高分子材料成型加工的發(fā)展趨勢(shì)

材料加工新技術(shù)4/11材料加工新技術(shù)高分子材料成型課程大作業(yè)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)201512192390專業(yè)方向材料學(xué)（金屬材料）研究生導(dǎo)師2015年11月26日高分子材料成型加工的發(fā)展趨勢(shì)摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來越快，高分子材料成為了發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)也是發(fā)展高新科技的基礎(chǔ)。高分子材料只有通過加工成型獲得所需的形狀、結(jié)構(gòu)與性能,才能成為具有實(shí)用價(jià)值的材料與產(chǎn)品。高分子材料加工成型是一個(gè)外場(chǎng)作用下的形變過程,其技術(shù)與裝備在很大程度上決定了最終材料與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能。高分子材料加工成型過程節(jié)能降耗、廢舊制品循環(huán)利用、可再生資源替代是發(fā)展趨勢(shì),研宄與探索高分子材料加工成型新方法、技術(shù)及裝備對(duì)推動(dòng)高分子材料產(chǎn)業(yè)及相關(guān)制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。同時(shí)可豐富和發(fā)展我國(guó)高分子產(chǎn)品先進(jìn)制造理論及其應(yīng)用關(guān)鍵詞：高分子材料；發(fā)展；加工高分子材料是當(dāng)代新材料的后起之秀，但其發(fā)展速度與應(yīng)用范圍超過了傳統(tǒng)的金屬材料和無機(jī)材料，已成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技和日常生活等領(lǐng)域不可缺少的重要材料。世界合成高分子材料的總產(chǎn)量已達(dá)3億噸，其體積產(chǎn)量超過金屬材料。我國(guó)是高分子材料生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，合成高分子材料產(chǎn)量達(dá)3000萬噸左右，在全球排名第二，年消費(fèi)量5000萬噸左右。近年來，高分子材料成型加工技術(shù)在工業(yè)上取得了飛速發(fā)展，我國(guó)航空工業(yè)、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)聚合物材料的性能提出了更高的要求。高分子材料是由相對(duì)分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料。[1]由千百個(gè)原子彼此以共價(jià)鍵結(jié)合形成相對(duì)分子質(zhì)量特別大、具有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物。高分子材料的高分子鏈通常是由結(jié)構(gòu)單元組成，高分子鏈結(jié)構(gòu)和許許多多高分子鏈聚在一起的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)形成了高分子材料的特殊結(jié)構(gòu)。因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的結(jié)構(gòu)特征(如同分異構(gòu)體、幾何結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)異構(gòu))外，還具有許多特殊的結(jié)構(gòu)特征。高分子結(jié)構(gòu)通常分為鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。鏈結(jié)構(gòu)是指單個(gè)高分子化合物分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，所以鏈結(jié)構(gòu)又可分為近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，也稱一級(jí)結(jié)構(gòu)，包括鏈中原子的種類和排列、取代基和端基的種類、結(jié)構(gòu)單元的排列順序、支鏈類型和長(zhǎng)度等。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)是指分子的尺寸、形態(tài)，鏈的柔順性以及分子在環(huán)境中的構(gòu)象．也稱二級(jí)結(jié)構(gòu)。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高聚物材料整體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)．包括晶體結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、取向態(tài)結(jié)構(gòu)、液晶態(tài)結(jié)構(gòu)等有關(guān)高聚物材料中分子的堆積情況，統(tǒng)稱為三級(jí)結(jié)構(gòu)。由于工業(yè)化技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)塑料產(chǎn)品種類和質(zhì)量的需求也越來越高。高分子材料是通過制造成各種制品來實(shí)現(xiàn)其使用價(jià)值的，因此從應(yīng)用角度來講，以對(duì)高分子材料賦予形狀為主要目的成型加工技術(shù)有著重要的意義[2]。高分子材料的主要成型方法有擠出成型、注射成型、吹塑成型、壓延成型等，文章綜述了高分子材料成型加工技術(shù)的最新進(jìn)展現(xiàn)，著重探討一下高分子材料成型加工技術(shù)的發(fā)展前景。圖2.1.1全電動(dòng)式注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖全電動(dòng)注塑機(jī)的合模裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用移模絲桿代替原有的移模油缸。它利用具有行程升角的螺紋，將旋轉(zhuǎn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)。以肘桿式合模機(jī)構(gòu)為例，其工作原理：當(dāng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，移模絲桿帶動(dòng)肘桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)模板向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)模具的分型面接觸時(shí)，肘桿機(jī)構(gòu)尚未形成一線排列，動(dòng)模板受到變形阻力的作用。此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低、扭矩增大，使作用在移模絲桿上的作用力不斷增加，直至足以克服變形陰力，使肘桿成為一線排列。合模機(jī)構(gòu)發(fā)生的彈性變形對(duì)模具實(shí)現(xiàn)了預(yù)緊，該預(yù)緊力即為合模力。[7]在開模時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，在移模螺桿力的作用下，肘桿的一線排列被破壞，動(dòng)模板被迫與定模板分離并退回合模前的初始位置，從而實(shí)現(xiàn)開模。2.1.2全液壓式注塑機(jī)全液壓式注塑機(jī)在成型精密、復(fù)雜形狀制品方面有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其注射裝置與傳統(tǒng)注塑機(jī)的注射裝置類似。全液壓式注塑機(jī)的合模裝置有很多種結(jié)構(gòu)，從最傳統(tǒng)的單缸充液式、多缸充液式到最近幾年發(fā)展出來的全液壓二板直壓式。[8]單缸充液式是傳統(tǒng)全液式的代表，圖2.1.2充液式合模裝置如圖2.1.2所示。它有一般液壓式的優(yōu)點(diǎn)，如合模精度高、開模力大等，也有明顯的缺點(diǎn)，如容易內(nèi)泄外漏、體積龐大、升壓速度慢、耗能多等。[9]多缸充液式是從單缸充液式那里發(fā)展起來的一類結(jié)構(gòu)，包括無拉桿注塑機(jī)。這類結(jié)構(gòu)比單缸充液式有一定程度的改善，具有某些方面的優(yōu)點(diǎn)，如方便安裝頂出油缸等，而且機(jī)身較短，在歐洲生產(chǎn)的廠家也不少。2.1.3精密注塑機(jī)的發(fā)展方向電液復(fù)合式注塑機(jī)融合了全液壓注塑機(jī)高性能的優(yōu)點(diǎn)和全電動(dòng)注塑機(jī)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。從全液壓式高性能和全電動(dòng)式節(jié)能相結(jié)合的角度來看，電液復(fù)合式注塑機(jī)將是精密注塑機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。[10]電動(dòng)/液壓相結(jié)合的復(fù)合式注塑機(jī)已成為當(dāng)今精密注塑機(jī)發(fā)展的新動(dòng)向。2.2高分子材料的3D打印設(shè)備3D打?。?Dprinting），即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。該技術(shù)能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品制造程序，縮短產(chǎn)品研制周期，提高效率并降低成本?？蓮V泛應(yīng)用于醫(yī)療、文化、國(guó)防、航天、汽車及金屬制造等產(chǎn)業(yè)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個(gè)重大技術(shù)成果。[11]傳統(tǒng)的制造技術(shù)如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產(chǎn)品，而三維打印技術(shù)則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產(chǎn)數(shù)量相對(duì)較少的產(chǎn)品。2.2.1熔融沉積式(FDM）通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。每完成一層，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚進(jìn)行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型。[12]FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料的溫度剛好在熔點(diǎn)之上(比熔點(diǎn)高1℃左右)。[13]其每一層片的厚度由擠出絲的的直徑?jīng)Q定，通常是0.25~0.50mm圖2.2.1熔融沉積式2.2.2選擇性激光燒結(jié)（SLS）SLS技術(shù)是一種使用高功率激光（如二氧化碳激光）的添加制造技術(shù)，其原理如圖所示。將很小的材料粒子融合成團(tuán)塊，形成所需要的三維形狀。[14]高功率激光根據(jù)三維數(shù)據(jù)（如制作的CAD文件或掃描數(shù)據(jù)）所生成的切面數(shù)據(jù)，選擇性地融化粉末層表面的粉末材料，然后每掃描一個(gè)粉末層，工作平臺(tái)就下降一個(gè)層的厚度，一個(gè)新的材料層又被施加在上面，這個(gè)過程一直重復(fù)至完成制造[15]。圖2.2.2選擇性激光燒結(jié)2.2.3分層實(shí)體制造（LOM）激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓用二氧化碳激光束對(duì)箔材沿輪廓線將工作臺(tái)上的紙割出輪廓線，并將箔材無輪廓區(qū)切割成小碎片。[16]然后，由熱壓機(jī)構(gòu)將一層層紙壓緊并粘合在一起?？缮倒ぷ髋_(tái)支撐正在成型的工件，并在每層成型之后，降低一個(gè)紙厚，以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層箔材。[17]最后形成由許多小廢料塊包圍的三維原型零件。然后取出，將多余的廢料小塊剔除，最終獲得三維產(chǎn)品[18]圖2.2.3分層實(shí)體制造2.2.4立體平板印刷（SLA）SLA的工作過程如圖所示，紫外線激光束通過檢流鏡驅(qū)動(dòng)，掃描裝有液體感光樹脂的桶表面，激活聚合反應(yīng)，樹脂硬化形成三維物體的一個(gè)固體層。完成一層的構(gòu)建后，平臺(tái)將會(huì)下降單層厚度（通常0.05～0.15mm）。然后，刀片掃過部件的橫截面，為其涂上新的材料，在這個(gè)新的液體表面，再由激光束固化出隨后一層的圖案，合并到前一層。如此反復(fù)，就可形成一個(gè)完整的3D部件。[19]構(gòu)建完成后，部件將被浸入化學(xué)藥液中，以清洗掉多余的樹脂，隨后在紫外線烘箱內(nèi)進(jìn)一步完成產(chǎn)品的固化。圖2.2.4立體平板印刷近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多，作為3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，打印材料的發(fā)展決定了3D打印的發(fā)展前景。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于3D打印材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，許多材料仍然依賴國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，造成了打印成本較高，使得3D打印技術(shù)難以普及化和產(chǎn)業(yè)化。因此，當(dāng)下最急需的就是完善3D打印材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加大對(duì)材料的研發(fā)力度，尤其是在新材料的研發(fā)及應(yīng)用方面，提倡思維創(chuàng)新，‘鼓勵(lì)技術(shù)革新，豐富打印材料種類，提高材料質(zhì)量，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。作為3D打印的主要材料之一，高分子材料因其具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐熱性以及尺寸穩(wěn)定性等許多優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)具有廣闊的發(fā)展空間2.3超細(xì)纖維熔體微分靜紡絲電設(shè)備眾所周知，由于溶液靜電紡絲難以克服溶劑揮發(fā)造成纖維孔洞和環(huán)境污染問題，有些材料如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等在常溫下甚至找不到合適的溶劑，從而限制了溶液靜電紡絲技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[11]，迫切需要解決無溶劑的熔體靜電紡絲的相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)高性能超細(xì)纖維綠色制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。然而聚合物熔體微分靜電紡絲裝置可以解決這些問題如圖2.3所示,熔體微分靜電紡絲裝置主要由六部分組成：微流量連續(xù)進(jìn)給裝置、熔體分配流道、無針微分噴頭、電加熱系統(tǒng)及高壓靜電系統(tǒng)。[20]微流量連續(xù)供給是自行設(shè)計(jì)的微型螺桿擠出，實(shí)現(xiàn)5~50g/h的微流量熔體的連續(xù)可控供給；熔體分配流道通過流道中微分單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單流體向線性或環(huán)形流體的轉(zhuǎn)變，最終使熔體一致均分到噴頭上；無針微分噴頭是具有線性或環(huán)形斜表面的熔體均布噴頭，有帶溝槽或不帶溝槽結(jié)構(gòu)的直線性、傘形外錐面型、內(nèi)錐面型等幾種，[21]圖2.3熔體微分靜電紡絲裝置可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)線在噴頭端部的集中和電荷積聚，達(dá)到降低閾值電壓的作用；電加熱系統(tǒng)是直接包裹在噴頭及其上部流道的直接加熱裝置，噴頭接地，接收板接高壓電極的方法避免了電加熱系統(tǒng)和高壓靜電的干擾。[22]熔體微分靜電紡絲過程就是供給噴頭的微流量熔體在微分噴頭表面展薄后，在電場(chǎng)力作用下，于噴頭面下端均勻分布形成數(shù)十個(gè)泰勒錐，并在足夠大的電場(chǎng)力作用下，噴射出多射流的過程。目前開發(fā)了熔體微分靜電紡絲批量化制備裝置，提出了熱風(fēng)輔助的熔體微分靜電紡絲批量化生產(chǎn)技術(shù)，通過創(chuàng)新的氣流輔助內(nèi)錐面噴嘴的應(yīng)用，以及均勻一致的一級(jí)分流道的結(jié)合，高效地實(shí)現(xiàn)了熔體均勻細(xì)分和射流加速。[23]該技術(shù)具有熔噴工藝生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有靜電牽伸和氣流牽伸的雙重作用3高分子材料加工工藝發(fā)展趨勢(shì)隨著工業(yè)化技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)塑料產(chǎn)品種類和質(zhì)量的需求也越來越高。高分子材料是通過制造成各種制品來實(shí)現(xiàn)其使用價(jià)值的，因此從應(yīng)用角度來講，以對(duì)高分子材料賦予形狀為主要目的成型加工技術(shù)有著重要的意義。下文將介紹高分子材料成型加工技術(shù)的最新進(jìn)展。3.1激光燒結(jié)技術(shù)激光燒結(jié)技術(shù)是在CAD造型的基礎(chǔ)上對(duì)塑料零件直接進(jìn)行加工，節(jié)省了生產(chǎn)模具的成本，是一種很有潛力的節(jié)省模具和存貨成本的技術(shù)。它能幫助公司突破設(shè)計(jì)，為大規(guī)模生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。這種由EOS公司提供的系統(tǒng)可將聚酞胺粉末，加工成原型的內(nèi)飾件、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等。[24]生產(chǎn)出的零部件，如進(jìn)氣歧管、門內(nèi)板、儀表板、車內(nèi)通風(fēng)管和車燈外殼等的強(qiáng)度足以滿足試驗(yàn)車輛在跑道上進(jìn)行測(cè)試的要求，比注塑技術(shù)更能降低開發(fā)和制造成本。有了這些零件，可以在開發(fā)的早期階段獲得更多的數(shù)據(jù)，[25]而故障則可以在尚未造成很高代價(jià)前的階段被排除。3.2信息存儲(chǔ)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(zhǎng)、能耗大、儲(chǔ)運(yùn)過程易受污染、成型前處理復(fù)雜等問題，將光盤級(jí)PC樹脂生產(chǎn)、中間儲(chǔ)運(yùn)和光盤盤基成型三個(gè)過程整合為一體。結(jié)合動(dòng)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(dá)到節(jié)能降耗、有效控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。3.3聚合物／無機(jī)物復(fù)合材料物理場(chǎng)強(qiáng)化制備新技術(shù)。此技術(shù)在強(qiáng)振動(dòng)剪切力場(chǎng)作用下對(duì)無機(jī)粒子表面特性及其功能設(shè)計(jì)(粒子設(shè)計(jì))，在設(shè)計(jì)好的連續(xù)加t環(huán)境和不加或少加其它化學(xué)改性劑的情況下．利用聚合物使無機(jī)粒子進(jìn)行原位表面改性、原位包覆、強(qiáng)制分散，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化制備聚合物，無機(jī)物復(fù)合材料。3.4熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)全硫化制備技術(shù)。此技術(shù)將振動(dòng)力場(chǎng)引入混煉擠出全過程，控制硫化反直進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)混煉過程中橡膠相動(dòng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的熱塑性彈性體動(dòng)態(tài)硫化技術(shù)與設(shè)備，提高我國(guó)TPV技術(shù)水平。參考文獻(xiàn)[1]周冀.高分子材料基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

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