塑料及其成型加工技术的现状与发展
塑料及其成型加工技术的现状与发展杜遥雪瞿金平2（1.五邑大学机电工程系，广东江门529020；2.华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东广州510641）等塑料成型加工领域方面的新技术和研究进展进行了阐述。
1塑料在国民经济中的重要作用材料、能源、信息是现代科学技术的三大支柱，材料科学是当今世界的带头学科之一。高分子材料是材料领域中的后起之秀，它主要包括合成树脂和塑料、合成纤维、合成橡胶三大类，通常称之为“三大合成材料”。与其它材料相比，塑料具有重量轻、耐腐蚀、比强度高、电性能优异、容易加工成各种外观美丽且色彩鲜艳的制品等特点，已成为材料工业不可缺少的重要组成部分，而且是材料工业中高新技术最活跃的领域。
目前，塑料的应用领域正逐步扩大，已涉及到国民经济的各个方面乃至人们的日常生活，如以塑料代替钢铁、铜、铝等金属材料，木材，陶瓷，玻璃，皮革，纸张，漆器，橡胶，石料等。另外，塑料还能制成功能性塑料产品。塑料制品广泛应用于农业、渔牧业、电气、机械表、汽车、航空航天、化工、建筑材料、包装等工业部门。
2塑料及其成型加工方法2.1塑料的分类根据塑料热行为的不同，可将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。常见的热塑性塑料品种有：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、氟塑料、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）。常见的热固性塑料品种有：酚醛塑料（PF）、氨基塑料、环氧塑料（EP）、不饱和聚酯塑料（UP）。
根据塑料产量和应用情况不同，可将塑料分为通用塑料、工程塑料和功能塑料。其中工程塑料又可分为通用工程塑料和特种工程塑料。
52五邑大学学报（自然科学版）2001年2.2塑料成型加工的方法塑料从成型材料到有使用价值的塑料制品的转换必须经过成型加工过程。在此过程中，首先必须根据各种成型材料的固有性质，利用加热、加压、溶胀或溶解等一切可以实施的办法使其达到可塑状态，继而获得模具所赋予的形状和尺寸，经过进一步加工最终成为符合要求的制品。塑料制品的成型加工方法有模压、挤出、注射、中空吹塑、压延、浇铸、热成型等。
3塑料的发展趋势3.1通用热塑性塑料的高性能化和工程化以PE、PP和PVC为代表的聚烯烃是通用热塑性塑料中占首位的品种（见表1）。通用热塑性塑料高性能化和工程化的方法有：合金、共混、共聚、复合、增强、填充、发泡等。
表1 1998年我国各种树脂消费情况四川大学对纳米级无机填料在碳黑填充硬质PVC中的作用进行了研究，在保证材料抗静电性能的前提下，添加0.5%的纳米级无机填料，即可使材料的冲击强度提高56%，拉伸强度增加3MPa，熔体流动性也有所改善。
3.2工程塑料的开发和应用近年来，工程塑料一方面继续不断研究开发新品种，发掘原料来源容易的新工程塑料。与此同时努力降低材料价格，特别是设法降低原料单体的价格，开发出划时代的新聚合工艺。另一方面通过合金、共混、改性、填充、增强、复合等途径，开发了一大批新品牌。
聚酰胺中的PA66是DuPont公司于60年前率先实现工业化的产品。它具有耐热性、力学性能、成型加工性相平衡的优点，因而在汽车、机械、电气电子、办公自动化设备、建材等领域广泛应用。其需求量列五大工程塑料之首位。
PC是通用工程塑料中唯一非结晶性透明材料。它具有优异的耐冲击性、耐热性、耐酸、介电性及耐寒性。目前，其需求量仅次于PA.PC具有高透明度，用于汽车灯具、透镜等照明器件，天棚、隔音板、采光门窗等透明板材。PC另一个引人瞩目的应用领域是制作光盘，目前市售的CD-ROM都是以PC为原料。
3.3聚合物的合金和共混随着工业界对材料需求的复杂化和多样化，聚合物合金和共混物应运而生。
聚合物合金和共混物投资少，风险小，易于适应市场需求的细致变化。
复旦大学以少量SMAH为增溶剂，将PA6与ABS共混，制得PA6/ABS/SMAH共混物，其综合力学性能明显提高+清华大学将少量的低分子环氧树脂（EP）加入到PC/LCP二元共混物中，制得PC/EP/LCP共混物。当加入2%的EP时，该共混物的综合力学性能大幅度提高，其中断裂强度提高11.2MPa，断裂弹性模量提高0.9GPa，弯曲强度提高19MPa. 3.4塑料的功能化和智能化功能高分子是高分子化学的一个重要分支，它融合了高分子物理、物理学、生命科学、电子学等有关学科的知识，通过分子设计、分子结构对功能的影响规律研究，可以合成并制备种类繁多、功能奇特的材料或器件。其前沿领域有电子功能聚合物及信息技术研究、医药功能高分子及卫生保健技术研究、信息高分子的合成及应用技术、各种敏感检测材料、微小机械材料等。
导电塑料是指体积电阻率小于106 cm或电导率大于2S/cm的一类聚合物。在20世纪80年代以前，人们一直认为塑料为绝对的非导体材料。1977年日本学者KSiakawa和MacDiarmid首先开发出电导率为103S/cm的聚乙炔，并于1986年将其进行双向拉伸改性处理，电导率可达104~105S/cm.这时，人们才认识到塑料也可成为导体，而且是一种电的良导体。导电塑料具有质轻、导电性好、防腐蚀、防生锈等优点，是一类很有发展前途的导电材料。
智能化塑料是指能够感知和接受外部环境的信息如声、光、电、磁、酸碱度、温度、力等，并可根据环境变化自动改变自身形态，作出反应的一类新型高分子材料，这是美日科学家最近提出的新概念。智能化塑料同时具备传感、控制及驱动三重功能，它能通过自身的感知，进行信息处理，发出指令并执行和完成动作，从而达到自检测、自诊断、自控制、自校正、自修改和自适应的功能。目前，已开发的智能化塑料主要有形状记忆塑料和压电塑料两种。
3.5聚合物基复合材料的迅猛发展复合材料是由高分子材料、无机非金属和金属材料通过复合工艺构成的一种新型材料，其中聚合物基复合材料已成为复合材料的主角。目前，聚合物基复合材料正从重点发展热固性树脂转向大力发展高性能热塑性树脂。
纳米材料加入到聚合物中，可使聚合物材料的性能得到很大的提高，在聚合物中加入纳米材料是制备高性能、高功能复合材料的重要手段之一。纳米材料在塑料中的作用不仅仅是补强，而且还能赋予基体材料其它新的功能。如：由于纳米材料的粒子尺寸很小，透光率好，将其加入塑料中可以使塑料变得很致密，表2纯PA6与PA6/粘土纳米复合材料的性能比较特别是半透明的塑料薄膜，添加纳米材料后不但薄膜的透明度得到提高，韧性、强度也有所改善，且防水性能大大增强。
中国科学院漆宗能教授等采用层间插入法成功地制备了聚酰胺、聚酯、聚苯乙烯及高抗冲聚苯乙烯层状硅酸盐纳米复合材料，并得出插层聚合复合材料具有高耐热性、高弹性模量、高强度和阻隔性好等特点。由表2可以看出，其性能大大优于传统材料。
4塑料成型加工的新技术4.1反应性加工技术反应性加工是指成型加工中，确保不相容共混物组分之间发生适当的化学反应，在混合过程中就地生产增容剂，并控制分散相形态，制取各种高性能的共混物和合金材料。
反应注射成型（RIM）是将两种或两种以上具有反应性的液体组分在一定温度下注入模具型腔内，在其中直接生成聚合物的成型技术，即将聚合与成型加工一体化，或者说直接从单体54五邑大学学报（自然科学版）2001年得到制品的“一步法”注射技术。互穿聚合物网络（IPN）与RIM结合起来的IPN-RIM是近年来国外正在开发的新技术。
近年来，反应挤出加工技术已愈来愈多地应用于加成聚合反应、缩聚反应、接枝共聚反应、控制聚合物分子量及分子量分布等方面。反应挤出技术是把聚合物的化学反应和聚合物的挤出加工有机结合成一个完整的连续过程的反应性聚合物加工。随着单螺杆挤出机性能的不断完善，特别是双螺杆挤出机的出现，为连续反应成型提供了优良的特性，对反应挤出成型的发展起到了促进作用。
4.2振动技术在成型加工中引入振动技术，实质上是让聚合物熔体产生振动，借助熔体的振动作用，改变熔体的流动状态，控制制品的内部结构与微观形态，从而达到控制制品力学性能和外观质量的目的。
在注射成型中引入振动技术，其目的和作用在于把振动引入模腔中，使模腔内聚合物熔体产生振动剪切流动，通过振动剪切取向和诱导作用，生产出高强度、高性能的注射制品，这是传统的注射成型工艺无法得到的。注射成型中的加振方法有多点进料振动成型、推拉注射成型、螺杆加振技术等。
墨西哥BMena等人通过在挤出机的模具上段安装一个可以纵向、横向振荡和螺旋运动的装置，可使低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDI>E）和PS挤出物的力学性能得到明显提高。采用两台交流电机分别精确控制振荡频率和幅度，通过热电偶控制物料温度。由于振荡导致的链取向，使聚合物性能提高。该振荡装置还可降低施加于挤出模入口的压力，节能20%以上。
4.3电磁动态成型技术电磁动态成型技术是华南理工大学教育部“长江学者奖励计划”特聘教授瞿金平发明的具有世界首创水平的先进技术。该技术从换能方式入手，提出了直接电磁换能、机电磁一体化和动态成型新概念，使机械结构大大简化，能耗降低，制品质量显著提高。
电磁动态塑化挤出机的塑化挤压部分被全部置入驱动电机转子的内腔中，让转子直接参与聚合物的塑化挤出过程，并利用转子的转动、谐波振动和强制振动，直接将电磁功率转换为热能、压力及动能，完成物料的输送、塑化挤出成型。这样便将电磁场引起的机械振动场引入到聚合物塑化挤出全过程，实现了物料动态塑化挤出、直接电磁换能及结构的集成化。该设备具有体积重量减少约70%、制造成本降低50%左右、能耗降低约50%、噪音低、对物料的适应性好、塑化混炼效果好、挤出温度低和成型制品质量高等一系列显著特点。由表3可以看出，新型挤出机生产的薄膜各项性能均优于传统挤出机。
表3新型挤出机和传统挤出机生产的薄膜性能比较物料挤出机拉伸强度/MPa撕裂强度/（kg/cm）断裂伸长率/%纵向横向纵向横向纵向横向新型传统新型传统电磁动态注射机将塑化装置与控制系统巧妙地结合在一起，采用无拉杆、双动模板的结构方式，完全打破了传统注射机的结构模式。电磁动态注射机将振动场引入塑化、注射、成型全过程，有利于实现低压注射和精密注射成型。
利用电磁动态成型技术研制的电磁动态混炼挤出机，采用直接的换能方式，将振动场引入塑化、混炼、排气挤出成型的全过程，比传统的双螺杆挤出机性能大大改善。
4.4在线检测及自动控制技术在塑料工业发达国家，注塑成型设备的数字、智能控制和比例或伺服系统技术已经成熟，而且在迅速更新提档。挤出成型设备实现全线联机控制，并与在线检测装置建立反馈系统。例如通过对膜、片厚度的在线检测，实现机头膜唇间隙自动调整；通过对吹塑管泡径向尺寸的测定，调整内冷装置进排气量；中空成型型坯厚度实现数字化。
4.5气体辅助技术气体辅助注射技术是20世纪90年代初刚刚进入实用阶段的塑料成型加工新技术，在产品设计方面有许多新的设计概念气体辅助注射成型是在物料充模过程中，向熔体内注入相对注射压力而言的低压气体，利用气体的压力实现保压补缩。气体辅助注射成型的气体控制装置控制气体产生低频压力脉动，可以直接对气体辅助注射制品施加波动的压力，改变熔体在冷却成型中的粘弹性，增强制品的分子取向，提高制品的结晶度，从而改善制品的性能。
