第三節 工程塑料技術創新

一、簡介

21世紀是知識經濟的時代，科學技術的日新月異，使高新技術產品不斷涌現。同時，也使得市場競爭日趨激烈，其競爭的焦點主要體現在產品的技術含量和技術的創新能力上，工程塑料行業也是如此。工程樹脂合成工藝的技術創新程度決定了工程塑料原材料的技術含量，加工工藝和加工設備的創新能力決定了工程塑料及其制品的技術含量。這一技術含量的高低又決定了產品的市場競爭力。企業只有對工程塑料原材料、加工工藝與設備實施不斷的技術創新，突破其關鍵技術，引入和應用高新技術，才能立于不敗之地。可以說技術創新是工程塑料發展的永恒主題。

二、樹脂的技術創新

樹脂是工程塑料的主要原料。其性能的優劣決定了制品質量的高低。要制取高質量、高性能的樹脂，除了引用高新技術和高效催化技術外，樹脂改性技術仍是樹脂技術創新的最主要途徑。改性的目的是普遍提高樹脂的綜合性能并賦予樹脂新的功能特性。具體來說是，使通用塑料工程化，通用工程塑料和熱固性塑料高性能化、特種工程塑料適用化以及各類塑料功能化。所采用的改性方法主要包括ABC改性（A是合金化、B是摻混化、C是復合化）、納米改性和摻雜改性等。

（1）ABC改性 所謂ABC改性技術就是工程樹脂的合金化（Alloy）、摻混化（Blend）和復合化（Composite）技術。這是已應用多年的改性技術，其技術成熟，改性效果好，對提高工程樹脂的綜合性能和賦予其功能特性應用價值很高。可以相信，這仍是未來提高樹脂性能的非常有效的實用性技術。

合金化或摻混化改性的目的是通過聚合物的優化組合實現其性能的互補，以獲得單一材料所不能實現的有實用價值的新性能。合金化或摻混化所采用的技術是共混接枝、嵌段、互穿網絡（IPN）、原位復合和反應增容技術等。

復合化技術又稱增強技術，主要是提高工程塑料的強度與剛性，使之滿足工程結構的使用要求。眾所周知，樹脂本身的剛性與強度是有限的。其剛性與強度主要來自于增強材料，特別是纖維材料含量的高低決定了工程塑料與制品的性能水平。而新型的連續纖維增強、長纖維增強、混雜纖維增強、多向編織物增強、預成型物等技術是進一步提高工程塑料與制品性能行之有效的方法。可以說，選擇高性能纖維（如S-2玻璃纖維、碳纖維、芳綸、超拉伸聚乙烯纖維、陶瓷纖維和金屬纖維等），采用合適的增強方法，控制好樹脂與增強材料的界面關系就可制備出滿足工程塑料結構使用要求的制品，甚至可制造出高性能復合化結構或高性能多功能結構的制品。

（2）納米改性 納米改性技術是利用處于納米級物質的小尺寸效應、表面和界面效應、體積效應和宏觀量子隧道效應等原理，在與樹脂體系摻混或復合后，可使樹脂性能發生突變，在提高樹脂綜合性能的同時，還可賦予樹脂奇特的功能特性。已商品化的某些納米改性塑料充分展示了這一效果。納米改性技術代表了材料科學發展的方向，是一種新技術，用其改性工程塑料可以獲得事半功倍的效果。可采用的改性方法有插層、共混、原位聚合、溶膠-凝膠、LB制膜和分子組裝等技術。

（3）摻雜改性 摻雜改性技術是早期用于半導體材料的制備技術，后來被用于開發那些采用熔融成型方法難以加工的聚合物（如聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩和聚吡咯等結構型導電塑料），是未來開發功能塑料的主要技術。這一技術除具有分子設計的特點外，通過摻雜處理可在難加工聚合物中引入一價對陰離子（這稱為P型摻雜），或引入一價對陽離子（這稱為N型摻雜），摻雜后的聚合物可保持樹脂的分子結構、加工特性和形變行為等特性，也就是說摻雜后的聚合物具有高分子鏈結構和與鏈非鍵合的一價陰離子或陽離子的共同特點，并具有高分子材料的設計結構的多元化、易加工和輕質等特點。其性能特別是電導率會發生突變。以聚乙炔為例，其電導率可從未摻雜前的10-10S/cm提高12個數量級，達到2×103S/cm。聚乙炔是未來二次電池、發光二極管、光學元件、非線性光學元器件、智能窗、人工肌肉、高級功能膜和隱身材料的高性能原材料。

三、配方創新

（1）配方創新的重要性 工程塑料配方是在充分了解制品性能要求、原材料（包括樹脂和助劑的性能、價格、配伍性）和成型工藝條件的基礎上，將樹脂與助劑按一定比例配合在一起的技術。這是工程塑料研究和制造中十分重要的環節。這是因為配方的好壞、助劑的選擇適當與否都會直接影響工程塑料及其制品的性能和使用，影響制品的生產和價格以及市場競爭力。不同的樹脂與助劑可以制造出用途不同的工程塑料與制品，通過對樹脂與助劑的優化設計，可以制成強度和硬度類似金屬的結構材料、透明性與玻璃一樣的透明材料、軟似橡膠一樣的彈性體材料、具有獨特功能的耐高溫材料、耐磨材料、導電材料和導磁材料等。此外，還要掌握樹脂和助劑的配伍性，通過幾種材料的并用取得協同效果，優化組合，也可通過優選法、正交試驗法取得最佳效果。

為實現這一目標，也必須采用高新技術（如計算機輔助專家系統和計算機仿真評價系統等）并對原材料進行有效選擇和改性。

（2）計算機輔助設計專家系統 運用計算機輔助設計專家系統進行推理、優選、決策，可使選材命中率達99%，是目前較先進且可靠的方法。專家系統是一個智能程序系統，它能利用專家的知識及方法解決所遇到的問題。但一般企業不可能開發此類軟件，只能購買現有支撐軟件，并在此基礎上進行必要的二次開發形成自己的應用軟件。支撐軟件的選擇非常關鍵。可喜的是這種軟件已國產化，其技術已逐漸形成并開始應用。

（3）計算機仿真評價系統 該技術也是依賴于特定的支撐軟件，并通過二次開發設置成符合本單位或本專業的應用軟件。通過計算機條件假設、推理、優化組合仿制成幾種配方，仿制成制品再進行制品檢驗，選擇出一組或幾組最佳配方或對配方做出評價。這是一種工程塑料制品的模擬制造程序。在配方設計中應用可大幅度降低成本，提高效率。

（4）對原材的有效選擇與改性 工程塑料配方設計與日用塑料截然不同，它對剛性和強度要求高，制品的應用環境比較惡劣。一般均為增強塑料或填充塑料。這就涉及對樹脂、增強材料、填料和助劑的選擇。一般說來，工程塑料與制品要選用改性樹脂，如工程化改性或納米改性的通用樹脂和通用工程樹脂，以及特種工程樹脂合金等。而增強材料則選用高性能纖維（如S-2玻璃纖維、芳綸、碳纖維、超拉伸聚乙烯纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等），其增強方式要采用連續增強、長纖維增強、混雜增強或制成預成型物和預浸料等方法；而填料的選用最好選用納米填料對樹脂進行改性，會使制品綜合性能顯著提高。

配方設計與確定是工程塑料與制品制備成功與否的前提，是十分重要的環節。本書除論述配方設計的理論外，還將結合各具體品種或產品給出優選配方，供讀者選用。

四、工藝技術創新

（1）合成工藝的創新 國外工程塑料的生產工藝已達到很高的水平，也很成熟，但仍高度重視應用新技術和新的原料路線、改造傳統工藝，并不斷取得成效。例如，非光氣酯交換法PC生產工藝的開發及產業化，是以甲醇、一氧化碳和氧氣為原料，經羰基合成得到的碳酸二甲酯與苯酚進行酯交換反應生成碳酸二苯酯，再與雙酚A反應得到聚碳酸酯。這條路線革除了劇毒的光氣，實現了“清潔生產工藝”，產品質量上了一個新臺階，加速了PC進入光媒體的進程，迎來更廣闊的應用領域。巴斯夫公司以丁二烯代替芳族為原料開發出制備尼龍66的單體己二酸的新工藝，減少了三廢，提高了效率。新開發的異亞胺化生產聚酰亞胺新工藝，提高了產品質量。當今工藝技術創新工作方興未艾，開展得十分活躍，一批正在開發的項目，如以雙酚A、一氧化碳和氧氣為原料，經催化氧化、羰基化反應，直接合成PC。巴斯夫公司與杜邦公司合作，進一步開發以天然氣和丁二烯為原料，合成己二胺的聯合生產工藝等，都取得了良好的進展，預計還會取得突破性進展。

（2）成型加工工藝的創新 盡管目前工程塑料制品成型加工工藝十分成熟，也比較完善，但為了市場競爭需求和研制高性能制品的需要，還是要對成型工藝技術進行創新。如在反應注射成型工藝問世不久，為了獲得其在制備工程結構件中的應用，很快研制出增強反應注射成型（RRIM）工藝，隨后又研制出結構反應注射成型（SRIM）工藝，又如最近出現的樹脂傳遞模塑（RTM）工藝。在不到三年的時間內，就先后出現了真空輔助RTM、共注射RTM、智能RTM等。為了制得高質量制品，又提高生產效率，國外將注射工藝與模壓工藝相組合，研制出注射-模壓工藝的纏繞-模壓成型工藝等。為制得無熔接痕的高強度工程塑料制品，國外研制出“推拉”成型工藝。為解決難熔聚合物基體中纖維含量不高的問題，而研制出“環化”成型工藝，即以低相對分子質量的聚合物浸漬纖維增強材料，浸漬后再進行反應環化處理，使聚合物恢復正常黏度再加工成型。利用這一工藝可使纖維含量（質量分數）高達80%以上。這些工藝的技術創新，為利用現有工藝制備高性能工程塑料與制品奠定了堅實的基礎。隨著高新技術在工程塑料加工中的應用，工藝技術必將會有更大的技術創新。

五、為保持工程塑料工業的持續發展而創新

全球環境危機的不斷增強推動了環保工作的社會化、全人類化。環保工作已成為樹立企業形象、企業競爭能力的重要體現。環保意識強的企業受到市場的大力支持，無污染的環境友好產品或稱綠色產品，受到消費者的青睞，獲得很好的市場占有率。環境保護工作與市場機制的日益緊密結合，是環保工作向深度發展的重要方向。

塑料制品是對環境有危害的產品，特別是日用塑料所造成的“白色污染”已受到各界的高度關注。盡管工程塑料與制品用量比日用塑料少，對環境所造成的危害也不如日用塑料大，但要保持工程塑料工業的持續發展，也必須進行技術創新，盡量減少或消除工程塑料與制品在加工和使用過程中對環境的危害。應進行的環保技術創新領域有：

（1）生產過程中的技術創新 實施“清潔生產”工程，避免生產過程的廢舊料存放、堆積，力爭做到對原材料和廢舊料的日回收利用。

（2）開展廢舊工程塑料的回收利用 應大力開發廢舊工程塑料制品的回收利用工作。目前采用的方法是：

1）廢舊塑料與新料混合再利用法。即按照一定的比例，將廢舊料與新料摻混改性后重新使用。

2）對無法再次熔融的熱固性塑料與制品，通過焚燒法抽取原體或燃料再次應用。

3）對那些無利用價值的廢舊料，作為燃料進行銷毀。

目前世界各國對廢舊塑料的回收處理制定了更為嚴格的規范，提出了更為嚴格的要求。然而，廢舊塑料的數量與日俱增，對環境形成了嚴峻挑戰，故而世界各國的塑料公司紛紛投巨資開發并建立廢舊塑料再生利用廠。DSM化學公司和Allised Signal公司聯合在美國建立了處理廢舊PA6地毯廢料9萬t的再生產回收裝置，每年可回收己內酰胺4.5萬t；BASF等公司聯合建裝置，采用氨甲醇和甲苯作為溶劑，經催化水解，獲得雙酚A和碳酸酯類。

“零垃圾”“零排放”“高的資源再生率”以及“生產環境友好產品”等將成為當今規范企業環保行為的共同要求。

（3）加快降解塑料的開發應用研究，盡快進入實用階段 提倡生產無污染、易回收、環境友好的高分子材料。為了消除產品使用過程的二次污染，各大公司紛紛開發可生物降解、易回收的工程塑料。美國Eastman化學公司推出的由己二酸和對苯二酸與1，4丁二醇合成的可生物降解的共聚酯已商品化；杜邦公司推出的可生物降解的改性PET商品名Biomax系列等，都取得了“同等優先”的地位，成為用戶首選的品牌。