塑料加工成型技术现状及研究进展

刘红燕

（湖南财经工业职业技术学院机电工程系，湖南省衡阳市 421002）

塑料加工成型技术现状及研究进展

刘红燕

（湖南财经工业职业技术学院机电工程系，湖南省衡阳市 421002）

综述了塑料加工成型技术的现状及研究进展。通过优化模压成型工艺参数，提高了制品性能并降低了生产成本；共挤成型技术可生产用单一挤出成型技术无法实现的性能优良的制品；注射成型在顺利成型的情况下，应尽量采用较小的注射压力；吹塑成型可成型性能好且具有复杂起伏曲线的制品；发泡成型以生产高质量的发泡制品为目标。塑料加工成型过程中，最大限度地提高能量转化效率是未来研究的主要发展方向。

塑料 加工成型 模压成型 注塑成型 吹塑成型

塑料经过成型加工过程得到有使用价值的塑料制品。根据成型材料的性质，利用加热、加压、溶胀或溶解等方法使其达到可塑状态，经过特定的模具，得到符合要求的制品。塑料加工成型方法包括模压成型、挤出成型、注射成型、吹塑成型等。

1 塑料加工成型方法

1.1 模压成型

模压成型是模塑料在闭合模腔内借助加压（一般还需加热）的方法。张秀菊等［1］采用模压成型法制备聚乳酸/细菌纤维素及其衍生物复合材料。将粉料在自制模压模具中于170 ℃熔融，将熔融形成的坯体切成两段，再放入模压模具中于100℃，1.8 MPa条件下保持5 min，冷却脱模，即得到压实并有一定取向结构的样条。细菌纤维素质量分数为5%时，复合材料的压缩模量可提高35%，极限压缩模量达到了87.1 MPa。陈元芳等［2］通过正交试验探讨了不饱和聚酯片状模塑料（SMC）模压成型工艺参数对制品冲击强度的影响，得到了优化的成型工艺参数：模压温度155 ℃，保压时间4 min，合模时间7 s。为实际生产节省了时间，提高了SMC制品成型率，制品性能稳定，降低了生产成本。何春霞等［3］分别采用层铺模压成型和混炼模压成型制备了聚丙烯(PP)木塑复合材料，研究发现，与层铺模压成型木塑复合材料相比，混炼模压成型木塑复合材料的力学性能和抗吸湿吸水性能较好，且复合材料的填充材料与基体混合均匀，两相界面之间结合良好。赵佳等［4-5］在3.6 MPa的初始模压压力下，分别改变模压温度、模压时间和冷却方式对超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）进行了模压成型，研究发现，模压温度过高或模压时间过长均会导致UHMWPE的结晶度降低，耐磨性能变差。

模压成型是复合材料成型最基本的方法，能够成型任意形状及大小的制品，而且设备简单、投资少。

1.2 挤出成型

挤出成型是物料在挤压机中经过加热、加压，边塑化边被螺杆向前推送，以流动状态连续通过口模成型的方法，可用于热固性塑料的成型，也可用于泡沫塑料的成型。

赵丹阳等［6-7］研究发现，模具流道主要结构参数对流动均匀性的影响由强到弱的顺序依次为：分流角、内筋定型段长度、压缩角、压缩比。根据最佳流道结构参数，设计了双腔微管挤出模具，并验证了该方法的正确性和有效性。Isayev等［8］将超声振动引入聚醚酰亚胺/多壁碳纳米管复合材料的双螺杆挤出，研究表明：熔体经超声振动处理后，多壁碳纳米管在聚醚酰亚胺基体中的分散性较好；复合材料的复数黏度、储能和损耗模量增加，而阻尼特性下降，拉伸强度和模量显著增加。吴华等［9］利用普通单螺杆挤出机，在挤出高密度聚乙烯（HDPE）过程中，混入的CaCO3与酸进行化学反应，生成CO2等气体，从而连续地制备了泡孔平均直径小且均匀分布的HDPE微泡塑料。李文斐等［10］采用β射线对聚苯醚（PPO）进行预辐照，以产生的PPO大分子过氧化物作引发剂，利用反应挤出接枝法，制备了AA接枝PPO与MAH接枝PPO。研究发现：随单体用量增加，接枝率上升，但当AA用量为PPO质量的3%以上时，接枝率变化不明显；接枝共聚物的接枝率随挤出机螺杆转速的增加而逐渐降低。袁辉等［11］采用口模内注入润滑油的技术挤出UHMWPE，发现能改变熔体与口模的界面条件，有效地克服鲨鱼皮现象，从而改善挤出板材的表面质量和内在质量。

共挤成型技术可生产用单一挤出成型技术无法实现的性能优良的复合产品［12］，但共挤成型技术存在离模膨胀、熔体破裂等缺陷，国内外学者对此开展了大量的研究工作。Liu Hesheng等［13］发现，“黏性包围”程度随着壁面滑移系数和熔体流率的增加而增大。宋卫生［14］建立了三维等温黏弹共挤成型流动过程的数值模型，研究了熔体层厚对共挤成型的影响，分析了熔体层厚对挤出胀大率、偏转变形及界面形貌的影响。结果表明，熔体层厚对挤出胀大率和界面形貌的影响较大，随着熔体层厚的增加，挤出胀大率减小；随着共挤出熔体层厚差值的增大，界面形状趋于不稳定；熔体离开口模后产生低黏度熔体向高黏度熔体一侧偏转变形，但变形程度受熔体层厚的影响不大。

挤出成型可用于挤出各种形状的制品，生产效率高，可自动化、连续化生产。

1.3 注射成型

注射成型是将物料塑化后，由注塞或往复螺杆注射到闭合模具的模腔中形成制品的方法。用于注塑的物料须流动性良好，才能充满模腔，进而得到制品，可用于大多数热塑性塑料及部分热固性塑料的成型。

谭文胜等［15］针对传统注塑模具浇注系统的单浇口和多浇口控制中存在的问题，论述了塑料检查井注塑模具热流道单浇口阀式浇注系统及其应用，经生产验证，单浇口阀式浇注可以提高聚氯乙烯检查井成型加工效率和降低生产成本。卢金重［16］采用不同的工艺条件注塑成型无规共聚透明PP，分析了成型工艺参数对制品光学性能的影响。研究发现，在保证制品顺利成型的情况下，应尽量采用较小的注塑压力；注塑速率和注塑时间对制品的光学性能影响较小。

注射成型可成型形状复杂的零件，适合大规模生产，但成本较高。

1.4 吹塑成型

吹塑成型是借助气体的压力使闭合在模具中的热熔型坯吹胀为空心制品的方法，主要用于生产薄膜，各种瓶、桶、壶类容器及儿童玩具等。

近20年来，大型工业塑料件吹塑技术在国内外发展迅速。张大伟［17］研究了中空容器成型工艺中影响聚乙烯制品质量的因素，为提高中空制品的品质以及成型技术的应用垫定了基础。控制制品的壁厚均匀性，尤其是异型容器壁厚的均匀性是中空容器成型的难题。沈晓明［18］通过调整成型工艺参数，改善了中空容器的壁厚分布均匀性。黄虹等［19］通过提高型坯形变量较小部位的温度，以及降低形变量较大部位的温度，有效改善制品均匀变形的程度。刘沙粒等［20］使用流体力学软件，分别模拟了均一壁厚初始型坯和优化的非均一壁厚初始型坯挤出吹塑带把手高密度聚乙烯油桶的过程。结果表明：均一壁厚5.0 mm的初始型坯经过吹胀阶段后，油桶大部分壁厚都小于3.0 mm；使用软件后处理程序对油桶型坯6次优化后，吹塑制品壁厚均大于3.0 mm，且在第4次优化的基础上将油桶质量从646.89 g降至642.68 g。

吹塑成型的设备造价较低，适应性强，可成型性能好且可成型具有复杂起伏曲线的制品。

1.5 发泡成型

发泡成型是指在发泡材料（如聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等）中加入适当的发泡剂，使塑料产生微孔的过程。采用微孔发泡成型生产的制品，制品中的微孔可以钝化原材料中的裂纹尖端，提高塑料的强度。

向帮龙等［21］采用具有制备周期短、工艺简单、操作容易、成本低等优点的模压法，通过快速降温降压制备了薄型微孔发泡聚碳酸酯片材，研究发现：随着发泡时间的延长，泡孔尺寸先增加后恒定不变，泡孔密度先增加后降低；随发泡压力的增加，孔尺寸快速减小后变化不大，泡孔密度先快速增加后变化较小；随着发泡温度的增加，泡孔尺寸快速增加，泡孔密度快速降低；随活化比的增加，泡孔尺寸先减小后增加，泡孔密度则先增加后降低。通过控制发泡时间、发泡压力、发泡温度、活化比等可以控制微孔发泡聚碳酸酯的泡孔结构。

发泡成型的问题是如何控制发泡剂的注入，使聚合物和发泡剂形成均相体系，然后释放压力，得到高质量发泡制品。

2 塑料加工成型研究进展

塑料加工成型过程中，最大限度地提高能量转化效率是塑料加工节能降耗的关键。华南理工大学［22］开发的塑料动态加工成型设备的加工热机械历程缩短20%以上、加工能耗降低约15%。

福建海源新材料科技有限公司［23］将一种长纤维增强热塑性复合材料与热塑性材料浸渍的玻璃纤维毡面层模压而交联成一体，增强了热塑性复合材料长纤维排布的有序性，应用于建筑模板制造，压制成型制品的力学性能大幅提高。哈尔滨工程大学［24］将氧化石墨烯通过溶液涂覆在聚偏氟乙烯粉末粒子表面，然后将这些粉末在没有任何气体保护的条件下于200 ℃模压2 h。在粉末模压成型过程中，聚合物粉末之间的氧化石墨烯被原位还原，在复合材料基体中形成二维导电通道，从而使所制复合材料在低含量导电填料的条件下具有很高的导电性能。这种模压成型和原位还原法具有简单易行、环境友好，成本低廉的特点，为制备具有分离结构的导电复合材料提供了新途径，具有应用前景。

成都科之浩机械设备技术服务有限公司［25］发明了一种用于气体辅助注射成型工艺，该工艺的特点是：1）对浇注系统浇口的填充均衡性要求不高；2）对气道的设计精度要求较低，气道长短和位置可根据试模状况进行调整。中南大学［26］公开了一种无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及方法，通过超声振动施加于聚合物颗粒过程中的摩擦生热和黏弹性生热作用，将固态的聚合物熔融为液态，同时超声波在聚合物液体中的空化作用降低了表观黏度，改善了加工过程中的短射或充填不足现象，能够很好地进行微小塑料器件的注射成型，降低了能耗和工艺的控制难度，提高了设备的经济性。戴桂芬［27］发明了一种注射成型装置，在熔体通过浇口经流动通道注人模腔后，流动通道内的两个保压活塞以同样的频率呈反方向推动熔体在模腔中反复流动，直到模腔中的熔体完全冷却固化，通过控制保压活塞运动的频率、熔体温度等参数，可获得在流动方向上性能有较大改善的注塑件，解决了厚壁制件存在的熔接痕问题，提高了制品强度。兰州金浩机械制造有限公司［28］发明了一种粉末冶金注射成型工艺，解决了现有技术的搅拌不均匀、产品稳定性差的缺陷，采用脉动周期性振动混合方法，解决了注射成型过程中原料的流动性和混合性差的弱点，其产品密度高、分布均匀。北京化工大学［29］发明了一种熔体微分式注射成型机注射控制方法，主要考虑了微分系统入口处压力与电机旋转角度，并对其加以控制，保证了压力、旋转角度的重复性，使最终制品的外观、尺寸精度，以及质量重复精度提高。LG电子株式会社［30］发明了一种用于注射成型的压模方法，该方法可防止在压模上形成刮痕，并且即使在其上形成有微型图案的金属压模被制造完成后，压模也会因为硬度高而具有极好的耐久性。浙江申达机器制造股份有限公司［31］发明了一种双模同步注射成型机，可以同步同时完成两模制品，也可以根据实际需要分别控制两套模具，极大提高了生产效率，节省了制造成本、能量损耗和安装空间。苏州米莫金属科技有限公司［22］提供了一种注射成型机用自锁式喷嘴，通过驱动装置驱动阀头封堵或者远离喷射口来实现喷嘴的自锁，在注射和保压工序下，开启喷射口，熔料自熔体流道经喷射口注射至模腔中，在预塑和未注射工序下，关闭喷射口，熔料不会从喷射口中流出，从而解决了“流涎”问题，以及喷射口堵塞问题。

3 结语

模压成型是复合材料成型最基本的方法，通过优化成型工艺参数，可节省时间，提高制品成型率及性能，降低生产成本；挤出成型可挤出各种形状的制品，共挤成型技术可生产用单一挤出成型技术无法实现的性能优良的复合制品；注射成型过程中，在保证制品顺利成型的情况下，应尽量采用较小的注塑压力；吹塑成型设备造价低，适应性强，可成型性能好且具有复杂起伏曲线的制品；发泡成型以生产高质量的发泡制品为目标。塑料加工成型过程中，提高传热传质效率、缩短热机械作用历程是节能降耗的关键，加大对聚合物加工成型技术的研究力度，促进聚合物加工成型技术的创新发展，是未来研究的主要发展方向。

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Situation and research development of plastics processing technology

Liu Hongyan
（Hunan Financial amp; Industrial Vocational-Technical College， Hengyang 421002， China）

This paper reviews the situation and research development of plastic processing technology. The production properties are improved and the producing costs are lower through optimizing compression molding process parameters. Coextrusion molding technology produces products with good performance which could not produced with single molding extrusion technology.When the injection molding succeeds small pressure should be applied. Blow molding can make product with good molding performances in complicated in fluctuant curve.The aim of foam molding process is to produce high quality foam product. Gaining highest energy conversion efficiency in platics processing is the research direction in the furture.

plastic； process molding； compression molding； injection molding； foam molding

TQ 325

A

1002-1396(2017)06-0093-04

2017-08-26；

2017-09-25。

刘红燕，女，1979年生，硕士，副教授，主要从事模具设计、模具制造、机械制造研究。E-mail：652676264@qq.com。