5傅強(qiáng)-高分子加工會議

高分子材料成型加工:

從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用四川大學(xué)傅強(qiáng)我國第一個高分子材料加工專業(yè)(徐僖院士1953年創(chuàng)建)我國第一本高分子材料加工教材(1956年)我國第一個高分子材料加工博士點(diǎn)(1981年)我國第一個高分子材料加工博士后流動站(1986年)我國第一個高分子科學(xué)與工程學(xué)院(2001年)國家重點(diǎn)學(xué)科，“211”和“985”工程重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）以高分子材料高性能化、加工為特色，高分子材料科學(xué)與工程領(lǐng)域規(guī)模最大，最有影響的科研和教學(xué)基地之一四川大學(xué)高分子材料學(xué)科StateKeyLaboratoryofPolymerMaterialsEngineering塑料是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)不可或缺的材料世界塑料用量（百萬噸）2.6億噸

160萬噸

世界塑料用量60年間增長了162倍世界塑料用量已達(dá)到2.6億噸常見的高分子材料加工方法

高分子原料普通應(yīng)用制品常規(guī)性能一般成型加工高性能化功能化特殊應(yīng)用制品共混、填充改性、特殊成型加工工藝1.從原料到制品的技術(shù)2.制品結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控的科學(xué)模具設(shè)計(jì)、加工參數(shù)高分子原材料實(shí)用制品注塑、擠出…熱、應(yīng)力場多尺度、多層次形態(tài)結(jié)構(gòu)的形成、演變與發(fā)展制品內(nèi)部微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)固定與凍結(jié)定構(gòu)structuring制品性能（力學(xué)、熱及功能性）制品外觀、形狀、尺寸（膜、結(jié)構(gòu)件、纖維）制品宏觀整體結(jié)構(gòu)固化solidification成型加工不同性能的制品相同分子結(jié)構(gòu)的高分子材料串晶球晶伸直鏈晶體模量0.5-2GPa中空容器模量200GPa比強(qiáng)度為鋼7倍的高模量纖維模量0.01-0.05GPa彈性泡沫聚乙烯結(jié)構(gòu)演變與調(diào)控塑料制品的性能不僅取決于所使用的原料性能，更重要的還取決于加工技術(shù)和工藝的先進(jìn)性，取決于對其形態(tài)調(diào)控的能力。橡膠塑料工藝1850~1950產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備改進(jìn)傳統(tǒng)聚合物加工1950~2000材料加工設(shè)備設(shè)計(jì)定構(gòu)聚合物加工轉(zhuǎn)變時(shí)期設(shè)計(jì)加工微觀結(jié)構(gòu)大分子工程未來發(fā)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極致加工經(jīng)歷二十七年后出版第二版的聚合物加工經(jīng)典著作

定構(gòu)是將塑料原有的內(nèi)在聯(lián)系的各個部分組成一些有序或一定方式的陣列過程，本質(zhì)是獲得特定結(jié)構(gòu)和特定性能。材料設(shè)計(jì)定構(gòu)加工外場復(fù)雜黑箱過程動態(tài)快速研究難點(diǎn)研究焦點(diǎn)終極目標(biāo)演變規(guī)律控制原理科學(xué)問題結(jié)構(gòu)性能高分子成型加工本質(zhì)和意義

高分子材料成型加工過程就是在多外場耦合作用下，高分子多層次結(jié)構(gòu)響應(yīng)、演變、形成的過程，也是人們對其進(jìn)行有效調(diào)控的過程。高分子加工---決定相結(jié)構(gòu),聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)高分子合成---決定大分子組成和鏈結(jié)構(gòu)某種意義上說:高分子材料的宏觀性能更多是靠其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)決定的,加工不僅賦予制品的外觀形狀和尺寸,還為提高材料的潛在性能提供方法和手段建立可視化加工研究設(shè)施和方法，利用流動場與成核劑、微纖網(wǎng)絡(luò)等的協(xié)同作用，加工制備特殊結(jié)構(gòu)的高性能制件皮硬芯韌—“竹子”仿生結(jié)構(gòu)實(shí)例1.仿竹子定構(gòu)加工剪切與β成核劑協(xié)同作用調(diào)控聚丙烯注塑制品的多層次結(jié)晶結(jié)構(gòu)iPPβ-PPiPPβ-PP優(yōu)異的綜合力學(xué)性能！skinintermediatecoreBamboo-likebionicstructure:“堅(jiān)硬”的外殼，“韌”的內(nèi)核*賦予高分子材料阻燃性幾乎無例外的是以犧牲材料力學(xué)性能和加工性能為代價(jià)-----提高阻燃性與保持力學(xué)性能相矛盾面臨的技術(shù)難題之一學(xué)術(shù)思路剪切流動場拉伸流動場阻燃劑在加工中原位形成增強(qiáng)纖維?實(shí)例2.阻燃高分子材料的定構(gòu)加工被阻燃高聚物連續(xù)相液晶分散相剪切摩擦分散形變成纖取向0.5<ηa/ηd

<1.1時(shí)最有利于分散相形成微纖結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究成果指導(dǎo)增強(qiáng)阻燃高分子材料的設(shè)計(jì)與加工高阻燃性液晶在被阻燃高聚物中原位形成具有增強(qiáng)作用的微纖——材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)FR-LCP，%LOI(LOI值越高越阻燃)拉伸強(qiáng)度FR-LCP含量FR-LCP含量拉伸強(qiáng)度隨FR-LCP含量的提高而提高;阻燃性(LOI值)隨FR-LCP含量的提高而提高斷裂伸長實(shí)現(xiàn)了PET高阻燃性的同時(shí)力學(xué)性能也顯著提高

----拉伸強(qiáng)度比純PET提高27-150%(現(xiàn)有其他體系反而降低20-50%)。

----目前國際上唯一的僅靠添加阻燃劑能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高阻燃性和提高力學(xué)性能的無鹵阻燃體系。Y.Z.Wang,etal.,J.Mater.Chem.2003,13(6),1248

——材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)氣輔注射成型旋轉(zhuǎn)/擠出加工新技術(shù)振動注射成型3.高性能化、功能化重要途經(jīng)Polymer1Polymer2Step1Step2Step3Stepn(2layers)(4layers)(8layers)(2nlayers)1.協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)2.高阻隔效應(yīng)微層共擠出加工實(shí)例1.旋轉(zhuǎn)擠出針對管道薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)加工方式，研制旋轉(zhuǎn)擠出模具擠管現(xiàn)場模具照片消除熔接縫利用環(huán)向應(yīng)力調(diào)控PE結(jié)晶結(jié)構(gòu)模具芯軸為空心結(jié)構(gòu)，可對管道內(nèi)壁進(jìn)行冷卻，使管道外壁冷卻速率減小，結(jié)晶更完善利用旋轉(zhuǎn)擠出模具加工的管材實(shí)現(xiàn)PE管材料高性能化旋轉(zhuǎn)擠出管材的力學(xué)性能Therelationshipbetweentensilestrengthandmandrelrotatingspeed旋轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)，軸向拉伸強(qiáng)度提高20％

軸向周向Therelationshiptensilebreakstrengthandmandrelrotatingspeed旋轉(zhuǎn)速度為50r/min時(shí)，周向拉伸強(qiáng)度提高61％周向拉伸實(shí)驗(yàn)1cm手機(jī)用鋰離子電池隔膜的結(jié)構(gòu)鋰電池隔膜是關(guān)系到我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，長期被國外產(chǎn)品壟斷。實(shí)例2.鋰電池隔膜結(jié)構(gòu)控制取向膜片專用樹脂熱處理調(diào)質(zhì)拉伸形變成孔鋰電池隔膜制品鏈結(jié)構(gòu)調(diào)控形態(tài)逐級演變與調(diào)控結(jié)晶形態(tài)調(diào)控形態(tài)演變與調(diào)控膜結(jié)構(gòu)與性能取向程度調(diào)控手機(jī)用鋰離子電池隔膜的制備與結(jié)構(gòu)調(diào)控制備的微孔膜的空隙結(jié)構(gòu)SEM照片熔融擠出/熱處理/單軸拉伸(MEAUS)工藝生產(chǎn)過程清潔無污染、設(shè)備投資小可以采用多層復(fù)合技術(shù)制備高安全性隔膜特定的微孔結(jié)構(gòu)成為我國具有國際水平的干法生產(chǎn)鋰電池隔膜的第一家。該生產(chǎn)線投產(chǎn)后，將年新增產(chǎn)能1000萬平方米，年新增產(chǎn)值約人民幣1.5億元傳統(tǒng)微纖化塑料合金“擠出-熱拉伸-淬冷”制備微纖化塑料合金兩步法(生產(chǎn)效率低、耗能高)一步法(生產(chǎn)效率高、節(jié)能、纖維尺寸穩(wěn)定)實(shí)例3.原位成纖加工PC/PE原位微纖共混物注塑誘導(dǎo)PC微纖PC微纖引起的二次屈服現(xiàn)象拉伸強(qiáng)度40MPa拉伸模量1800MPa熱變形溫度138oC與工程塑料ABS性能相當(dāng)PET/HDPE原位微纖化共混物導(dǎo)電原位微纖網(wǎng)絡(luò)高分子基體優(yōu)點(diǎn)：降低逾滲值降低成本改善力學(xué)性能?缺點(diǎn)：導(dǎo)電粒子含量高(炭黑>15wt%)加工性能差基體為通用高分子時(shí)成本高電性能受加工影響傳統(tǒng)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料擠出-熱拉伸-淬冷成型用于制備導(dǎo)電塑料導(dǎo)電粒子導(dǎo)電粒子傳統(tǒng)方法CB/PE9.0vol%傳統(tǒng)方法CB/PET/PE7.9vol%碳黑分布在微纖內(nèi)部5.2vol%碳黑分布在微纖表面3.5vol%高性能導(dǎo)電塑料

Theschematicrepresentationofdynamicpackinginjectionmolding(DPIM):(1)nozzle,(2)sprue,(3)piston,(4)runner,(5)connector,(6)sample.一系列研究發(fā)現(xiàn)外加剪切力場能夠較容易在聚烯烴制品中形成取向與串晶結(jié)構(gòu)實(shí)例4.動態(tài)保壓注射成型(a)(b)LLDPE/HDPE共混物的(a)應(yīng)力－應(yīng)變曲線；(b)拉伸強(qiáng)度隨HDPE含量的變化

(HDPE的分子量從

LH1到

LH5逐漸降低)

含有shish-kebab結(jié)構(gòu)的LLDPE/HDPE共混物的拉伸行為：聚烯烴共混物注塑制品中的shish-kebab結(jié)構(gòu)：薄的片晶厚的片晶LLDPE/HDPE共混物中HDPE分子量對shish-kebab結(jié)構(gòu)有較大影響高分子物理基本原理成型加工技術(shù)實(shí)際制品結(jié)構(gòu)性能……指導(dǎo)反饋4.高分子物理的實(shí)際應(yīng)用聚合物共混物中的旋節(jié)線相分離

剪切作用下聚合物共混物最高臨界相容溫度（Tc）變化的示意圖PP/LLDPE共混物注射制品的形態(tài)結(jié)構(gòu)3.52.72.31.91.60.4PP/LLDPE共混物注射制品的形態(tài)結(jié)構(gòu)CrystallizationRandomcoil高分子的結(jié)晶形態(tài)聚合物結(jié)晶填料填料-聚合物雜化結(jié)晶SpherulitesTranscrystalline(a)(b)PP/GF在140℃等溫結(jié)晶40min后的結(jié)晶形貌：(a)玻纖靜止；(b)玻纖被拉動fcebdaadbecf聚丙烯/玻纖復(fù)合材料:ConventionalinjectionmoldingDynamicpackinginjectionmolding(a)(b)TranscrystallineSpherulitesConventionalinjectionmoldingDynamicpackinginjectionmolding加工剪切場誘導(dǎo)生成串晶、雜化串晶fromProcessingofPolymers,editedbyMeijer,1997;18:189.Copyright(1997)VCH,NewYork聚合物中的串晶結(jié)構(gòu)示意圖SEMandTEMimagesofPE/CNTNHSKstructureScheme1.SketchofEpitaxialGrowthofPEonCNTsScheme2.

SketchofClassicalPEShishKebabStructures聚烯烴/MWCNT注塑制品中形成shish-kebab結(jié)構(gòu)：nucleiSpherulitesCalabashWhiskerShishPP/SMCW注射制品中的糖葫蘆串結(jié)構(gòu)有機(jī)-無機(jī)雜化材料界面增強(qiáng)的新途徑雜化串晶橫晶糖葫蘆串在一定的剪切作用下,分子量較高的長鏈大分子易于取向誘導(dǎo)形成串晶結(jié)構(gòu)BOPP薄膜制品中的串晶結(jié)構(gòu)PE-PP吹膜制品中的附生結(jié)晶聚烯烴－聚酰胺共擠出薄膜制品中的附生結(jié)晶結(jié)構(gòu)從原料到制品的技術(shù)制品結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控的科學(xué)實(shí)現(xiàn)高性能化、功能化重要途經(jīng)高分子物理