第三節(jié) 高分子材料加工的學(xué)科分類^{［4，14，20］}

本書將高分子材料加工定義為“對(duì)高分子材料或體系進(jìn)行操作以擴(kuò)大其用途的工程”，它是把高分子原材料經(jīng)過多道工序轉(zhuǎn)變成某種制品的過程。應(yīng)該指出，經(jīng)過高分子材料加工得到的制品在物理上處于和原材料不同的狀態(tài)，但化學(xué)成分基本相同；而高分子合成是指經(jīng)過一定的途徑，從氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的各種原料中得到化學(xué)上不同于原料的高分子材料。因此，高分子材料加工與高分子合成的含義是有區(qū)別的。

　盡管各種高分子材料均有獨(dú)特的成型方法，例如化學(xué)纖維的熔體紡絲、干法紡絲和濕法紡絲等（詳見第五章），塑料的注塑、壓制、壓延、擠出、澆鑄、浸漬、搪塑、熱成型和中空吹塑等（詳見第六章），橡膠的壓制、壓延、壓出、澆鑄、浸漬、涂層等（詳見第七章），而且每一種制品的原料準(zhǔn)備和后成型操作也各不相同，但是如果把高分子材料加工作為一門工程學(xué)科，根據(jù)基本的工程和科學(xué)原理，則可以將各種高分子材料的加工學(xué)科按圖1-6進(jìn)行分類。

圖1-6 高分子材料加工中工序和原理的分解^［20］

由圖1-6可知，高分子材料加工過程包括基礎(chǔ)階段、成型和后成型三個(gè)階段。高分子材料加工的基礎(chǔ)階段為成型準(zhǔn)備了原料。基礎(chǔ)階段可以先于成型，或與成型同時(shí)進(jìn)行。貫穿這些過程的始終或在這些過程之后出現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)化”。最后，結(jié)構(gòu)化之外的后成型操作可以跟在其后。而主要的工藝操作是建立在若干工程基礎(chǔ)之上的，特別是建立在傳質(zhì)現(xiàn)象、聚合物流體流變學(xué)、混合以及高分子物理學(xué)和化學(xué)的基礎(chǔ)上的。因此，高分子材料加工是一門學(xué)科交叉、科學(xué)與工程緊密結(jié)合的學(xué)科。

下面對(duì)圖1-6中的基礎(chǔ)階段和成型進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論。

一、高分子材料加工的基礎(chǔ)階段

由于聚合物原材料通常以顆粒形式供給加工者，因此高分子材料的成型應(yīng)在一系列的準(zhǔn)備性操作之后才進(jìn)行。這些操作的性質(zhì)在很大程度上決定了加工機(jī)械的形狀、尺寸、復(fù)雜程度和價(jià)格。這些準(zhǔn)備性操作通常為一種或多種，稱為高分子材料加工的“基礎(chǔ)階段”，它主要包括：固體粒子的處理，熔融或溶解，增壓和泵送，混合，脫揮發(fā)物和汽提。

考慮到固體顆粒系統(tǒng)具有的獨(dú)特性質(zhì)，有必要把“固體顆粒的處理”定義為一個(gè)基礎(chǔ)階段。為了保證合理地設(shè)計(jì)加工設(shè)備，必須很好地了解以下內(nèi)容：顆粒的裝填、集聚、料斗中的應(yīng)力分布、重力流動(dòng)、架拱、壓實(shí)和機(jī)械引起的流動(dòng)。在處理固體的某種操作之后和成型之前，通常應(yīng)該將聚合物溶解、熔融或加熱軟化。為了進(jìn)行成型，例如流經(jīng)口模或進(jìn)入模具，必須泵送熔融或溶解的聚合物，這一過程通常產(chǎn)生壓力。被稱作“增壓和泵送”的階段完全是受聚合物流體的流變特性支配的，并對(duì)加工機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生深刻的影響。增壓和熔融可以同時(shí)進(jìn)行，它們通常相互影響，而且對(duì)聚合物流體也有混合作用。當(dāng)加入的物料是由混合物組成而不是單純的聚合物時(shí)，為了使流體的溫度和組成均勻，必須對(duì)流體進(jìn)行混合；對(duì)不相容聚合物分散體系在較寬范圍內(nèi)的混合操作，即結(jié)塊和填料打碎等操作也都屬于“混合”這一階段。脫揮發(fā)物和汽提雖然也是常用的方法（例如在排氣擠出機(jī)中的脫揮發(fā)物），但在后反應(yīng)器進(jìn)行的加工中尤為重要。

二、高分子材料的成型方法

雖然高分子材料的品種繁多，而且各有其傳統(tǒng)的成型方法，但正如前面所述，根據(jù)基本的工程和科學(xué)原理，可以將所有高分子材料的成型方法歸納為以下五種。

（1）壓延和涂覆。這是一種穩(wěn)定的連續(xù)過程。它是在橡膠和塑料工業(yè)中廣泛應(yīng)用的最古老的方法之一。它包括傳統(tǒng)的壓延以及各種連續(xù)涂覆操作，例如刮涂和輥涂。

（2）口模成型。成型操作包含使聚合物流體通過口模的過程，其中有纖維的紡絲，薄膜和板（片）的成型，管和異型材成型，以及電線和電纜涂覆。

（3）模涂。蘸涂、粉料搪塑、粉料涂覆和旋轉(zhuǎn)模塑等加工方法均屬于模涂。所有這些方法都涉及在模具內(nèi)表面或外表面敷上一層相對(duì)比較厚的涂層。

（4）模塑和鑄塑。它們包括用熱塑性塑料或熱固性聚合物為模具“供料”的所有方法。這些方法包括了常見的注塑成型、傳遞模塑和模壓，以及單體或低分子量聚合物的普通澆鑄和“原位”聚合。

（5）二次成型。顧名思義，這一成型方法是指已預(yù)成型的高分子材料的進(jìn)一步成型。塑料的熱成型、吹塑和冷成型等可以歸為二次成型操作。

需要指出的是，圖1-6顯示的是高分子材料的傳統(tǒng)加工成型。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新的加工成型技術(shù)正在相繼問世。例如，現(xiàn)在已經(jīng)可以將高分子材料的合成和加工成型這兩個(gè)截然分離的過程融為一體。傳統(tǒng)加工設(shè)備只是用于高分子粒料加工成制品，但高分子材料反應(yīng)加工賦予了加工設(shè)備合成反應(yīng)器的功能，與傳統(tǒng)反應(yīng)需數(shù)小時(shí)或十幾小時(shí)相比，其反應(yīng)時(shí)間往往只有幾分鐘或十幾分鐘。另一種新的聚合物高壓成型技術(shù)，在室溫下可以進(jìn)行塑料加工成型，有望成為節(jié)能的塑料加工方法，并可促進(jìn)塑料回收技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的加工過程是一種聚合物動(dòng)力學(xué)歷史，近年來，已擴(kuò)展到外場(chǎng)的影響，如表面取向、電、磁場(chǎng)、溶劑熏蒸、新的流動(dòng)幾何等。3D打印等快速成型技術(shù)，可以采用材料精確堆積的方法最終生成非常復(fù)雜的實(shí)體。因此，本書在重點(diǎn)闡述傳統(tǒng)加工成型方法的同時(shí)，也將簡(jiǎn)單介紹一些新的加工成型方法及其原理。