高分子材料中反应加工的研究

史永祥

（池州学院，安徽池州 247000）

在我国的工业体系中，高分子材料的制造与加工是其中重要的板块，在国民经济发展中起到了重要的价值。生活中随处可见的橡胶、塑料、棉花等，都是高分子材料的制成品。高分子材料的反应，指的是将原料通过化学反应使其合成具有特殊价值的商业化材料的过程；而加工过程则是通过一定的方式与过程，将原材料、半成品转化为目标产品的过程。而反应加工技术将合成反应器的功能赋予给了加工设备，从而缩短了生产的流程，现已成为有机材料科学领域的前沿技术，受到了工程技术人员的广泛关注。

1 高分子材料反应加工概述

高分子材料的传统生产流程中，材料的制备与加工是割裂开来的，在完成聚合反应后，需通过分离、提纯、造粒等一系列工序才能进入到成型加工环节。在加工期间还需对材料再次加热，使之熔融后，通过注塑、吹塑和挤塑等工艺生产为所需的产品或半成品。

而高分子材料的反应加工过程则将高分子材料的合成和加工融为一体，通过反应挤出和反应注射成型两个阶段，完成聚合物生产和加工成型的作业。其中，反应挤出是当前国内研究的热点，主要可通过两种方式实现：其一，在挤出机的加料口内添加官能单体、助剂和催化剂，在挤出机内通过连续挤压使之发生反应，生成目标聚合物，在挤出机头的位置安装适当模，就可获得所需的高分子材料制品；其二，在挤出机的加料口内加入1种或多种聚合物，在适当位置加入反应单体、催化剂或助剂，通过连续挤压，令反应单体与添加的聚合物发生共聚，或促使聚合物之间发生反应，从而实现对原有聚合物的化学改性，产出目标高分子材料。反应加工的技术极大缩短了反应的周期，无需对中间产物进行二次熔化，节约了能源与资源，有利于成本控制，必然成为高分子材料加工制造产业发展的重点方向。

2 高分子材料反应加工的发展现状与实际应用

2.1 高分子材料反应加工的研究进程

高分子材料的反应加工最早在二十世纪八十年代被列入新型材料学科，此后因其在生产实践中的明显优势，而获得了学界的广泛关注。其中，Venderbosch（1995）等利用助剂对难降解聚合物进行处置，使之成为反应加工的良好基体材料。PranabDey（2014）等则对利用动态硫化技术生产的橡胶的微观结构进行了研究。在欧洲、日本、美国等国家，高分子材料反应加工手段中的一种，现已在家电、包装、汽车、农业、电子等多个领域取得广泛运用。相较而言，我国在这一领域的研究起步较晚，虽已取得了一定的成果，但仍与发达国家存在一定的差距。其中，长春应化所（2003）就烯类单体本体聚合反应挤出机理与动力学、加工过程中聚烯烃降解和反应的控制与应用以及聚合物在反应挤出过程中的结构形态演变等问题进行了研究。沈春根（2018）等以数值仿真的方式就尼龙6反应注射成型加工过程进行了研究，并分析了在加工过程中结晶度与体系温度场的分布情况。在高分子材料领域，生产技术与制成品的性能具有紧密的联系。在大力发展自主创新能力的今天，针对高分子材料反应加工过程中的核心问题，还有待于进一步的深化探索。

2.2 高分子材料反应加工的应用

利用反应加工技术进行高分子材料产品的生产，具有灵活性高、专用性强的特征，可对现有大规模生产构成良好补充。以树脂材料为例，不同应用场景下对树脂的机械性能、化学性能的要求不同，若生产总量较小，采取常规加工方式往往不够经济，而利用反应加工技术，则可针对不同的应用对象提供性能不同的专用树脂，从而解决结构性短缺的问题。长春应化所利用反应加工所制得的农用棚膜，其流滴期长达12个月，对于大棚保温、防治病虫害具有明显优势，有利于农民的增产增收。另外，在SBS 的生产中，传统生产工艺需使用大量的有机溶剂，对其进行回收不但要消耗大量时间，而且将造成电能的浪费，同样可通过反应加工的方式加以解决。

3 高分子材料反应加工中的核心问题

要想推动高分子反应加工的理论研究与推广运用，首先需对其中的核心问题进行深入探讨，在动力学、传质传热、结构性能与流变问题都可以得到有效控制的情况下，方能确保反应加工的产物符合生产的要求。

3.1 反应动力学问题

化学反应动力学主要研究的是各类化学、物理因素对反应速率的影响。在高分子材料反应加工过程中发生的主要反应包括：由正负离子引起的聚合、自由基引起的聚合以及加聚与缩聚等。通常上述反应的速率较快，需要相关研究者在把握反应机理的前提下，能够根据各个基元反应的反应速率计算结果预测整个反应的动力学规律。另外，还应通过实验对反应体系中各组分浓度与反应速率的关系加以确定，从而满足反应过程开发的需要。通过对反应动力学特征的深度了解，在聚合反应过程中出现各种突发性问题时，方能有条不紊地进行处置。

3.2 传质传热问题

反应的传质与传热问题主要研究的是反应过程中热量与质量传递所遵循的基本原理，是对能量平衡问题与质量传递现象的解答。在高分子材料的反应加工过程中，借助加压操作促进聚合反应的发生。反应是在较短时间内完成的，这就对物料运输和能量平衡提出了挑战。此类反应大多为放热反应，在生产过程中，传统的合成方式通常是借助有机溶剂在较长时间内完成反应。然而在反应加工工序中，由于剧烈放热，反应器中将在极短的时间内升到较高的温度，为避免原料的碳化或降解，需对放出的热量及时地进行处理。

3.3 产物结构及性能问题

高分子材料的性能表现在一定程度上是由其化学结构所决定的，而反应加工工艺又对产物的化学结构具有决定性的影响。为确保产物的物理性能与化学性质能达到所需的条件，有必要对反应加工过程中产物形态结构的形成和演变进行专项研究，在了解其变化规律的情况下，提升对产物的质量控制。

3.4 化学流变问题

化学流变学是在化学与经典流变学基础上发展起来的新兴学科，主要就聚合物在流变过程中所发生的化学反应，及反应所导致的结果变化对聚合物流变性能的影响进行探究。对高分子材料反应加工而言，针对其形变与流动进行研究关于到成型加工的效果。高分子材料在熔融状态下，由于交联现象或降解问题，可能引起其流动形态发生改变，若对流变问题未引起足够的重视，可能导致产物的性质不能满足要求。

4 结语

在材料科学领域，随着学科交叉的深入以及工程热物理、高分子化学及物理化学细分学科的发展，高分子材料的反应加工已成为材料合成、制备与工程化的前沿技术，受到了工程技术人员和相关领域研究者的广泛关注。相对于传统高分子材料将合成与加工割裂开来的工序流程，反应加工具有能耗低、效率高、经济性好、污染小的特点，在我国政府与社会各界高度重视环境友好、生态文明建设的今天，具有传统流程不可比拟的优势。然而，反应加工的过程中涉及到复杂的物理化学变化，当前在工业应用方面还存在一定的问题，难以做到大规模生产，这一情况有待于研究者们的深入研究和探讨，以推动我国高分子材料产业的进一步发展。