材料加工新技術4/11材料加工新技術高分子材料成型課程大作業學生姓名學生學號201512192390專業方向材料學（金屬材料）研究生導師2015年11月26日高分子材料成型加工的發展趨勢摘要：隨著科學技術的不斷進步，經濟的發展越來越快，高分子材料成為了發展的關鍵，同時也是發展高新科技的基礎。高分子材料只有通過加工成型獲得所需的形狀、結構與性能,才能成為具有實用價值的材料與產品。高分子材料加工成型是一個外場作用下的形變過程,其技術與裝備在很大程度上決定了最終材料與產品的結構與性能。高分子材料加工成型過程節能降耗、廢舊制品循環利用、可再生資源替代是發展趨勢,研宄與探索高分子材料加工成型新方法、技術及裝備對推動高分子材料產業及相關制造業的發展具有重要意義。同時可豐富和發展我國高分子產品先進制造理論及其應用關鍵詞：高分子材料；發展；加工高分子材料是當代新材料的后起之秀，但其發展速度與應用范圍超過了傳統的金屬材料和無機材料，已成為工業、農業、國防、科技和日常生活等領域不可缺少的重要材料。世界合成高分子材料的總產量已達3億噸，其體積產量超過金屬材料。我國是高分子材料生產和消費的大國，合成高分子材料產量達3000萬噸左右，在全球排名第二，年消費量5000萬噸左右。近年來，高分子材料成型加工技術在工業上取得了飛速發展，我國航空工業、國防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。高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復合材料。[1]由千百個原子彼此以共價鍵結合形成相對分子質量特別大、具有重復結構單元的有機化合物。高分子材料的高分子鏈通常是由結構單元組成，高分子鏈結構和許許多多高分子鏈聚在一起的聚集態結構形成了高分子材料的特殊結構。因而高分子材料除具有低分子化合物所具有的結構特征(如同分異構體、幾何結構、旋轉異構)外，還具有許多特殊的結構特征。高分子結構通常分為鏈結構和聚集態結構兩個部分。鏈結構是指單個高分子化合物分子的結構和形態，所以鏈結構又可分為近程和遠程結構。近程結構屬于化學結構，也稱一級結構，包括鏈中原子的種類和排列、取代基和端基的種類、結構單元的排列順序、支鏈類型和長度等。遠程結構是指分子的尺寸、形態，鏈的柔順性以及分子在環境中的構象．也稱二級結構。聚集態結構是指高聚物材料整體的內部結構．包括晶體結構、非晶態結構、取向態結構、液晶態結構等有關高聚物材料中分子的堆積情況，統稱為三級結構。由于工業化技術的發展和人民生活水平的提高，人們對塑料產品種類和質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現其使用價值的，因此從應用角度來講，以對高分子材料賦予形狀為主要目的成型加工技術有著重要的意義[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的最新進展現，著重探討一下高分子材料成型加工技術的發展前景。圖2.1.1全電動式注塑機的結構示意圖全電動注塑機的合模裝置在結構設計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，將旋轉動變換為直線運動。以肘桿式合模機構為例，其工作原理：當電機正向轉動時，移模絲桿帶動肘桿機構推動模板向前運動。當模具的分型面接觸時，肘桿機構尚未形成一線排列，動模板受到變形阻力的作用。此時電機的轉速降低、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。合模機構發生的彈性變形對模具實現了預緊，該預緊力即為合模力。[7]在開模時，電機反轉，在移模螺桿力的作用下，肘桿的一線排列被破壞，動模板被迫與定模板分離并退回合模前的初始位置，從而實現開模。2.1.2全液壓式注塑機全液壓式注塑機在成型精密、復雜形狀制品方面有許多獨特優勢，其注射裝置與傳統注塑機的注射裝置類似。全液壓式注塑機的合模裝置有很多種結構，從最傳統的單缸充液式、多缸充液式到最近幾年發展出來的全液壓二板直壓式。[8]單缸充液式是傳統全液式的代表，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點，如合模精度高、開模力大等，也有明顯的缺點，如容易內泄外漏、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展起來的一類結構，包括無拉桿注塑機。這類結構比單缸充液式有一定程度的改善，具有某些方面的優點，如方便安裝頂出油缸等，而且機身較短，在歐洲生產的廠家也不少。2.1.3精密注塑機的發展方向電液復合式注塑機融合了全液壓注塑機高性能的優點和全電動注塑機節能的優點。從全液壓式高性能和全電動式節能相結合的角度來看，電液復合式注塑機將是精密注塑機發展的一個重要方向。[10]電動/液壓相結合的復合式注塑機已成為當今精密注塑機發展的新動向。2.2高分子材料的3D打印設備3D打印（3Dprinting），即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運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造物體的技術。該技術能夠簡化產品制造程序，縮短產品研制周期，提高效率并降低成本。可廣泛應用于醫療、文化、國防、航天、汽車及金屬制造等產業，被認為是近20年來制造領域的一個重大技術成果。[11]傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。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定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復最終實現零件的沉積成型。[12]FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上(比熔點高1℃左右)。[13]其每一層片的厚度由擠出絲的的直徑決定，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（SLS）SLS技術是一種使用高功率激光（如二氧化碳激光）的添加制造技術，其原理如圖所示。將很小的材料粒子融合成團塊，形成所需要的三維形狀。[14]高功率激光根據三維數據（如制作的CAD文件或掃描數據）所生成的切面數據，選擇性地融化粉末層表面的粉末材料，然后每掃描一個粉末層，工作平臺就下降一個層的厚度，一個新的材料層又被施加在上面，這個過程一直重復至完成制造[15]。圖2.2.2選擇性激光燒結2.2.3分層實體制造（LOM）激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓用二氧化碳激光束對箔材沿輪廓線將工作臺上的紙割出輪廓線，并將箔材無輪廓區切割成小碎片。[16]然后，由熱壓機構將一層層紙壓緊并粘合在一起。可升降工作臺支撐正在成型的工件，并在每層成型之后，降低一個紙厚，以便送進、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，最終獲得三維產品[18]圖2.2.3分層實體制造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動，掃描裝有液體感光樹脂的桶表面，激活聚合反應，樹脂硬化形成三維物體的一個固體層。完成一層的構建后，平臺將會下降單層厚度（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，就可形成一個完整的3D部件。[19]構建完成后，部件將被浸入化學藥液中，以清洗掉多余的樹脂，隨后在紫外線烘箱內進一步完成產品的固化。圖2.2.4立體平板印刷近年來，3D打印技術發展迅速，應用領域逐漸增多，作為3D打印的物質基礎，打印材料的發展決定了3D打印的發展前景。目前，國內關于3D打印材料的相關標準還不完善，許多材料仍然依賴國外進口，價格昂貴，造成了打印成本較高，使得3D打印技術難以普及化和產業化。因此，當下最急需的就是完善3D打印材料相關標準，加大對材料的研發力度，尤其是在新材料的研發及應用方面，提倡思維創新，‘鼓勵技術革新，豐富打印材料種類，提高材料質量，進而推動我國3D打印產業的發展。作為3D打印的主要材料之一，高分子材料因其具有優異的機械性能、耐熱性以及尺寸穩定性等許多優點，將會具有廣闊的發展空間2.3超細纖維熔體微分靜紡絲電設備眾所周知，由于溶液靜電紡絲難以克服溶劑揮發造成纖維孔洞和環境污染問題，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的工業化應用[11]，迫切需要解決無溶劑的熔體靜電紡絲的相關科學技術問題，實現高性能超細纖維綠色制造技術的產業化。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：微流量連續進給裝置、熔體分配流道、無針微分噴頭、電加熱系統及高壓靜電系統。[20]微流量連續供給是自行設計的微型螺桿擠出，實現5~50g/h的微流量熔體的連續可控供給；熔體分配流道通過流道中微分單元的設計實現單流體向線性或環形流體的轉變，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形斜表面的熔體均布噴頭，有帶溝槽或不帶溝槽結構的直線性、傘形外錐面型、內錐面型等幾種，[21]圖2.3熔體微分靜電紡絲裝置可實現電場線在噴頭端部的集中和電荷積聚，達到降低閾值電壓的作用；電加熱系統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，在電場力作用下，于噴頭面下端均勻分布形成數十個泰勒錐，并在足夠大的電場力作用下，噴射出多射流的過程。目前開發了熔體微分靜電紡絲批量化制備裝置，提出了熱風輔助的熔體微分靜電紡絲批量化生產技術，通過創新的氣流輔助內錐面噴嘴的應用，以及均勻一致的一級分流道的結合，高效地實現了熔體均勻細分和射流加速。[23]該技術具有熔噴工藝生產效率高的優點，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展趨勢隨著工業化技術的發展和人民生活水平的提高，人們對塑料產品種類和質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現其使用價值的，因此從應用角度來講，以對高分子材料賦予形狀為主要目的成型加工技術有著重要的意義。下文將介紹高分子材料成型加工技術的最新進展。3.1激光燒結技術激光燒結技術是在CAD造型的基礎上對塑料零件直接進行加工，節省了生產模具的成本，是一種很有潛力的節省模具和存貨成本的技術。它能幫助公司突破設計，為大規模生產做好準備。這種由EOS公司提供的系統可將聚酞胺粉末，加工成原型的內飾件、發動機零件等。[24]生產出的零部件，如進氣歧管、門內板、儀表板、車內通風管和車燈外殼等的強度足以滿足試驗車輛在跑道上進行測試的要求，比注塑技術更能降低開發和制造成本。有了這些零件，可以在開發的早期階段獲得更多的數據，[25]而故障則可以在尚未造成很高代價前的階段被排除。3.2信息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、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、中間儲運和光盤盤基成型三個過程整合為一體。結合動態連續反應成型技術，研究酯交換連續化生產技術，研制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。3.3聚合物／無機物復合材料物理場強化制備新技術。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t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，實現連續化制備聚合物，無機物復合材料。3.4熱塑性彈性體動態全硫化制備技術。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。研制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。參考文獻[1]周冀.高分子材料基礎[M].北京：國防工業出版社，2007.

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