塑料改性技术的现状及发展建议*

刘成娟

（福州职业技术学院，福建 福州 350108）

0 序言

改性材料出现于本世纪90年代，30年的发展使其具备了以塑代钢、代铜、代木、代塑和以轻代重等优点，被广泛应用在家电、汽车、高铁、地铁、航天、船舶、办公设备、通信设备、机械建筑等行业领域。

国家统计局数据显示，截至2020年，中国改性塑料需求达到2250万t，改性化率升至21.7%。其中，家电应用比例高达34%、汽车应用比例占19%、其他领域占47%[1]。到2022年底，中国改性塑料产量2884万t，总产值将超过4152亿元，我国改性塑料逐渐成为世界最大需求市场和增长动力来源[2]。

在国家政策的支持下，改性塑料促进了其他产业技术的发展与消费进阶，当前，改性塑料已成为我国石油化工高分子材料领域的战略性新兴产业和研究热点。因此，对塑料改性的原理、设备与工艺、原材料、配方、关键制备技术难点及应用进行研究，对促进整个塑料产业发展有十分重要的意义。

1 塑料改性技术及特点

塑料改性技术[3]是指在把高分子树脂加工成塑料制品的过程中，通过填充、增强、共混等物理改性方法，嵌段共聚、辐射交联等化学改性方法或者发泡、拉伸及复合等其他改性方法，得到预期新材料的技术。此技术大大提高了塑料的阻燃、导热、力学、耐磨、电磁屏蔽等性能，与此同时也会降低原本塑料的某些性质和特点，如导致绝缘性能、耐腐蚀度、光泽度下降等，但技术人员可以采用合适配方和措施减少性能的负面变化。

2 塑料改性成型技术关键

聚合物改性是将基体树脂和各种改性助剂通过初混设备、间歇式熔融混合设备、连续转子（FCM）混炼机、往复式螺杆混炼挤出机等成型设备进行混合与混炼的过程[4]。

改性成型过程中，配方设计和制备工艺两方面尤为关键。前者包括基本树脂母粒和改性剂的形态、用量、搭配的选取和原则；后者包括合理改性工艺流程确定，成型设备的选择、塑料颗粒的干燥。两者均可大幅度避免交联或降解，提高制品性能和质量。同时，运用无损检测技术，采用物理方法，在不破坏机体结构及性能基础上，对改性塑料内外部结构进行检测评估，以保证产品质量、使用安全、性能可靠，进而改进生产工艺、延长产品寿命。

2.1 塑料改性配方要点

2.1.1 基体树脂的选择

树脂要选择与耐磨、耐热等性能最近的品种和品牌；各种树脂材料黏度接近可以保证流动性；不同生产方式与改性需求要求的流动性相异。

2.1.2 助剂的选择

助剂选择原则要做到协同、对抗、可加工、环保、经济、负面影响小或无。

助剂形态对改性影响大，比如：纤维状助剂增强效果好，圆球状助剂增韧效果好、流动性好、光泽度高；助剂粒度越小，则力学性能、着色力、导电性越好、单分散性降低。需要综合考虑助剂形态以确定助剂添加量及表面处理方式。

2.2 塑料改性工艺技术要点

2.2.1 干燥处理

塑料颗粒含有的水分和易挥发低分子化合物，在高温成型过程中易出现交联或降解现象，导致产品出现银纹、气泡等缺陷，影响产品质量，需要对塑料进行预热和干燥处理。

干燥的温度、时间和料层薄厚等会影响干燥效果。在实际生产中，应根据塑料亲水性能、熔点、露点、湿度、导热性和生产批量等来确定采用直接式或间接式干燥法，此两种方法结合使用是进行干燥的有效方法。

2.2.2 螺杆组合和加料技术

在改性塑料成型设备中，螺杆结构形式是成型核心部件。成型周期由加料、熔融、共混和排气等工艺阶段构成。物料、配方、性能、成型工艺和工艺阶段的不同，需要不同的螺杆结构和局部结构组合形式来满足，需要进行系统研究和工程实践验证。

2.2.3 填料表面处理技术

在塑料改性过程中，要添加各种极性无机填料，但其与极性极小的有机材料相容性较差，要通过粉体插层、机械力和化学包覆等改性方法来提高相容性，以获得性能优良制品。

2.2.4 色差和尺寸外观控制技术

利用计算机等科学仪器和操作人员经验相结合的方法进行着色剂配色，检测白度和黑点，使用过滤杂质技术等获得多彩丰富的优良制品。

3 塑料改性和无损检测技术及其应用

进入21世纪，人与自然和谐共处是全人类需要共同面对的课题。随着科技创新和发展方式变革，各行业都朝着绿色、节能、环保、可回收、可循环再利用的方向发展，高性能材料改性技术不断涌现。

3.1 石墨烯改性技术

石墨烯由诺贝尔物理学奖获得者Andre Geim和Konstantin Novoselov从石墨中提取制备而成，石墨烯由碳原子单层片状组成的二维碳素晶体新材料，是迄今发现最薄材料，厚度约为0.335 nm。由石墨烯改性技术得到的高分子塑料性能更优，如高耐热、抗耐蚀、高硬度、阻隔性、高力学和电学性能[5]，一些学者已对石墨烯改性塑料的加工方法、性能和无损检测等方面做了深入研究。

洪晓东等[6]学者综述了石墨烯改性复合塑料制备工艺，如，羧基、环氧基和非共价键功能化等的研究进展及应用现状，总结认为氧化石墨烯的改性及其聚合物复合材料可用来制备自修复智能、超级电容储能等复合材料。

崔峻豪[7]等学者对比分析了石墨烯物理和化学制备工艺的改进技术及优缺点，包括机械剥离法、液相剥离法的改进优化，化学气相沉积法（CVD）、氧化还原法、电化学剥离的优化改进，综合后认为氧化还原法与电化学是极具工业化发展潜力的。这些技术使得石墨烯可以大量制备，并应用在各个领域，具有良好发展前景。

邓智鹏等[8]学者系统地从防静电、导热、力学、轻薄透、环保、便于保存新鲜食品的阻隔性复合材料角度，综述了石墨烯材料的最新研究进展和优缺点，阐述了改性机理和电磁屏蔽、抗菌、耐摩擦等应用发展前景。此外，也有学者认为石墨烯改性技术有许多难题要解决，如片层褶皱、堆叠、团聚可控性、良好相容性和高品质、低成本等问题[9]。

Kamboj,Saurabh 等[10]学者系统综述了石墨烯技术的最新研究成果，包括石墨烯基复合材料的制备方法和在光催化剂、超级电容器和锂离子电池中的开发应用。石墨烯形成复合物以后，纳米金属氧化物材料的性能得到显著提升，能有效降解废水中有机污染物，并在光催化方面得到更加广泛的应用。石墨烯也被认为是超级电容器的优良材料，这为开发出高性能的电动汽车领域提供巨大应用潜能。石墨烯复合材料作负极材料制成的锂离子电池，具有低自放电速率、高能量密度和良好循环寿命。

石墨烯改性技术在储能、化学传感器、电子和健康医疗应用中引发研究者兴趣。Soon Poh Lee等[11]学者研究还原氧化法制备PTZ-rGO，发现稳定的充放电性能在10000次循环后，仍具有92%的电容保持率，使其成为超级电容器的优良电极材料制造。A.G.Olabi等[12]学者探讨了石墨烯在储能装置、吸收器和电化学传感器中的应用。Santosh K.Tiwari等[13]学者系统探索新的石墨烯衍生物及其在生物成像、防水涂料、健康产品到航空航天中的应用。

3.2 碳纤维改性技术

碳纤维被称作21世纪的黑色黄金，具有高弹性模量、比强度、抗蠕变、耐疲劳腐蚀等优异性能[14]可作为改性树脂基体的增强材料。热塑性增强材料具有可回收循环再利用、成型快、抗冲击、易修复等特点[15]，在交通、轮船、航天和医用器材等领域有良好应用前景。

碳纤维因品种不同，强度、模量、界面黏结性能和综合性能都不同[16]。碳纤维表面活性官能团显示惰性和非极性，运用改性技术加强与树脂基体的黏结性提高性能和应用领域[17]是国内外研究工作的重心。

战奕凯，李刚[18-20]等学者综述了国内外碳纤维表面改性技术，分为化学方法和物理方法。化学方法分为表面氧化法、接枝法等，具有反应速率快、效果显著，可增加表面粗糙度和微观特征，从而改善界面黏结力的优点，但是化学方法改性过程中容易使纤维内部结受损而导致强度降低，是需要改进的难点。物理方法包括涂层法和等离子处理法，此法具有灵活、易控制、无污染等优点，但对所需生产设备要求高，且不能从根本上提高其表面性能，对表面性能要求高的场合无法应用，因而制约了此技术发展。

Wu、Dongliang等[21]学者研究了采用化学气相沉积(CVD)技术通过涂层将碳纳米管均匀分布在纤维表面，不破坏碳纤维增强塑料(CFRP)界面结构和性能，从而有效地减轻高温和金属催化剂对纤维体的腐蚀，提高了碳纤维及其复合材料的力学性能。Zheng、Hao等[22]学者系统综述了近年来碳纤维改性研究成果，为复合材料的增强作用研究提供理论依据，对今后的研究方向进行了展望。

3.3 改性塑料无损检测技术

制造工艺的复杂、不稳定，在役时环境变化等因素的影响都会产生分层、孔隙、纤维断裂、褶皱等不同类型损伤，严重影响其力学性能。超声无损检测技术具有携带方便、操作简单及检测效率高等优点，在产品设计、成品检测损伤，质量评价及寿命评估等领域广泛使用。

杨红娟[23]等学者系统综述了基于体波或导波的C扫描、相控阵、激光超声、空气耦合和光纤超声等超声无损检测技术、损伤诊断成像算法以实现损伤形貌图像。根据被测样品密度、厚度、弹性常数和换能器参数等选择合适无损检测方法，并从构建碳纤维改性材料的阵列声场模型、损伤成像算法、智能监测成像系统、损伤定量评估标准、诊断评估及寿命预测等方面进行研究展望。

4 改性塑料及其无损检测技术发展建议

⑴ 完善改性塑料工业体系、标准体系和知识产权体系。改性材料的持续健康发展需建立完善的改性塑料工业体系、标准体系和知识产权体系，产品标准的内容和数量与产业发展越同步才能更好地使行业参与国际竞争。

⑵ 塑料改性的理论研究和工程实践应用研究需要相互促进提高。目前，改性材料主要侧重理论和通用产品领域的研究，而生产实践过程中涉及的人才培养、设备制造、配方设计、工艺开发等应用研究还有待加强。进一步提高科研成果的知识产权转化率和指导实际生产能力，加强对高性能改性剂、新材料和产品的研发和生产加工，引导国内金发科技、中国鑫达、银禧科技、道恩股份等主要改性塑料企业生产高水平产品，促进我国的塑料改性产业朝着安全、绿色、环保、轻量功能化、生态智能化等方向发展。

⑶ 在无损检测技术和成像算法方面，需要进一步构建碳纤维改性材料的阵列声场模型、损伤成像算法，制定损伤定量评估标准、诊断评估及寿命预测标准，开发智能监测成像系统，使无损检测设备携带更方便、操作更简单、准确度及效率更高。

5 结语

改性塑料的蓬勃发展，为家电、汽车、航天、高铁、船舶、办公设备、电动工具、机械建筑等行业的多样性发展提供强有力的技术支撑，然而这些行业也对改性塑料的配方设计研发、改性成型工艺和设备等方面提出更高技术要求，因此，塑料改性成型技术的研究对于促进整个塑料产业发展和转型升级具有积极意义。