第三节 工程塑料技术创新

一、简介

21世纪是知识经济的时代，科学技术的日新月异，使高新技术产品不断涌现。同时，也使得市场竞争日趋激烈，其竞争的焦点主要体现在产品的技术含量和技术的创新能力上，工程塑料行业也是如此。工程树脂合成工艺的技术创新程度决定了工程塑料原材料的技术含量，加工工艺和加工设备的创新能力决定了工程塑料及其制品的技术含量。这一技术含量的高低又决定了产品的市场竞争力。企业只有对工程塑料原材料、加工工艺与设备实施不断的技术创新，突破其关键技术，引入和应用高新技术，才能立于不败之地。可以说技术创新是工程塑料发展的永恒主题。

二、树脂的技术创新

树脂是工程塑料的主要原料。其性能的优劣决定了制品质量的高低。要制取高质量、高性能的树脂，除了引用高新技术和高效催化技术外，树脂改性技术仍是树脂技术创新的最主要途径。改性的目的是普遍提高树脂的综合性能并赋予树脂新的功能特性。具体来说是，使通用塑料工程化，通用工程塑料和热固性塑料高性能化、特种工程塑料适用化以及各类塑料功能化。所采用的改性方法主要包括ABC改性（A是合金化、B是掺混化、C是复合化）、纳米改性和掺杂改性等。

（1）ABC改性 所谓ABC改性技术就是工程树脂的合金化（Alloy）、掺混化（Blend）和复合化（Composite）技术。这是已应用多年的改性技术，其技术成熟，改性效果好，对提高工程树脂的综合性能和赋予其功能特性应用价值很高。可以相信，这仍是未来提高树脂性能的非常有效的实用性技术。

合金化或掺混化改性的目的是通过聚合物的优化组合实现其性能的互补，以获得单一材料所不能实现的有实用价值的新性能。合金化或掺混化所采用的技术是共混接枝、嵌段、互穿网络（IPN）、原位复合和反应增容技术等。

复合化技术又称增强技术，主要是提高工程塑料的强度与刚性，使之满足工程结构的使用要求。众所周知，树脂本身的刚性与强度是有限的。其刚性与强度主要来自于增强材料，特别是纤维材料含量的高低决定了工程塑料与制品的性能水平。而新型的连续纤维增强、长纤维增强、混杂纤维增强、多向编织物增强、预成型物等技术是进一步提高工程塑料与制品性能行之有效的方法。可以说，选择高性能纤维（如S-2玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超拉伸聚乙烯纤维、陶瓷纤维和金属纤维等），采用合适的增强方法，控制好树脂与增强材料的界面关系就可制备出满足工程塑料结构使用要求的制品，甚至可制造出高性能复合化结构或高性能多功能结构的制品。

（2）纳米改性 纳米改性技术是利用处于纳米级物质的小尺寸效应、表面和界面效应、体积效应和宏观量子隧道效应等原理，在与树脂体系掺混或复合后，可使树脂性能发生突变，在提高树脂综合性能的同时，还可赋予树脂奇特的功能特性。已商品化的某些纳米改性塑料充分展示了这一效果。纳米改性技术代表了材料科学发展的方向，是一种新技术，用其改性工程塑料可以获得事半功倍的效果。可采用的改性方法有插层、共混、原位聚合、溶胶-凝胶、LB制膜和分子组装等技术。

（3）掺杂改性 掺杂改性技术是早期用于半导体材料的制备技术，后来被用于开发那些采用熔融成型方法难以加工的聚合物（如聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩和聚吡咯等结构型导电塑料），是未来开发功能塑料的主要技术。这一技术除具有分子设计的特点外，通过掺杂处理可在难加工聚合物中引入一价对阴离子（这称为P型掺杂），或引入一价对阳离子（这称为N型掺杂），掺杂后的聚合物可保持树脂的分子结构、加工特性和形变行为等特性，也就是说掺杂后的聚合物具有高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子的共同特点，并具有高分子材料的设计结构的多元化、易加工和轻质等特点。其性能特别是电导率会发生突变。以聚乙炔为例，其电导率可从未掺杂前的10-10S/cm提高12个数量级，达到2×103S/cm。聚乙炔是未来二次电池、发光二极管、光学元件、非线性光学元器件、智能窗、人工肌肉、高级功能膜和隐身材料的高性能原材料。

三、配方创新

（1）配方创新的重要性 工程塑料配方是在充分了解制品性能要求、原材料（包括树脂和助剂的性能、价格、配伍性）和成型工艺条件的基础上，将树脂与助剂按一定比例配合在一起的技术。这是工程塑料研究和制造中十分重要的环节。这是因为配方的好坏、助剂的选择适当与否都会直接影响工程塑料及其制品的性能和使用，影响制品的生产和价格以及市场竞争力。不同的树脂与助剂可以制造出用途不同的工程塑料与制品，通过对树脂与助剂的优化设计，可以制成强度和硬度类似金属的结构材料、透明性与玻璃一样的透明材料、软似橡胶一样的弹性体材料、具有独特功能的耐高温材料、耐磨材料、导电材料和导磁材料等。此外，还要掌握树脂和助剂的配伍性，通过几种材料的并用取得协同效果，优化组合，也可通过优选法、正交试验法取得最佳效果。

为实现这一目标，也必须采用高新技术（如计算机辅助专家系统和计算机仿真评价系统等）并对原材料进行有效选择和改性。

（2）计算机辅助设计专家系统 运用计算机辅助设计专家系统进行推理、优选、决策，可使选材命中率达99%，是目前较先进且可靠的方法。专家系统是一个智能程序系统，它能利用专家的知识及方法解决所遇到的问题。但一般企业不可能开发此类软件，只能购买现有支撑软件，并在此基础上进行必要的二次开发形成自己的应用软件。支撑软件的选择非常关键。可喜的是这种软件已国产化，其技术已逐渐形成并开始应用。

（3）计算机仿真评价系统 该技术也是依赖于特定的支撑软件，并通过二次开发设置成符合本单位或本专业的应用软件。通过计算机条件假设、推理、优化组合仿制成几种配方，仿制成制品再进行制品检验，选择出一组或几组最佳配方或对配方做出评价。这是一种工程塑料制品的模拟制造程序。在配方设计中应用可大幅度降低成本，提高效率。

（4）对原材的有效选择与改性 工程塑料配方设计与日用塑料截然不同，它对刚性和强度要求高，制品的应用环境比较恶劣。一般均为增强塑料或填充塑料。这就涉及对树脂、增强材料、填料和助剂的选择。一般说来，工程塑料与制品要选用改性树脂，如工程化改性或纳米改性的通用树脂和通用工程树脂，以及特种工程树脂合金等。而增强材料则选用高性能纤维（如S-2玻璃纤维、芳纶、碳纤维、超拉伸聚乙烯纤维、陶瓷纤维、金属纤维等），其增强方式要采用连续增强、长纤维增强、混杂增强或制成预成型物和预浸料等方法；而填料的选用最好选用纳米填料对树脂进行改性，会使制品综合性能显著提高。

配方设计与确定是工程塑料与制品制备成功与否的前提，是十分重要的环节。本书除论述配方设计的理论外，还将结合各具体品种或产品给出优选配方，供读者选用。

四、工艺技术创新

（1）合成工艺的创新 国外工程塑料的生产工艺已达到很高的水平，也很成熟，但仍高度重视应用新技术和新的原料路线、改造传统工艺，并不断取得成效。例如，非光气酯交换法PC生产工艺的开发及产业化，是以甲醇、一氧化碳和氧气为原料，经羰基合成得到的碳酸二甲酯与苯酚进行酯交换反应生成碳酸二苯酯，再与双酚A反应得到聚碳酸酯。这条路线革除了剧毒的光气，实现了“清洁生产工艺”，产品质量上了一个新台阶，加速了PC进入光媒体的进程，迎来更广阔的应用领域。巴斯夫公司以丁二烯代替芳族为原料开发出制备尼龙66的单体己二酸的新工艺，减少了三废，提高了效率。新开发的异亚胺化生产聚酰亚胺新工艺，提高了产品质量。当今工艺技术创新工作方兴未艾，开展得十分活跃，一批正在开发的项目，如以双酚A、一氧化碳和氧气为原料，经催化氧化、羰基化反应，直接合成PC。巴斯夫公司与杜邦公司合作，进一步开发以天然气和丁二烯为原料，合成己二胺的联合生产工艺等，都取得了良好的进展，预计还会取得突破性进展。

（2）成型加工工艺的创新 尽管目前工程塑料制品成型加工工艺十分成熟，也比较完善，但为了市场竞争需求和研制高性能制品的需要，还是要对成型工艺技术进行创新。如在反应注射成型工艺问世不久，为了获得其在制备工程结构件中的应用，很快研制出增强反应注射成型（RRIM）工艺，随后又研制出结构反应注射成型（SRIM）工艺，又如最近出现的树脂传递模塑（RTM）工艺。在不到三年的时间内，就先后出现了真空辅助RTM、共注射RTM、智能RTM等。为了制得高质量制品，又提高生产效率，国外将注射工艺与模压工艺相组合，研制出注射-模压工艺的缠绕-模压成型工艺等。为制得无熔接痕的高强度工程塑料制品，国外研制出“推拉”成型工艺。为解决难熔聚合物基体中纤维含量不高的问题，而研制出“环化”成型工艺，即以低相对分子质量的聚合物浸渍纤维增强材料，浸渍后再进行反应环化处理，使聚合物恢复正常黏度再加工成型。利用这一工艺可使纤维含量（质量分数）高达80%以上。这些工艺的技术创新，为利用现有工艺制备高性能工程塑料与制品奠定了坚实的基础。随着高新技术在工程塑料加工中的应用，工艺技术必将会有更大的技术创新。

五、为保持工程塑料工业的持续发展而创新

全球环境危机的不断增强推动了环保工作的社会化、全人类化。环保工作已成为树立企业形象、企业竞争能力的重要体现。环保意识强的企业受到市场的大力支持，无污染的环境友好产品或称绿色产品，受到消费者的青睐，获得很好的市场占有率。环境保护工作与市场机制的日益紧密结合，是环保工作向深度发展的重要方向。

塑料制品是对环境有危害的产品，特别是日用塑料所造成的“白色污染”已受到各界的高度关注。尽管工程塑料与制品用量比日用塑料少，对环境所造成的危害也不如日用塑料大，但要保持工程塑料工业的持续发展，也必须进行技术创新，尽量减少或消除工程塑料与制品在加工和使用过程中对环境的危害。应进行的环保技术创新领域有：

（1）生产过程中的技术创新 实施“清洁生产”工程，避免生产过程的废旧料存放、堆积，力争做到对原材料和废旧料的日回收利用。

（2）开展废旧工程塑料的回收利用 应大力开发废旧工程塑料制品的回收利用工作。目前采用的方法是：

1）废旧塑料与新料混合再利用法。即按照一定的比例，将废旧料与新料掺混改性后重新使用。

2）对无法再次熔融的热固性塑料与制品，通过焚烧法抽取原体或燃料再次应用。

3）对那些无利用价值的废旧料，作为燃料进行销毁。

目前世界各国对废旧塑料的回收处理制定了更为严格的规范，提出了更为严格的要求。然而，废旧塑料的数量与日俱增，对环境形成了严峻挑战，故而世界各国的塑料公司纷纷投巨资开发并建立废旧塑料再生利用厂。DSM化学公司和Allised Signal公司联合在美国建立了处理废旧PA6地毯废料9万t的再生产回收装置，每年可回收己内酰胺4.5万t；BASF等公司联合建装置，采用氨甲醇和甲苯作为溶剂，经催化水解，获得双酚A和碳酸酯类。

“零垃圾”“零排放”“高的资源再生率”以及“生产环境友好产品”等将成为当今规范企业环保行为的共同要求。

（3）加快降解塑料的开发应用研究，尽快进入实用阶段 提倡生产无污染、易回收、环境友好的高分子材料。为了消除产品使用过程的二次污染，各大公司纷纷开发可生物降解、易回收的工程塑料。美国Eastman化学公司推出的由己二酸和对苯二酸与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“同等优先”的地位，成为用户首选的品牌。