材料是現(xiàn)代文明和技術(shù)進步的基石，高強度、高模量、耐高溫、耐沖擊、耐極端服役條件等高性能新型高分子材料的開發(fā)與應(yīng)用不僅能解決現(xiàn)階段高分子材料所面臨的問題，也將積極地推動高分子材料向智能化、精細化、功能化方向發(fā)展。

高分子材料加工成型是一個外場作用下的形變過程，制造技術(shù)與裝備在很大程度上決定了最終材料與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能。瞿金平院士團隊經(jīng)過多年的創(chuàng)新與實踐，率先提出了基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法，實現(xiàn)了高分子材料加工成型原理和方法由“剪切形變”到“拉伸形變”的變革，在多方面具有獨特優(yōu)勢。

瞿金平院士、吳婷在2020年《科技導報》第14期刊發(fā)了《體積拉伸流變塑化輸運技術(shù)助力材料創(chuàng)新發(fā)展》一文，文章重點介紹了體積拉伸流變支配的偏心轉(zhuǎn)子塑化輸運裝置的結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)特點，探討了該技術(shù)在通用材料自增強加工和特種材料高效加工上的優(yōu)勢。

01

體積拉伸流變塑化輸運技術(shù)

體積拉伸流變塑化輸運技術(shù)突破了百年來高分子材料加工成型設(shè)備以“螺桿”為標志的發(fā)展模式，可以有效降低高分子材料加工能耗，解決多種難加工甚至不能加工物料的加工瓶頸問題，提高材料及產(chǎn)品性能，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益，推動高分子材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展。

聚合物塑化輸運原理創(chuàng)新

圖1 剪切流場(a)和拉伸流場(b)塑化輸運機理

圖1（a）描述了剪切形變支配的螺桿塑化輸運機理；圖1（b）描述了拉伸流場中的塑化輸運機理，物料在體積拉伸流場中會產(chǎn)生體積拉伸形變。

體積拉伸流變成型加工方法

瞿金平院士團隊經(jīng)過多年理論和實踐研究，在葉片塑化輸運裝置的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了基于體積拉伸流變的偏心轉(zhuǎn)子塑化輸運裝置（ERE），其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 偏心轉(zhuǎn)子塑化輸運裝置結(jié)構(gòu)示意

裝置主要由定子和置于定子內(nèi)腔中的偏心轉(zhuǎn)子組成。在輸運過程中，偏心轉(zhuǎn)子將定子內(nèi)腔的分為兩個腔室，當腔室體積增大時納入物料，當體積減小時，物料被向前輸送。物料被周期性壓縮與釋放，從而完成整個塑化輸運過程。

體積拉伸形變塑化輸運技術(shù)特點

1）正位移體積輸送特性。

裝置是通過嚙合運動產(chǎn)生強制性的容積輸送，避免了設(shè)備對高分子材料特性的依賴。

2）高效混合分散特性。

強拉伸流場有利于塑化輸運過程中的分散混合，并具有良好的強制增容效果。

3）短流程低能耗特性。

強化了物料之間的傳質(zhì)傳熱效果，輸運中物料停留時間短，熔體溫度分布均勻，能量利用率高。

02

通用材料自增強加工技術(shù)

在通用材料成型加工領(lǐng)域，雜化高分子材料多功能改性是提高本體聚合物綜合性能和拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的重要方法。

多組分塑料共混增容改性

瞿金平院士團隊開發(fā)了基于體積拉伸形變的多組分塑料體系高效共混增容改性關(guān)鍵技術(shù),強化雜化高分子材料各組分之間的界面相互作用，提高混合分散效果、減免昂貴低效的多級分煉過程、降低成本和能耗，實現(xiàn)雜化高分子材料的高效低成本合金化改性。

圖3 PLA仿骨結(jié)構(gòu)材料中平行（a）和垂直（b）于TNFs脆斷面刻蝕SME微觀結(jié)構(gòu)及綜合力學性能（c）

基于體積拉伸流場的偏心轉(zhuǎn)子塑化輸運裝置在工業(yè)規(guī)模上制備了PLA仿骨結(jié)構(gòu)材料（圖3）。

該材料具有獨特的多層次結(jié)構(gòu)，其中互鎖互聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和伸直鏈的片晶強化了材料的強度和模量。因此該材料具有超韌性、高模量、高強度和優(yōu)異的抗熱變形能力,其在結(jié)構(gòu)和生物工程領(lǐng)域有巨大的潛在應(yīng)用，如人造骨骼和組織支架等。

有機無機雜化功能改性

瞿金平院士團隊開發(fā)了體積脈動作用誘導有機無機雜化功能改性關(guān)鍵技術(shù)。通過物料所占空間體積的不斷壓縮-釋放作用而產(chǎn)生爆破效應(yīng)，填料實現(xiàn)在樹脂基體中的高效分散，實現(xiàn)有機無機雜化高效功能改性。

研究發(fā)現(xiàn)體積拉伸形變作用支配的偏心轉(zhuǎn)子塑化輸運裝置制備聚合物納米復合體系具有顯著優(yōu)勢，其比剪切形變作用具有更好的混合分散效果。

圖4 雙螺桿與偏心轉(zhuǎn)子制備PP/OMMT納米復合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學性能

圖4對比分析了雙螺桿（TSE）與偏心轉(zhuǎn)子制備PP/OMMT納米復合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學性能，發(fā)現(xiàn)ERE制備的復合材料具有更好的插層和剝離效果，ERE制備復合材料的拉伸性能和沖擊性能也均明顯優(yōu)于TSE制備的復合材料。

熱塑性塑料纖維增強改性

瞿金平院士團隊開發(fā)了基于系列爆 炸效應(yīng)的纖維增強改性熱塑性塑料關(guān)鍵技術(shù)。通過將小體積壓縮單元與大體積釋放單元交替設(shè)置，使復合材料的體積在軸向和徑向呈交替周期性變化，產(chǎn)生壓力差而引發(fā)爆 炸效應(yīng)。

這強化了纖維增強熱塑性復合材料的混合分散效果并最大限度地保留了纖維長度。

研究分析了雙軸偏心轉(zhuǎn)子與雙螺桿塑化輸運裝置制備的尼龍6（PA6）/玻纖（GF）復合材料中玻纖的保留長度及其制品的服役性能。

結(jié)果表明，雙軸偏心轉(zhuǎn)子加工的平均保留長度更長，且沖擊性能和耐疲勞能力均明顯優(yōu)于雙螺桿加工的復合材料（圖5）。

圖5 雙螺桿和雙軸偏心轉(zhuǎn)子加工PA6/GF復合材料的玻纖保留長度（a，b）、沖擊性能（c）和疲勞性能對比（d）

03

特種材料高效加工技術(shù)

特種高分子材料的高效率、短流程、低能耗加工是推動高性能和功能高分子材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵所在。

難熔難加工材料高速成型

傳統(tǒng)剪切形變技術(shù)難以實現(xiàn)難熔難加工材料的高效輸送和成型。

偏心轉(zhuǎn)子塑化輸運裝置的體積壓縮釋放效應(yīng)能夠強制輸送難熔難加工材料的固體粒子及其高彈態(tài)熔體，能強化難熔難加工材料熔融塑化過程的傳質(zhì)傳熱效果，縮短物料停留時間，實現(xiàn)難熔難加工材料的高速成型加工。

瞿金平院士團隊自主研制的超高分子量聚乙烯管材動態(tài)軋制成型設(shè)備，成功實現(xiàn)了純UHMWPE管材的高效、穩(wěn)定成型加工（圖6），實現(xiàn)了UHMWPE管材超高的生產(chǎn)效率和極高的生產(chǎn)速度。

圖6 拉伸流場主導的UHMWPE管材擠出成型現(xiàn)場實驗（a）及不同轉(zhuǎn)速下UHMWPE管材的輸出產(chǎn)量和線速度（b）

極端流變行為材料熔融改性

具有極端流變行為的高分子材料指在加工過程中，表現(xiàn)出極高黏度或黏度變化極大的樹脂。

這類材料通常具有優(yōu)異的性能，卻由于成型條件苛刻、加工周期長等問題，限制其大規(guī)模應(yīng)用。通過熔融改性可以提高其加工流動性和成型加工效率，并達到增韌、增強、提高耐熱以及抗磨損等性能的目的。

高密度聚乙烯（HDPE）與UHMWPE之間的黏度差異很大，很難獲得充分混合的共混物。

瞿金平院士團隊利用偏心轉(zhuǎn)子塑化輸運裝置短流程、高效率地制備了不同配比的UHMWPE/HDPE體系，并研究了不同含量UHMWPE對體系結(jié)構(gòu)和性能的影響。

研究發(fā)現(xiàn)：當UHMWPE含量增加時，樣品的可變形性得到明顯增強，與樣品韌性的增加相對應(yīng)（圖7），這歸功于體積拉伸流變主導作用下UHMWPE分子量保持及其在基體中的良好分散。

圖7 不同UHMWPE含量下UHMWPE/HDPE體系的沖擊斷面形貌、沖擊強度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線

04

結(jié)論

基于拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法的提出，實現(xiàn)了高分子材料加工成型原理和方法由“剪切形變”到“拉伸形變”的變革，具有熱機械歷程短、能量損耗低、物料適應(yīng)性廣、混合分散效果好等優(yōu)異特性，在多方面具有獨特優(yōu)勢。

體積拉伸流變塑化輸運技術(shù)的推廣和應(yīng)用將有利于提高中國高分子材料成型加工技術(shù)及裝備的整體水平，推動高性能新型高分子材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程。

本文作者：瞿金平、吳婷

作者簡介：瞿金平，中國工程院院士，教授，研究方向為高分子材料綠色先進加工成型技術(shù)及裝備。