高分子材料成型加工技術(shù)論文
近年來,某些特殊領(lǐng)域如航空工業(yè)、國防尖端工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)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(zhì)等,各種特定要求的高強度聚合物的開發(fā)研制越來越顯迫切。
一、高分子材料成型加工技術(shù)發(fā)展概況
近50年來,高分子合成工業(yè)取得了很大的進展。例如,造粒用擠出機的結(jié)構(gòu)有了很大的改進,產(chǎn)量有了極(大的提高。20世紀60年代主要采用單螺桿擠出機造粒,產(chǎn)量約為3t/h;70年代至80年代中期,采用連續(xù)混煉機+單螺桿擠出機造粒,產(chǎn)量約為10t/h;80年代中期以來。采用雙螺桿擠出機+齒輪泵造粒,產(chǎn)量可以達到40-45t/h,今后的發(fā)展方向是產(chǎn)量可高達60t/h。在l950年,全世界塑料的年產(chǎn)量為200萬t。20世紀90年代。塑料產(chǎn)量的年均增長率為5.8%,2000年增加至1.8億t至2010年,全世界塑料產(chǎn)量將達3億t,此外。合成工業(yè)的新近避震使得易于璃確控制樹脂的分子結(jié)構(gòu),加速采用大規(guī)模進行低成本的生產(chǎn)。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,節(jié)能、高速、美觀、環(huán)保、乘坐舒適及安全可靠等要求對汽車越來越重要.汽車規(guī)模的不斷擴大和性能的提高帶動了零部件及相關(guān)材料工業(yè)的發(fā)展。為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為關(guān)鍵。
據(jù)悉,目前汽車上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的傳統(tǒng)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,例如制造一款普通轎車就需要制造1200多套模具,在美國、日本等汽車制造業(yè)發(fā)達的國家,模具產(chǎn)業(yè)超過50%的產(chǎn)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(chǎn)率、高性能、低成本和快捷交貨。制品方面向小尺寸、薄壁、輕質(zhì)方向發(fā)展;成型加工方面,從大規(guī)模向較短研發(fā)周期的多品種轉(zhuǎn)變,并向低能耗、全回收、零排放等方向發(fā)展。
二、現(xiàn)今高分子材料成型加工技術(shù)的創(chuàng)新研究
(一)聚合物動態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)及設(shè)備
聚合物反應(yīng)加工技術(shù)是以現(xiàn)雙螺桿擠出機為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。國外的Berstart公司已開發(fā)出作為連續(xù)反應(yīng)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)作為反應(yīng)器所存在的問題。國內(nèi)反應(yīng)成型加工技術(shù)的研究開發(fā)還處于起步階段,但我國的經(jīng)濟發(fā)展強烈要求聚合物反應(yīng)成型加工技術(shù)要有大的發(fā)展。指交換法聚碳酸酯(PC)連續(xù)化生產(chǎn)和尼龍生產(chǎn)中的比較關(guān)鍵的`技術(shù)是縮聚反應(yīng)器的反應(yīng)擠出設(shè)備,我國每年還有數(shù)以千萬噸計的改性聚合物及其合金材料的生產(chǎn)。關(guān)鍵技術(shù)也是反應(yīng)擠出技術(shù)及設(shè)備。
目前國內(nèi)外使用的反應(yīng)加工設(shè)備從原理上看都是傳統(tǒng)混合、混煉設(shè)備的改造產(chǎn)品,都存在傳熱、傳質(zhì)過程、混煉過程、化學反應(yīng)過程難以控制、反應(yīng)產(chǎn)物分子量及其分布不可控等問題.另外設(shè)備投資費用大、能耗高、噪音大、密封困難等也都是傳統(tǒng)反應(yīng)加工設(shè)備的缺陷。聚合物動態(tài)反應(yīng)加工技術(shù)及設(shè)備與傳統(tǒng)技術(shù)無論是在反應(yīng)加工原理還是設(shè)備的結(jié)構(gòu)上都完全不同,該技術(shù)是將電磁場引起的機械振動場引入聚合物反應(yīng)擠出全過程,達到控制化學反應(yīng)過程、反應(yīng)生成物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和反應(yīng)制品的物理化學性能的目的。該技術(shù)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布不可控制的難點,解決了振動力場作用下聚合物反應(yīng)加工過程中的質(zhì)量、動量及能量傳遞及平衡問題,同時從技術(shù)上解決了設(shè)備結(jié)構(gòu)集成化問題。新設(shè)備具有體積重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、適應(yīng)性好、可靠性高等優(yōu)點,這些優(yōu)點是傳統(tǒng)技術(shù)與設(shè)備無法比擬或是根本沒有的。該項新技術(shù)使我國聚合物反應(yīng)加工技術(shù)直接切人世界技術(shù)前沿,并在該領(lǐng)域處于技術(shù)領(lǐng)先地位。
(二)以動態(tài)反應(yīng)加工設(shè)備為基礎(chǔ)的新材料制備新技術(shù)
1.信息存儲光盤盤基直接合成反應(yīng)成型技術(shù)。此技術(shù)克服傳統(tǒng)方式的中間環(huán)節(jié)多、周期長、能耗大、儲運過程易受污染、成型前處理復雜等問題,將光盤級PC樹脂生產(chǎn)、中間儲運和光盤盤基成型三個過程整合為一體,結(jié)合動態(tài)連續(xù)反應(yīng)成型技術(shù),研究酯交換連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù),研制開發(fā)精密光盤注射成型裝備,達到節(jié)能降耗、有效控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
2.聚合物/無機物復合材料物理場強化制備新技術(shù)。此技術(shù)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(shè)計(粒子設(shè)計),在設(shè)計好的連續(xù)加工環(huán)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(xiàn)連續(xù)化制備聚合物/無機物復合材料。
3.熱塑性彈性體動態(tài)全硫化制備技術(shù)。此技術(shù)將振動力場引入混煉擠出全過程,控制硫化反直進程,實現(xiàn)混煉過程中橡膠相動態(tài)全硫化.解決共混加工過程共混物相態(tài)反轉(zhuǎn)問題。研制開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱塑性彈性體動態(tài)硫化技術(shù)與設(shè)備,提高我國TPV技術(shù)水平。
三、高分子材料成型加工技術(shù)的發(fā)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(guān))等項目同時,非常注重科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化,完成產(chǎn)業(yè)化工程配套項目20多項,創(chuàng)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(chǎn)權(quán)的新技術(shù)與裝備在國內(nèi)外推廣應(yīng)用。塑料電磁動態(tài)塑化擠出設(shè)備已形成了7個規(guī)格系列,近兩年在國內(nèi)20多個省、市、自治區(qū)推廣應(yīng)用近800臺(套)。銷售額超過1.5億元,還有部分新設(shè)備銷往荷蘭、泰國、孟加拉等國家.產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。例如PE電磁動態(tài)發(fā)泡片材生產(chǎn)線2000年和2001年僅在廣東即為國家節(jié)約外匯近1600萬美元,每條生產(chǎn)線一年可為制品廠節(jié)約21萬k的電費。塑料電磁動態(tài)注塑機已開發(fā)完善5個規(guī)格系列,投入批量生產(chǎn)并推向市場;塑料電磁動態(tài)混煉擠出機的中試及產(chǎn)業(yè)化工作已完成,目前開發(fā)完善的4個規(guī)格正在生產(chǎn)試用。并逐步推向市場目前新設(shè)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(shù)與資本結(jié)合,引入新的管理、市場等機制,爭取在兩三年內(nèi)實現(xiàn)新設(shè)備年銷售額超億。我國已加入WTO,各個行業(yè)都將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。
綜上所述,我國必須走具有中國特色的發(fā)展高分子材料成型加工技技術(shù)與裝備的道路,打破國外的技術(shù)封鎖,實現(xiàn)由跟蹤向跨越的轉(zhuǎn)變;把握技術(shù)前沿,培育自主知識產(chǎn)權(quán)。促進科學研究與產(chǎn)業(yè)界的結(jié)合,加快成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的進程,加快我國高分子材料成型加工高新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是必由之路。
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