劉成娟

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108）

0 序言

改性材料出現(xiàn)于本世紀(jì)90年代，30年的發(fā)展使其具備了以塑代鋼、代銅、代木、代塑和以輕代重等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在家電、汽車、高鐵、地鐵、航天、船舶、辦公設(shè)備、通信設(shè)備、機(jī)械建筑等行業(yè)領(lǐng)域。

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2020年，中國(guó)改性塑料需求達(dá)到2250萬(wàn)t，改性化率升至21.7%。其中，家電應(yīng)用比例高達(dá)34%、汽車應(yīng)用比例占19%、其他領(lǐng)域占47%[1]。到2022年底，中國(guó)改性塑料產(chǎn)量2884萬(wàn)t，總產(chǎn)值將超過(guò)4152億元，我國(guó)改性塑料逐漸成為世界最大需求市場(chǎng)和增長(zhǎng)動(dòng)力來(lái)源[2]。

在國(guó)家政策的支持下，改性塑料促進(jìn)了其他產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與消費(fèi)進(jìn)階，當(dāng)前，改性塑料已成為我國(guó)石油化工高分子材料領(lǐng)域的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和研究熱點(diǎn)。因此，對(duì)塑料改性的原理、設(shè)備與工藝、原材料、配方、關(guān)鍵制備技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行研究，對(duì)促進(jìn)整個(gè)塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展有十分重要的意義。

1 塑料改性技術(shù)及特點(diǎn)

塑料改性技術(shù)[3]是指在把高分子樹脂加工成塑料制品的過(guò)程中，通過(guò)填充、增強(qiáng)、共混等物理改性方法，嵌段共聚、輻射交聯(lián)等化學(xué)改性方法或者發(fā)泡、拉伸及復(fù)合等其他改性方法，得到預(yù)期新材料的技術(shù)。此技術(shù)大大提高了塑料的阻燃、導(dǎo)熱、力學(xué)、耐磨、電磁屏蔽等性能，與此同時(shí)也會(huì)降低原本塑料的某些性質(zhì)和特點(diǎn)，如導(dǎo)致絕緣性能、耐腐蝕度、光澤度下降等，但技術(shù)人員可以采用合適配方和措施減少性能的負(fù)面變化。

2 塑料改性成型技術(shù)關(guān)鍵

聚合物改性是將基體樹脂和各種改性助劑通過(guò)初混設(shè)備、間歇式熔融混合設(shè)備、連續(xù)轉(zhuǎn)子（FCM）混煉機(jī)、往復(fù)式螺桿混煉擠出機(jī)等成型設(shè)備進(jìn)行混合與混煉的過(guò)程[4]。

改性成型過(guò)程中，配方設(shè)計(jì)和制備工藝兩方面尤為關(guān)鍵。前者包括基本樹脂母粒和改性劑的形態(tài)、用量、搭配的選取和原則；后者包括合理改性工藝流程確定，成型設(shè)備的選擇、塑料顆粒的干燥。兩者均可大幅度避免交聯(lián)或降解，提高制品性能和質(zhì)量。同時(shí)，運(yùn)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，采用物理方法，在不破壞機(jī)體結(jié)構(gòu)及性能基礎(chǔ)上，對(duì)改性塑料內(nèi)外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，以保證產(chǎn)品質(zhì)量、使用安全、性能可靠，進(jìn)而改進(jìn)生產(chǎn)工藝、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。

2.1 塑料改性配方要點(diǎn)

2.1.1 基體樹脂的選擇

樹脂要選擇與耐磨、耐熱等性能最近的品種和品牌；各種樹脂材料黏度接近可以保證流動(dòng)性；不同生產(chǎn)方式與改性需求要求的流動(dòng)性相異。

2.1.2 助劑的選擇

助劑選擇原則要做到協(xié)同、對(duì)抗、可加工、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、負(fù)面影響小或無(wú)。

助劑形態(tài)對(duì)改性影響大，比如：纖維狀助劑增強(qiáng)效果好，圓球狀助劑增韌效果好、流動(dòng)性好、光澤度高；助劑粒度越小，則力學(xué)性能、著色力、導(dǎo)電性越好、單分散性降低。需要綜合考慮助劑形態(tài)以確定助劑添加量及表面處理方式。

2.2 塑料改性工藝技術(shù)要點(diǎn)

2.2.1 干燥處理

塑料顆粒含有的水分和易揮發(fā)低分子化合物，在高溫成型過(guò)程中易出現(xiàn)交聯(lián)或降解現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)銀紋、氣泡等缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)塑料進(jìn)行預(yù)熱和干燥處理。

干燥的溫度、時(shí)間和料層薄厚等會(huì)影響干燥效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)塑料親水性能、熔點(diǎn)、露點(diǎn)、濕度、導(dǎo)熱性和生產(chǎn)批量等來(lái)確定采用直接式或間接式干燥法，此兩種方法結(jié)合使用是進(jìn)行干燥的有效方法。

2.2.2 螺桿組合和加料技術(shù)

在改性塑料成型設(shè)備中，螺桿結(jié)構(gòu)形式是成型核心部件。成型周期由加料、熔融、共混和排氣等工藝階段構(gòu)成。物料、配方、性能、成型工藝和工藝階段的不同，需要不同的螺桿結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)組合形式來(lái)滿足，需要進(jìn)行系統(tǒng)研究和工程實(shí)踐驗(yàn)證。

2.2.3 填料表面處理技術(shù)

在塑料改性過(guò)程中，要添加各種極性無(wú)機(jī)填料，但其與極性極小的有機(jī)材料相容性較差，要通過(guò)粉體插層、機(jī)械力和化學(xué)包覆等改性方法來(lái)提高相容性，以獲得性能優(yōu)良制品。

2.2.4 色差和尺寸外觀控制技術(shù)

利用計(jì)算機(jī)等科學(xué)儀器和操作人員經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行著色劑配色，檢測(cè)白度和黑點(diǎn)，使用過(guò)濾雜質(zhì)技術(shù)等獲得多彩豐富的優(yōu)良制品。

3 塑料改性和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)，人與自然和諧共處是全人類需要共同面對(duì)的課題。隨著科技創(chuàng)新和發(fā)展方式變革，各行業(yè)都朝著綠色、節(jié)能、環(huán)保、可回收、可循環(huán)再利用的方向發(fā)展，高性能材料改性技術(shù)不斷涌現(xiàn)。

3.1 石墨烯改性技術(shù)

石墨烯由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Andre Geim和Konstantin Novoselov從石墨中提取制備而成，石墨烯由碳原子單層片狀組成的二維碳素晶體新材料，是迄今發(fā)現(xiàn)最薄材料，厚度約為0.335 nm。由石墨烯改性技術(shù)得到的高分子塑料性能更優(yōu)，如高耐熱、抗耐蝕、高硬度、阻隔性、高力學(xué)和電學(xué)性能[5]，一些學(xué)者已對(duì)石墨烯改性塑料的加工方法、性能和無(wú)損檢測(cè)等方面做了深入研究。

洪曉東等[6]學(xué)者綜述了石墨烯改性復(fù)合塑料制備工藝，如，羧基、環(huán)氧基和非共價(jià)鍵功能化等的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)認(rèn)為氧化石墨烯的改性及其聚合物復(fù)合材料可用來(lái)制備自修復(fù)智能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等復(fù)合材料。

崔峻豪[7]等學(xué)者對(duì)比分析了石墨烯物理和化學(xué)制備工藝的改進(jìn)技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)，包括機(jī)械剝離法、液相剝離法的改進(jìn)優(yōu)化，化學(xué)氣相沉積法（CVD）、氧化還原法、電化學(xué)剝離的優(yōu)化改進(jìn)，綜合后認(rèn)為氧化還原法與電化學(xué)是極具工業(yè)化發(fā)展?jié)摿Φ?。這些技術(shù)使得石墨烯可以大量制備，并應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，具有良好發(fā)展前景。

鄧智鵬等[8]學(xué)者系統(tǒng)地從防靜電、導(dǎo)熱、力學(xué)、輕薄透、環(huán)保、便于保存新鮮食品的阻隔性復(fù)合材料角度，綜述了石墨烯材料的最新研究進(jìn)展和優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了改性機(jī)理和電磁屏蔽、抗菌、耐摩擦等應(yīng)用發(fā)展前景。此外，也有學(xué)者認(rèn)為石墨烯改性技術(shù)有許多難題要解決，如片層褶皺、堆疊、團(tuán)聚可控性、良好相容性和高品質(zhì)、低成本等問(wèn)題[9]。

Kamboj,Saurabh 等[10]學(xué)者系統(tǒng)綜述了石墨烯技術(shù)的最新研究成果，包括石墨烯基復(fù)合材料的制備方法和在光催化劑、超級(jí)電容器和鋰離子電池中的開發(fā)應(yīng)用。石墨烯形成復(fù)合物以后，納米金屬氧化物材料的性能得到顯著提升，能有效降解廢水中有機(jī)污染物，并在光催化方面得到更加廣泛的應(yīng)用。石墨烯也被認(rèn)為是超級(jí)電容器的優(yōu)良材料，這為開發(fā)出高性能的電動(dòng)汽車領(lǐng)域提供巨大應(yīng)用潛能。石墨烯復(fù)合材料作負(fù)極材料制成的鋰離子電池，具有低自放電速率、高能量密度和良好循環(huán)壽命。

石墨烯改性技術(shù)在儲(chǔ)能、化學(xué)傳感器、電子和健康醫(yī)療應(yīng)用中引發(fā)研究者興趣。Soon Poh Lee等[11]學(xué)者研究還原氧化法制備PTZ-rGO，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的充放電性能在10000次循環(huán)后，仍具有92%的電容保持率，使其成為超級(jí)電容器的優(yōu)良電極材料制造。A.G.Olabi等[12]學(xué)者探討了石墨烯在儲(chǔ)能裝置、吸收器和電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。Santosh K.Tiwari等[13]學(xué)者系統(tǒng)探索新的石墨烯衍生物及其在生物成像、防水涂料、健康產(chǎn)品到航空航天中的應(yīng)用。

3.2 碳纖維改性技術(shù)

碳纖維被稱作21世紀(jì)的黑色黃金，具有高彈性模量、比強(qiáng)度、抗蠕變、耐疲勞腐蝕等優(yōu)異性能[14]可作為改性樹脂基體的增強(qiáng)材料。熱塑性增強(qiáng)材料具有可回收循環(huán)再利用、成型快、抗沖擊、易修復(fù)等特點(diǎn)[15]，在交通、輪船、航天和醫(yī)用器材等領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景。

碳纖維因品種不同，強(qiáng)度、模量、界面黏結(jié)性能和綜合性能都不同[16]。碳纖維表面活性官能團(tuán)顯示惰性和非極性，運(yùn)用改性技術(shù)加強(qiáng)與樹脂基體的黏結(jié)性提高性能和應(yīng)用領(lǐng)域[17]是國(guó)內(nèi)外研究工作的重心。

戰(zhàn)奕凱，李剛[18-20]等學(xué)者綜述了國(guó)內(nèi)外碳纖維表面改性技術(shù)，分為化學(xué)方法和物理方法?；瘜W(xué)方法分為表面氧化法、接枝法等，具有反應(yīng)速率快、效果顯著，可增加表面粗糙度和微觀特征，從而改善界面黏結(jié)力的優(yōu)點(diǎn)，但是化學(xué)方法改性過(guò)程中容易使纖維內(nèi)部結(jié)受損而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，是需要改進(jìn)的難點(diǎn)。物理方法包括涂層法和等離子處理法，此法具有靈活、易控制、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)所需生產(chǎn)設(shè)備要求高，且不能從根本上提高其表面性能，對(duì)表面性能要求高的場(chǎng)合無(wú)法應(yīng)用，因而制約了此技術(shù)發(fā)展。

Wu、Dongliang等[21]學(xué)者研究了采用化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)通過(guò)涂層將碳納米管均勻分布在纖維表面，不破壞碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)界面結(jié)構(gòu)和性能，從而有效地減輕高溫和金屬催化劑對(duì)纖維體的腐蝕，提高了碳纖維及其復(fù)合材料的力學(xué)性能。Zheng、Hao等[22]學(xué)者系統(tǒng)綜述了近年來(lái)碳纖維改性研究成果，為復(fù)合材料的增強(qiáng)作用研究提供理論依據(jù)，對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

3.3 改性塑料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

制造工藝的復(fù)雜、不穩(wěn)定，在役時(shí)環(huán)境變化等因素的影響都會(huì)產(chǎn)生分層、孔隙、纖維斷裂、褶皺等不同類型損傷，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單及檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成品檢測(cè)損傷，質(zhì)量評(píng)價(jià)及壽命評(píng)估等領(lǐng)域廣泛使用。

楊紅娟[23]等學(xué)者系統(tǒng)綜述了基于體波或?qū)Рǖ腃掃描、相控陣、激光超聲、空氣耦合和光纖超聲等超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、損傷診斷成像算法以實(shí)現(xiàn)損傷形貌圖像。根據(jù)被測(cè)樣品密度、厚度、彈性常數(shù)和換能器參數(shù)等選擇合適無(wú)損檢測(cè)方法，并從構(gòu)建碳纖維改性材料的陣列聲場(chǎng)模型、損傷成像算法、智能監(jiān)測(cè)成像系統(tǒng)、損傷定量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、診斷評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行研究展望。

4 改性塑料及其無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展建議

⑴ 完善改性塑料工業(yè)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。改性材料的持續(xù)健康發(fā)展需建立完善的改性塑料工業(yè)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系和知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和數(shù)量與產(chǎn)業(yè)發(fā)展越同步才能更好地使行業(yè)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。

⑵ 塑料改性的理論研究和工程實(shí)踐應(yīng)用研究需要相互促進(jìn)提高。目前，改性材料主要側(cè)重理論和通用產(chǎn)品領(lǐng)域的研究，而生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中涉及的人才培養(yǎng)、設(shè)備制造、配方設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)等應(yīng)用研究還有待加強(qiáng)。進(jìn)一步提高科研成果的知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)化率和指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)能力，加強(qiáng)對(duì)高性能改性劑、新材料和產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)加工，引導(dǎo)國(guó)內(nèi)金發(fā)科技、中國(guó)鑫達(dá)、銀禧科技、道恩股份等主要改性塑料企業(yè)生產(chǎn)高水平產(chǎn)品，促進(jìn)我國(guó)的塑料改性產(chǎn)業(yè)朝著安全、綠色、環(huán)保、輕量功能化、生態(tài)智能化等方向發(fā)展。

⑶ 在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和成像算法方面，需要進(jìn)一步構(gòu)建碳纖維改性材料的陣列聲場(chǎng)模型、損傷成像算法，制定損傷定量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、診斷評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)智能監(jiān)測(cè)成像系統(tǒng)，使無(wú)損檢測(cè)設(shè)備攜帶更方便、操作更簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度及效率更高。

5 結(jié)語(yǔ)

改性塑料的蓬勃發(fā)展，為家電、汽車、航天、高鐵、船舶、辦公設(shè)備、電動(dòng)工具、機(jī)械建筑等行業(yè)的多樣性發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，然而這些行業(yè)也對(duì)改性塑料的配方設(shè)計(jì)研發(fā)、改性成型工藝和設(shè)備等方面提出更高技術(shù)要求，因此，塑料改性成型技術(shù)的研究對(duì)于促進(jìn)整個(gè)塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)具有積極意義。