予形状为主要目的成型加工技术有着重要的意义。下文将介绍高分子材料成型加工技术的最新进展。

3.1激光烧结技术

激光烧结技术是在CAD造型的基础上对塑料零件直接进行加工，节省了生产模具的成本，是一种很有潜力的节省模具和存货成本的技术。它能帮助公司突破设计，为大规模生产做好准备。这种由EOS公司提供的系统可将聚酞胺粉末，加工成原型的内饰件、发动机零件等。[24]生产出的零部件，如进气歧管、门内板、仪表板、车内通风管和车灯外壳等的强度足以满足试验车辆在跑道上进行测试的要求，比注塑技术更能降低开发和制造成本。有了这些零件，可以在开发的早期阶段获得更多的数据，[25]而故障则可以在尚未造成很高代价前的阶段被排除。

3.2信息存储光盘盘基直接合成反应成型技术。

此技术克服传统方式的中间环节多、周期长、能耗大、储运过程易受污染、成型前处理复杂等问题，将光盘级PC树脂生产、中间储运和光盘盘基成型三个过程整合为一体。结合动态连续反应成型技术，研究酯交换连续化生产技术，研制开发精密光盘注射成型装备，达到节能降耗、有效控制产品质量的目的。

3.3聚合物／无机物复合材料物理场强化制备新技术。

此技术在强振动剪切力场作用下对无机粒子表面特性及其功能设计(粒子设计)，在设计好的连续加t环境和不加或少加其它化学改性剂的情况下．利用聚合物使无机粒子进行原位表面改性、原位包覆、强制分散，实现连续化制备聚合物，无机物复合材料。

3.4热塑性弹性体动态全硫化制备技术。

此技术将振动力场引入混炼挤出全过程，控制硫化反直进程，实现混炼过程中橡胶相动态全硫化．解决共混加工过程共混物相态反转问题。研制开发出拥有自主知识产权的热塑性弹性体动态硫化技术与设备，提高我国TPV技术水平。

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