塑料改性前沿技术

塑料改性前沿技术

在 20 世纪 90 年代，改性材料首次亮相。历经 30 年的持续发展，其如今已具备诸多优势，例如能够实现以塑代钢、代铜、代木、代塑以及以轻代重等，进而被广泛应用于家电、汽车、高铁、地铁、航天、船舶、办公设备、通信设备、机械建筑等众多行业领域。

依据国家统计局的数据，截至 2020 年，中国对改性塑料的需求量达到了 2250 万 t，改性化率也攀升至 21.7%。其中，在家电领域的应用比例高达 34%，在汽车领域的应用比例占据 19%，而在其他领域则占比 47%。到 2022 年底，中国改性塑料的产量达到 2884 万 t ，总产值更是超过 4152 亿元，我国已然逐渐成为世界上最大的改性塑料需求市场以及增长动力来源。

改性塑料已然成为我国石油化工高分子材料领域的战略性新兴产业，同时也是研究热点。所以，深入研究塑料改性的原理、设备与工艺、原材料、配方、关键制备技术难点以及应用等方面，对于推动整个塑料产业的发展而言，具有极为重要的意义。

1、塑料改性技术及特点

塑料改性技术，是指在将高分子树脂加工成为塑料制品的过程中，通过填充、增强、共混等物理改性手段，嵌段共聚、辐射交联等化学改性方式，或者发泡、拉伸及复合等其他改性方法，从而获取预期新材料的技术。借助此技术，塑料的阻燃、导热、力学、耐磨、电磁屏蔽等性能得到了显著提升。不过，这也会在一定程度上致使原本塑料的某些性质和特点有所下降，比如绝缘性能、耐腐蚀度、光泽度等方面会出现下降的情况。但技术人员可以通过采用合适的配方以及相应措施，来尽量减少这些性能的负面变化。

2、塑料改性成型技术关键　
聚合物改性，是把基体树脂和各类改性助剂，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。

在改性成型的过程中，配方设计和制备工艺这两个方面尤为关键。前者主要涵盖基本树脂母粒和改性剂的形态、用量以及搭配的选取原则；后者则包括合理确定改性工艺流程，恰当选择成型设备，以及对塑料颗粒进行干燥处理。这两方面都能够在很大程度上避免交联或降解现象的发生，从而有效提升制品的性能和质量。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的基础上，对改性塑料的内外部结构展开检测评估，以此来确保产品质量过关、使用安全可靠、性能稳定，进而对生产工艺进行改进，延长产品的使用寿命。

2.1 塑料改性配方要点

2.1.1 基体树脂的选择：在选择树脂时，要挑选与耐磨、耐热等性能最为契合的品种和品牌；各种树脂材料的黏度应尽量接近，以确保具备良好的流动性；此外，不同的生产方式以及改性需求，对流动性的要求也各不相同。

2.1.2 助剂的选择：助剂的选择原则需做到协同作用良好、无对抗作用、具备可加工性、符合环保要求、经济实惠，并且负面影响小甚至无负面影响。

助剂的形态对改性效果有着较大的影响。例如，纤维状助剂的增强效果较为出色，圆球状助剂则在增韧效果、流动性以及光泽度方面表现突出；助剂的粒度越小，其力学性能、着色力、导电性就越好，但单分散性会降低。因此，需要综合考量助剂的形态，以此来确定助剂的添加量以及表面处理方式。

2.2 塑料改性工艺技术要点

2.2.1 干燥处理　　
塑料颗粒中含有的水分和易挥发低分子化合物，在高温成型过程中容易引发交联或降解现象，进而导致产品出现银纹、气泡等缺陷，严重影响产品质量。所以，需要对塑料进行预热和干燥处理。

干燥的温度、时间以及料层的薄厚等因素，都会对干燥效果产生影响。在实际生产过程中，应依据塑料的亲水性能、熔点、露点、湿度、导热性以及生产批量等情况，来确定采用直接式或间接式干燥法，将这两种方法结合使用，往往是进行干燥的有效方式。

2.2.2 螺杆组合和加料技术　　
在改性塑料成型设备中，螺杆的结构形式是成型的核心部件。成型周期由加料、熔融、共混和排气等工艺阶段构成。由于物料、配方、性能、成型工艺以及工艺阶段各不相同，所以需要不同的螺杆结构和局部结构组合形式来满足生产需求，这就需要进行系统研究，并通过工程实践加以验证。

2.2.3 填料表面处理技术　　
在塑料改性过程中，通常需要添加各种极性无机填料，然而这些填料与极性极小的有机材料之间的相容性较差。因此，要通过粉体插层、机械力和化学包覆等改性方法，来提高它们之间的相容性，从而获得性能优良的制品。

2.2.4 色差和尺寸外观控制技术　　利用计算机等科学仪器与操作人员的经验相结合的方式进行着色剂配色，检测白度和黑点，并运用过滤杂质技术等，以此获得色彩丰富、品质优良的制品。

3、塑料改性和无损检测技术及其应用　
步入 21 世纪，实现人与自然的和谐共处，已然成为全人类共同面临的重要课题。随着科技创新的不断推进以及发展方式的变革，各行业都朝着绿色、节能、环保、可回收、可循环再利用的方向迈进，高性能材料改性技术也不断涌现。

3.1 石墨烯改性技术
石墨烯是由诺贝尔物理学奖获得者 AndreGeim 和 KonstantinNovoselov 从石墨中提取制备而来的。它是由碳原子单层片状组成的二维碳素晶体新材料，是迄今为止发现的最薄材料，厚度大约为 0.335nm。通过石墨烯改性技术所得到的高分子塑料，具备更优异的性能，如高耐热、抗耐蚀、高硬度、阻隔性、高力学和电学性能等。一些学者已经针对石墨烯改性塑料的加工方法、性能以及无损检测等方面展开了深入研究。

此外，也有学者指出，石墨烯改性技术仍存在诸多难题亟待解决，例如片层褶皱、堆叠、团聚的可控性问题，以及良好的相容性和高品质、低成本的实现等问题。
Kamboj,Saurabh 等学者对石墨烯技术的最新研究成果进行了系统综述，其中包括石墨烯基复合材料的制备方法，以及在光催化剂、超级电容器和锂离子电池中的开发应用情况。

当石墨烯形成复合物之后，纳米金属氧化物材料的性能得到了显著提升，能够有效地降解废水中的有机污染物，并且在光催化领域得到了更为广泛的应用。石墨烯还被视为超级电容器的优良材料，这为在高性能电动汽车领域的开发应用提供了巨大的潜能。以石墨烯复合材料作为负极材料制成的锂离子电池，具有低自放电速率、高能量密度和良好的循环寿命。

石墨烯改性技术在储能、化学传感器、电子和健康医疗应用等领域，也引发了研究者们的浓厚兴趣。

3.2 碳纤维改性技术
碳纤维被誉为 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，可作为改性树脂基体的增强材料。热塑性增强材料具备可回收循环再利用、成型速度快、抗冲击、易修复等特点，在交通、轮船、航天和医用器材等领域展现出良好的应用前景。

由于碳纤维的品种不同，其强度、模量、界面黏结性能和综合性能也存在差异。碳纤维表面的活性官能团呈现出惰性和非极性，运用改性技术来增强其与树脂基体的黏结性，从而提高性能并拓展应用领域，已成为国内外研究工作的重点。

战奕凯，李刚等学者对国内外碳纤维表面改性技术进行了综述，将其分为化学方法和物理方法。

化学方法主要包括表面氧化法、接枝法等，这类方法具有反应速率快、效果显著的优点，能够增加表面粗糙度和微观特征，进而改善界面黏结力。不过，在化学方法改性过程中，容易使纤维内部结构受损，导致强度降低，这也是需要改进的难点所在。

物理方法涵盖涂层法和等离子处理法，该方法具有灵活、易控制、无污染等优点，但对生产设备的要求较高，并且无法从根本上提高其表面性能，在对表面性能要求较高的场合难以应用，这在一定程度上制约了该技术的发展。

3.3 改性塑料无损检测技术

由于制造工艺的复杂和不稳定，以及在役时环境变化等因素的影响，改性塑料容易产生分层、孔隙、纤维断裂、褶皱等不同类型的损伤，这会严重影响其力学性能。超声无损检测技术具有携带方便、操作简单以及检测效率高等优势，在产品设计、成品检测损伤、质量评价及寿命评估等领域得到了广泛应用。

杨红娟等学者对基于体波或导波的 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、损伤诊断成像算法进行了系统综述，以实现损伤形貌图像的获取。应根据被测样品的密度、厚度、弹性常数和换能器参数等，选择合适的无损检测方法，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展开研究展望。

4、改性塑料及其无损检测技术发展建议

(1) 不断完善改性塑料工业体系、标准体系和知识产权体系。

(2) 塑料改性的理论研究和工程实践应用研究应相互促进、共同提高。当前，改性材料的研究主要集中在理论和通用产品领域，而在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方面，还有待进一步加强。

进一步提高科研成果的知识产权转化率，增强其对实际生产的指导能力，加大对高性能改性剂、新材料和产品的研发与生产加工力度，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，推动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。

(3) 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，使无损检测设备更加便于携带、操作更加简便、准确度和效率更高。

5、结语
改性塑料的迅猛发展，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元化发展提供了强有力的技术支撑。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了更高的技术要求。因此，对塑料改性成型技术的研究，对于促进整个塑料产业的发展和转型升级具有积极而重要的意义。