近年來,某些特殊領域如航空工業、國防尖端工業等領域的發展對聚合物材料的性能提出了更高的要求,如高強度、高模量、輕質等,各種特定要求的高強度聚合物的開發研製越來越顯迫切。
一、高分子材料成型加工技術發展概況
近50年來,高分子合成工業取得了很大的進展。例如,造粒用擠出機的結構有了很大的改進,產量有了極(大的提高。20世紀60年代主要採用單螺桿擠出機造粒,產量約爲3t/h;70年代至80年代中期,採用連續混煉機+單螺桿擠出機造粒,產量約爲10t/h;80年代中期以來。採用雙螺桿擠出機+齒輪泵造粒,產量可以達到40-45t/h,今後的發展方向是產量可高達60t/h。在l950年,全世界塑料的年產量爲200萬t。20世紀90年代。塑料產量的年均增長率爲5.8%,2000年增加至1.8億t至2010年,全世界塑料產量將達3億t,此外。合成工業的新近避震使得易於璃確控制樹脂的分子結構,加速採用大規模進行低成本的生產。隨着汽車工業的發展,節能、高速、美觀、環保、乘坐舒適及安全可靠等要求對汽車越來越重要.汽車規模的不斷擴大和性能的提高帶動了零部件及相關材料工業的發展。爲降低整車成本及其自身增加汽車的有效載荷,提高塑料類材料在汽車中的使用量便成爲關鍵。
據悉,目前汽車上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的傳統汽車材料(如鋼鐵等)。因此,汽車中越來越多的金屬件由塑料件代替。此外,汽車中約90%的零部件均需依靠模具成型,例如製造一款普通轎車就需要製造1200多套模具,在美國、日本等汽車製造業發達的國家,模具產業超過50%的產品是汽車用模具。目前,高分子材料加工的主要目標是高生產率、高性能、低成本和快捷交貨。製品方面向小尺寸、薄壁、輕質方向發展;成型加工方面,從大規模向較短研發週期的多品種轉變,並向低能耗、全回收、零排放等方向發展。
二、現今高分子材料成型加工技術的創新研究
(一)聚合物動態反應加工技術及設備
聚合物反應加工技術是以現雙螺桿擠出機爲基礎發展起來的。國外的Berstart公司已開發出作爲連續反應和混煉的十螺桿擠出機,可以解決其它擠出機(包括雙螺桿和四螺桿擠出機)作爲反應器所存在的問題。國內反應成型加工技術的研究開發還處於起步階段,但我國的經濟發展強烈要求聚合物反應成型加工技術要有大的發展。指交換法聚碳酸酯(PC)連續化生產和尼龍生產中的比較關鍵的`技術是縮聚反應器的反應擠出設備,我國每年還有數以千萬噸計的改性聚合物及其合金材料的生產。關鍵技術也是反應擠出技術及設備。
目前國內外使用的反應加工設備從原理上看都是傳統混合、混煉設備的改造產品,都存在傳熱、傳質過程、混煉過程、化學反應過程難以控制、反應產物分子量及其分佈不可控等問題.另外設備投資費用大、能耗高、噪音大、密封困難等也都是傳統反應加工設備的缺陷。聚合物動態反應加工技術及設備與傳統技術無論是在反應加工原理還是設備的結構上都完全不同,該技術是將電磁場引起的機械振動場引入聚合物反應擠出全過程,達到控制化學反應過程、反應生成物的凝聚態結構和反應制品的物理化學性能的目的。該技術首先從理論上突破了控制聚合物單體或預聚物混合混煉過程及停留時間分佈不可控制的難點,解決了振動力場作用下聚合物反應加工過程中的質量、動量及能量傳遞及平衡問題,同時從技術上解決了設備結構集成化問題。新設備具有體積重量小、能耗低、噪音低、製品性能可控、適應性好、可靠性高等優點,這些優點是傳統技術與設備無法比擬或是根本沒有的。該項新技術使我國聚合物反應加工技術直接切人世界技術前沿,並在該領域處於技術領先地位。
(二)以動態反應加工設備爲基礎的新材料製備新技術
1.資訊存儲光盤盤基直接合成反應成型技術。此技術克服傳統方式的中間環節多、週期長、能耗大、儲運過程易受污染、成型前處理複雜等問題,將光盤級PC樹脂生產、中間儲運和光盤盤基成型三個過程整合爲一體,結合動態連續反應成型技術,研究酯交換連續化生產技術,研製開發精密光盤注射成型裝備,達到節能降耗、有效控制產品質量的目的。
2.聚合物/無機物複合材料物理場強化製備新技術。此技術在強振動剪切力場作用下對無機粒子表面特性及其功能設計(粒子設計),在設計好的連續加工環境和不加或少加其它化學改性劑的情況下,利用聚合物使無機粒子進行原位表面改性、原位包覆、強制分散,實現連續化製備聚合物/無機物複合材料。
3.熱塑性彈性體動態全硫化製備技術。此技術將振動力場引入混煉擠出全過程,控制硫化反直進程,實現混煉過程中橡膠相動態全硫化.解決共混加工過程共混物相態反轉問題。研製開發出擁有自主知識產權的熱塑性彈性體動態硫化技術與設備,提高我國TPV技術水平。
三、高分子材料成型加工技術的發展趨勢
近年來,各個新型成型裝備國家工程研究中心在出色完成了國家級火炬計劃預備項目和國家“八五”、“九五”重點科技計劃(攻關)等項目同時,非常注重科技成果轉化與產業化,完成產業化工程配套項目20多項,創辦了廣州華新科機械有限公司和北京華新科塑料機械有限公司,使其有自主知識產權的新技術與裝備在國內外推廣應用。塑料電磁動態塑化擠出設備已形成了7個規格系列,近兩年在國內20多個省、市、自治區推廣應用近800臺(套)。銷售額超過1.5億元,還有部分新設備銷往荷蘭、泰國、孟加拉等國家.產生了良好的經濟效益和社會效益。例如PE電磁動態發泡片材生產線2000年和2001年僅在廣東即爲國家節約外匯近1600萬美元,每條生產線一年可爲製品廠節約21萬k的電費。塑料電磁動態注塑機已開發完善5個規格系列,投入批量生產並推向市場;塑料電磁動態混煉擠出機的中試及產業化工作已完成,目前開發完善的4個規格正在生產試用。並逐步推向市場目前新設備的市場需求情況很好,聚合物新型成型裝備國家工程研究中心正在對廣州華新科機械有限公司進行重組。將技術與資本結合,引入新的管理、市場等機制,爭取在兩三年內實現新設備年銷售額超億。我國已加入WTO,各個行業都將面臨嚴峻挑戰。
綜上所述,我國必須走具有中國特色的發展高分子材料成型加工技技術與裝備的道路,打破國外的技術封鎖,實現由跟蹤向跨越的轉變;把握技術前沿,培育自主知識產權。促進科學研究與產業界的結合,加快成果轉化爲生產力的進程,加快我國高分子材料成型加工高新技術及其產業的發展是必由之路。