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高分子材料论文

发布时间:2022-05-29 04:12:31

高分子材料论文

高分子材料论文:高分子材料课程设计论文

1课程设计题目选取

课程设计选题合理与否,是课程设计改革的重要环节,应注意课题的综合性、实用性及层次性[2]。课程设计环节中增加高分子材料改性及工艺探索的题目,目的在于加深学生对《高分子材料成型工艺学》、《聚合物改性原理及方法》等课程知识的理解,提高其理论联系实际和灵活运用知识的能力。选择合适的题目是保证学生如期完成课程设计的前提。课程设计环节比毕业设计环节少了8周的时间,因此课程设计选题应“小而精”,难度应明显低于毕业设计题目。如果选取完全没有研究基础的题目,学生前期探索实验会花费过多时间,不利于课程设计顺利进行。基于以上原因,笔者在以往毕业设计题目的基础上进行延伸,确定了课程设计相关题目。例如往届学生曾做过“硅橡胶阻燃材料性能研究”的毕业设计题目,对于硅橡胶混炼及硫化工艺积累了一定的经验数据,而硅橡胶材料力学性能指标还不尽如人意,需要进一步改进配方。可以在此基础上引出两个课程设计题目:“硫化剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”、“结构控制剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”,并由两个学生分别完成以上题目。由于有前人的基础,学生在实验过程中没有重复探索相关工艺参数,实验直接切入主题,有利于在有限的时间内完成课程设计。此外,两个课程设计题目虽各有侧重,但主要原材料及成型工艺都相同,故两个学生可共用一套成型设备,大大节约了设备预热及清理时间。将学生按相近课题组成互助小组,不仅提供设备利用率,也有利于学生在遇到问题时,相互讨论,相互促进[3]。

2实验人员安排

我校高分子材料与工程专业每年招生人数为80人,现有实验室设备条件尚不能满足全部学生同时开展材料改性及工艺制定等实践内容。因此,合理安排课程设计环节进行材料改性及工艺制定的学生人数,是如期完成课程设计内容的必要保证。按照人才培养方案,本专业课程设计安排在第四学年秋季学期最后4周进行。此时学生的专业课程学习已全部完成,学生对于自己的就业去向也有了初步规划。可以结合学生的就业意愿安排其课程设计内容。对于工作单位已落实为材料改性或工艺制定岗位的学生,可以优先安排其在课程设计阶段进入相关实训。课程设计内容与学生就业去向密切相关,可以充分调动学生的积极性,自觉参与到课程设计的各个环节。在本次课程设计改革试点工作中,2010级的一名学生对于硅橡胶材料配方优化题目很感兴趣,原因就是与其签约的工作单位主要生产硅橡胶产品。这名学生在课程设计过程中充分发挥了自身的主观能动性,在实验遇到问题时没有被动等待老师的安排,而是通过多方搜集资料以及与指导老师讨论等方式积极寻求解决问题的有效途径。学生在课程设计阶段提前进入“工作状态”,为学生更快适应企业工作节奏和工作思路奠定基础。

3实验进度安排及突发情况处理

课程设计时间只有4周。以往安排学生绘制模具图,主要按照塑件图测绘(1周)—装配图设计及绘制(1周)—零件图绘制(1周)—说明书撰写(1周)来安排进度。模具设计过程中基本不存在突发因素,设计进度容易控制。如果在课程设计中安排材料改性、工艺制定等内容,则可能由于设备故障、原料采购不及时或其他因素影响实验进度,导致学生无法如期完成课程设计[1]。为此,课程设计指导老师需要提前做好原料及实验设备的准备、检查工作,并做好应急预案。在本次课程设计改革试点工作中,主要按照资料收集、初定方案、实验验证的思路安排进度。仍然以“硫化剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”、“结构控制剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”这两个课程设计题目为例:第1周进行资料搜集并初定两种硫化剂(结构控制剂)备选;第2周进行硫化剂(结构控制剂)种类筛选;第3周确定硫化剂(结构控制剂)最佳用量;第4周整理数据并撰写课程设计小论文。从实际试点情况看来,学生在4周内完成材料改性等课程设计题目是基本可行的,所有参与试点的学生都如期完成了课程设计预定内容并按期提交了课程设计论文。在试点工作中,也出现了一些突发情况。在实验进行过程中,个别设备由于电压不稳导致温控器失灵而维修了几天,耽误了进度。但由于参与试点的学生们积极性及配合度较高,在第1周仅花了3天时间就提前完成了资料收集及方案的初步确定。在设备维修期间,指导教师及时调整进度,让学生把实验数据整理及课程论文框架构建与实验同步进行,大大缩短了后期课程论文撰写的时间,从而保证了课程设计如期完成。

4结语

通过课程设计阶段小范围试点发现,在4周课程设计时间内,可以安排学生进行配方设计及工艺制定的相关实训。不仅提高了现有设备的利用率,也使学生动手能力得到多方面训练,从而使学生所学知识更贴近企业需求。当然,为了保证学生如期完成课程设计,指导教师应在课题选取、实验进度安排等方面多下功夫,也应针对实验过程中可能出现的突发情况做好应急预案,不断总结经验,使课程设计方案尽可能完善。

作者:盛旭敏 单位:重庆理工大学材料科学与工程学院

高分子材料论文:高分子材料教学设计论文

1创新型实验开展的必要性

相比基础性实验,综合性实验的设置和开展对学生各课程知识的掌握在广度和深度上均提出了更高的要求,也使得学生能够对分属于不同课程的知识点有了更为深刻的认识,通过相互对比和验证,有助于专业知识的全面掌握和理解。但鉴于实验开展仍然遵循着学生预习、老师讲授、动手操作和课后交报告的传统模式,虽然实验指导老师针对实验可以设计不同的反应历程,让不同组别的学生获得迥异的结果,但实验结论的预测性很强,一些意外问题的发生也会在指导教师的预料之中,并能够很快给出解决方案,这对于提升学生在主观能动学习能力的效果很有限。另外,本校开展的高分子实验在内容的编排上还存在着较为明显的学科界限,还不能完全融合高分子化学、高分子物理和高分子成型加工原理等课程内容,因此很有必要开设具有创新型的研究型实验课程。

2实验开设时机

鉴于此类研究型实验的开展往往需要比较集中的时间段,高分子材料教研室经过多次商讨,确定本实验的学时为90学时(30学时/周×3周),将主要的实验内容集中安排在大四上学期的最后3周内完成。此时,一方面学生已经完成了所有的理论课程的学生和各类基础实验的训练,为本实验的开展提供了先决条件;其次,在此时间段有关校园招聘活动也会告一段落,可以保证学生有充足的时间和精力完成实验;最后,此次实验训练也为下一学期的本科毕业设计(论文)的开展提供一次很好的预演,能够有效地消除学生对毕业设计(论文)的恐慌和迷茫心理。

3实验内容的优化设计

根据王新平等[5]的观点,创新型实验必须具有实验结果的不确定性和探索性、实验设计程序的自主性和开放性,以及实验过程的可行性和可操纵性等基本要素。因而,这类实验的开展必然会对实验人员(包括指导教师和学生)、实验设备和场地等诸多方面提出了更高的要求。根据创新型实验内容设计的三点原则[5]和本专业教研室老师的科研情况,教研室选择了“导电性高分子材料的制备及其应用”这一开放性较强的实验。通过多方面的探讨和论证,我们尝试设计了一个以掺杂聚苯胺的合成、表征及其在聚丙烯和天然橡胶中的应用为主线的研究型实验,实验内容和所需基本学时安排如下:(1)学生分组,布置实验的侧重方向(一组在聚丙烯中的应用,一组在天然橡胶中的应用),安排相关文献的查询和阅读,着重了解聚苯胺的特性和合成方法、聚丙烯和天然橡胶的性能和加工特性,温习有关设备的操作和安全注意事项(30学时)。(2)根据分组,学生在老师的指导下搭建实验平台,进行聚苯胺的合成,分别采用化学氧化聚合法、乳液聚合法、微乳液聚合法和分散聚合法制得一系列经过质子酸或无机酸掺杂改性的聚苯胺,经纯化干燥后备用(30学时)。(3)用高阻计测试聚苯胺的电导率,X射线衍射仪分析产物的物相结构,红外光谱仪观察产物的特征官能团,并在扫描电镜下观察产物的形貌,并比较不同组别间所得聚苯胺产物在性能和外观上的异同(15学时)。(4)各组同学在制得合格的聚苯胺后,按照预先选定的应用方向,分别添加到聚丙烯或天然橡胶中制成复合材料,前者在双螺杆挤出机中完成,而后者在双辊开炼机和平板硫化机中进行。(30学时)(5)将所得复合材料进行标准化制样后,分别用万能电子试验机、摆锤式冲击试验机和高阻计测试复合材料的拉伸性能、冲击韧性和电导率随聚苯胺添加量的变化规律并记录实验结果;用扫描电镜观察复合材料断面形貌,分析破坏机制,探讨材料的强度和韧性变化的机理(15学时)。(6)学生整理数据,并撰写实验报告。报告要求参照本科毕业论文的模板和格式,须包括引言、实验过程、结果与讨论、结论和参考文献等主要部分(30学时)。其中(1)和(6)要求学生利用课余时间分别在实验周的前后一周内完成,不占用实验周的学时。在整个实验进行过程中,如因出现不可抗力或意外情况导致实验进展不顺利,可通过与实验室管理人员协调,利用周六和周日的时间进行弥补,以保证学生有充足的实验时间。通过这样一个研究型实验的设计和内容编排,不但使学生能够将有机化学、高分子化学、高分子物理、高分子成型加工原理以及材料现代测试与分析技术等课程中散落的知识点进行有机串联,还同时大大增强了学生对高分子材料从合成、表征到应用的整体认识。在实验过程出现不可预料的事件时,合理引导学生利用理论知识去分析问题,并通过查找资料寻求解决问题的方法,有力地推动了学生在理论知识和实践应用方面的融会贯通,极大地提升了学生的主观能动性。

4实验课程考核

本实验的考核采用过程管理与结果考核并用的模式,主要分为以下三个方面:(1)学生实验表现(40%):指导教师观察并记录学生在实验中的表现,包括实验时间的合理安排、实验平台的正确搭建、实验药品和原料的适用和管理,以及意外情况出现时的应对措施等。(2)综合报告撰写(40%):要求每一位学生在查阅文献和整理资料的基础上,独立分析实验数据,撰写一份符合要求的实验报告。(3)教师提问考核(20%):学生提交报告期间,指导教师根据报告内容进行提问,考核学生对实验过程和报告内容的熟悉程度,同时考察学生在实验数据分析中的逻辑性,进一步深化学生对实验的印象,达到初步培养学生科研素质的目的。

5结语与展望

创新型实验的设置和开展是实验教学改革中最为重要的环节之一。虽然我校高分子材料与工程专业在此方面进行了初步尝试,但还有大量的工作亟待深入和细化研究。如,如何协同学生人数多与实验设备少之间的矛盾;在非工作日如何加强学生在实验室的安全管理工作;如何通过学生的反馈来改善和优化实验内容,进而提高实验教学的质量;如有可能的话,应在现有工作的基础上,设计更多具有前瞻性、创新型且兼具可行性的创新型实验,以达到满足学生自主选题的需要等。这些问题对实验室管理人员和指导教师提出了更高的要求,需要在后续的工作中进一步加以完善和提高。

作者:杨继年丁国新陶玉仑王周锋高俊珊王艳丽王媛媛滕艳华张宏艳王静单位:安徽理工大学材料科学与工程学院

高分子材料论文:高分子材料成型加工研究论文

一、高分子材料成型加工技术发展概况

近50年来,高分子合成工业取得了很大的进展。例如,造粒用挤出机的结构有了很大的改进,产量有了极大的提高。20世纪60年代主要采用单螺杆挤出机造粒,产量约为3t/h;70年代至80年代中期,采用连续混炼机+单螺杆挤出机造粒,产量约为10t/h;80年代中期以来。采用双螺杆挤出机+齿轮泵造粒,产量可以达到40-45t/h,今后的发展方向是产量可高达60t/h。在l950年,全世界塑料的年产量为200万t。20世纪90年代。塑料产量的年均增长率为5.8%,2000年增加至1.8亿t至2010年,全世界塑料产量将达3亿t,此外。合成工业的新近避震使得易于璃确控制树脂的分子结构,加速采用大规模进行低成本的生产。随着汽车工业的发展,节能、高速、美观、环保、乘坐舒适及安全可靠等要求对汽车越来越重要.汽车规模的不断扩大和性能的提高带动了零部件及相关材料工业的发展。为降低整车成本及其自身增加汽车的有效载荷,提高塑料类材料在汽车中的使用量便成为关键。

据悉,目前汽车上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的传统汽车材料(如钢铁等)。因此,汽车中越来越多的金属件由塑料件代替。此外,汽车中约90%的零部件均需依靠模具成型,例如制造一款普通轿车就需要制造1200多套模具,在美国、日本等汽车制造业发达的国家,模具产业超过50%的产品是汽车用模具。目前,高分子材料加工的主要目标是高生产率、高性能、低成本和快捷交货。制品方面向小尺寸、薄壁、轻质方向发展;成型加工方面,从大规模向较短研发周期的多品种转变,并向低能耗、全回收、零排放等方向发展。

二、现今高分子材料成型加工技术的创新研究

(一)聚合物动态反应加工技术及设备

聚合物反应加工技术是以现双螺杆挤出机为基础发展起来的。国外的Berstart公司已开发出作为连续反应和混炼的十螺杆挤出机,可以解决其它挤出机(包括双螺杆和四螺杆挤出机)作为反应器所存在的问题。国内反应成型加工技术的研究开发还处于起步阶段,但我国的经济发展强烈要求聚合物反应成型加工技术要有大的发展。指交换法聚碳酸酯(PC)连续化生产和尼龙生产中的比较关键的技术是缩聚反应器的反应挤出设备,我国每年还有数以千万吨计的改性聚合物及其合金材料的生产。关键技术也是反应挤出技术及设备。

目前国内外使用的反应加工设备从原理上看都是传统混合、混炼设备的改造产品,都存在传热、传质过程、混炼过程、化学反应过程难以控制、反应产物分子量及其分布不可控等问题.另外设备投资费用大、能耗高、噪音大、密封困难等也都是传统反应加工设备的缺陷。聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同,该技术是将电磁场引起的机械振动场引入聚合物反应挤出全过程,达到控制化学反应过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点,解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题,同时从技术上解决了设备结构集成化问题。新设备具有体积重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、适应性好、可靠性高等优点,这些优点是传统技术与设备无法比拟或是根本没有的。该项新技术使我国聚合物反应加工技术直接切人世界技术前沿,并在该领域处于技术领先地位。

(二)以动态反应加工设备为基础的新材料制备新技术

1.信息存储光盘盘基直接合成反应成型技术。此技术克服传统方式的中间环节多、周期长、能耗大、储运过程易受污染、成型前处理复杂等问题,将光盘级PC树脂生产、中间储运和光盘盘基成型三个过程整合为一体,结合动态连续反应成型技术,研究酯交换连续化生产技术,研制开发精密光盘注射成型装备,达到节能降耗、有效控制产品质量的目的。

2.聚合物/无机物复合材料物理场强化制备新技术。此技术在强振动剪切力场作用下对无机粒子表面特性及其功能设计(粒子设计),在设计好的连续加工环境和不加或少加其它化学改性剂的情况下,利用聚合物使无机粒子进行原位表面改性、原位包覆、强制分散,实现连续化制备聚合物/无机物复合材料。

3.热塑性弹性体动态全硫化制备技术。此技术将振动力场引入混炼挤出全过程,控制硫化反直进程,实现混炼过程中橡胶相动态全硫化.解决共混加工过程共混物相态反转问题。研制开发出拥有自主知识产权的热塑性弹性体动态硫化技术与设备,提高我国TPV技术水平。

三、高分子材料成型加工技术的发展趋势

近年来,各个新型成型装备国家工程研究中心在出色完成了部级火炬计划预备项目和国家“八五”、“九五”重点科技计划(攻关)等项目同时,非常注重科技成果转化与产业化,完成产业化工程配套项目20多项,创办了广州华新科机械有限公司和北京华新科塑料机械有限公司,使其有自主知识产权的新技术与装备在国内外推广应用。塑料电磁动态塑化挤出设备已形成了7个规格系列,近两年在国内20多个省、市、自治区推广应用近800台(套)。销售额超过1.5亿元,还有部分新设备销往荷兰、泰国、孟加拉等国家.产生了良好的经济效益和社会效益。例如PE电磁动态发泡片材生产线2000年和2001年仅在广东即为国家节约外汇近1600万美元,每条生产线一年可为制品厂节约21万k的电费。塑料电磁动态注塑机已开发完善5个规格系列,投入批量生产并推向市场;塑料电磁动态混炼挤出机的中试及产业化工作已完成,目前开发完善的4个规格正在生产试用。并逐步推向市场目前新设备的市场需求情况很好,聚合物新型成型装备国家工程研究中心正在对广州华新科机械有限公司进行重组。将技术与资本结合,引入新的管理、市场等机制,争取在两三年内实现新设备年销售额超亿。我国已加入WTO,各个行业都将面临严峻挑战。

综上所述,我国必须走具有中国特色的发展高分子材料成型加工技技术与装备的道路,打破国外的技术封锁,实现由跟踪向跨越的转变;把握技术前沿,培育自主知识产权。促进科学研究与产业界的结合,加快成果转化为生产力的进程,加快我国高分子材料成型加工高新技术及其产业的发展是必由之路。

高分子材料论文:高分子材料抗静电研究论文

一、高分子抗静电的方法概述

高聚物表面聚集的电荷量取决于高聚物本身对电荷泄放的性质,其主要泄放方式为表面传导、本体传导以及向周围的空气中辐射,三者中以表面传导为主要途径。因为表面电导率一般大于体积电导率,所以高聚物表面的静电主要受组成它的高聚物表面电导所支配。因此,通过提高高聚物表面电导率或体积电导率使高聚物材料迅速放电可防止静电的积聚。抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消除静电产生的化学添加剂,添加抗静电剂是提高高分子材料表面电导率的有效方法,而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料、添加抗静电剂或与其它导电分子共混技术等。

(一)添加导电填料

这类方法通常是将各种无机导电填料掺入高分子材料基体中,目前此方法中所使用的无机导电填料主要是碳系填料、金属类填料等。

(二)与结构型导电高分子材料共混

导电高分子材料中的高分子(或聚合物)是由许多小的重复出现的结构单元组成,当在材料两端加上一定的电压,材料中就有电流通过,即具有导体的性质,凡同时具备上述两项性质的材料称为导电高分子材料。与金属导体不同,它属于分子导电物质。根本上讲,此类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料,但由于这类高分子一般分子刚性大、不溶不熔、成型困难、易氧化和稳定性差,无法直接单独应用,一般作导电填料与其它高分子基体进行共混,制成抗静电复合型材料,这类抗静电高分子复合材料具有较好的相容性,效果更好更持久。

(三)添加抗静电剂法

1.有机小分子抗静电剂。有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质,其结构通式为RYx,其中R为亲油基团,x为亲水基团,Y为连接基。分子中非极性部分的亲油基和极性部分的亲水基之间应具有适当的平衡与高分子材料要有一定的相容性,C12以上的烷基是典型的亲油基团,羟基、羧基、磺酸基和醚键是典型的亲水基团,此类有机小分子抗静电剂可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型4大类:阳离子型抗静电剂;阴离子型抗静电剂;非离子型抗静电剂;两性型抗静电剂。

导电机理无论是外涂型还是内加型,高分子材料用抗静电剂的作用机理主要有以下4种:(1)抗静电剂的亲水基增加制品表面的吸湿性,吸收空气中的水分子,形成“海一岛”型水性的导电膜。(2)离子型抗静电剂增加制品表面的离子浓度,从而增加导电性。(3)介电常数大的抗静电剂可增加摩擦体间隙的介电性。(4)增加制品的表面平滑性,降低其表面的摩擦系数。概括起来一是降低制品的表面电阻,增加导电性和加快静电电荷的漏泄;二是减少摩擦电荷的产生。

2.永久性抗静电剂。永久性抗静电剂是一类相对分子质量大的亲水性高聚物,它们与基体树脂有较好的相容性,因而效果稳定、持久、性能较好。它们在基体高分子中的分散程度和分散状态对基体树脂抗静电性能有显著影响。亲水性聚合物在特殊相溶剂存在下,经较低的剪切力拉伸作用后,在基体高分子表面呈微细的筋状,即层状分散结构,而中心部分呈球状分布,这种“蕊壳”结构中的亲水性聚合物的层状分散状态能有效地降低共混物表面电阻,并且具有永久性抗静电性能。

二、我国高分子材料抗静电技术的发展状况

我国许多科研机构和生产企业已陆续开发出一些品种,以非离子表面活性剂为主,目前常用的品种有,大连轻工研究院开发的硬化棉籽单甘醇、ABPS(烷基苯氧基丙烷磺酸钠)、DPE(烷基二苯醚磺酸钾);上海助剂厂开发目前多家企业生产的抗静电剂SN(十八烷基羟乙基二甲胺硝酸盐),另外该厂生产的抗静电剂PM(硫酸二甲酯与乙醇胺的络合物)、抗静电剂P(磷酸酯与乙醇胺的缩合物);北京化工研究院开发的ASA一10(三组份或二组份硬脂酸单甘酯复合物)、ASA一150(阳离子与非离子表面活性剂复合物),近年来又开发出ASH系列、ASP系列和AB系列产品,其中ASA系列抗静电剂由多元醇脂肪酸酯、聚氧乙烯化合物等非离子表面活性剂;ASB系列产品则为有机硼表面活性剂(主要是硼酸双多元醇脂与环氧乙烷加成物的脂肪酸酯)与其他非离子表面活性剂复合而成;ASH和ASP系列主要是阳离子与非离子表面活性复合而成,杭州化工研究所开发的HZ一1(羟乙基脂肪胺与一些配合剂复合物)、CH(烷基醇酰胺);天津合成材料工业研究所开发的IC一消静电剂(咪唑一氯化钙络合物);上海合成洗涤剂三厂开发生产的SH系列塑料抗静电剂,已经形成系列产品,在使用效果和性能上处于国内领先地位,部分品种可以替代进口,如SH一102(季铵盐型两性表面活性剂)、SH一103、104、105等(均为季铵盐型阳离子表面活性剂),SH抗静电剂属于结构较新的带多羟基阳离子表面活性剂;济南化工研究所JH一非离子型抗静电剂。(聚氧乙烯烷基胺复合物)等;

河南大学开发的KF系列等,如KF一100(非离子多羟基长碳链型抗静电剂)、KF-101(醚结构、多羟基阳离子永久型抗静电剂),另外还有聚氧乙烯醚类抗静电剂,聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯专用抗静电剂202、203、204等;抗静电剂TM系列产品也是目前国内常用的,主要用于合成纤维领域。

从抗静电剂发展来看,高分子型的永久抗静电剂是最为看好的产品,尤其是在精密的电子电气领域,目前国内多家科研机构利用聚合物合金化技术开发出高分子量永久型抗静电剂方面已取得明显进展。

三、结语

我国合成材料抗静电剂行业发展前景较好,针对目前国内研究、生产、应用与需求现状,对我国合成材料抗静电剂工业发展提出以下建议。

(一)加大新品种开发力度

近年来国外开发的高性能伯醇多聚氧化乙醚类非离子型表面活性剂;用于聚碳酸酯的脂肪酸单缩水甘油酯;用于磁带工业的添加了聚氯化乙烯醚醇的磷酸衍生物;适应于聚烯烃、聚氯乙烯、聚氨酯等多种合成材料的多元醇脂肪酸酯和三聚氰胺加成物等,总之国内科研院所应根据我国合成材料制品要求,开发出多种高性能、环保无毒的抗静电品种,并不断强化应用技术研究,以满足国内需求。

(二)加快复合抗静电剂和母粒的研究与生产

今后要加快多种结构抗静电剂及其他塑料助剂的复配,向适应范围广、效率高、系列化、多功能、复合型等方向发展。另外合成材料多功能母粒作为助剂已经成为今后合成树脂加工改性的重要原材料,如着色、阻燃、抗菌、成核等母粒在国内开发方兴未艾,国内要加快抗静电母粒的开发与研究,促进我国抗静电剂工业发展。

高分子材料论文:高分子材料抗静电技术研究论文

摘要:目前,静电在生物工程中有着重要的应用。介绍高分子抗静电的方法,阐明高分子材料抗静电技术在我国的发展和策略。

关键词:高分子材料抗静电研究

静电广泛地存在于自然界和日常生活之中,如人们每时每刻呼吸的空气每厘米就含有100500个带电粒子;自然界的雷电;干燥季节里人身上化纤衣物由于摩擦起电而粘附在身体上,这一切都是比较常见的静电现象。实际上,静电在生物工程中有着重要的应用。

一、高分子抗静电的方法概述

高聚物表面聚集的电荷量取决于高聚物本身对电荷泄放的性质,其主要泄放方式为表面传导、本体传导以及向周围的空气中辐射,三者中以表面传导为主要途径。因为表面电导率一般大于体积电导率,所以高聚物表面的静电主要受组成它的高聚物表面电导所支配。因此,通过提高高聚物表面电导率或体积电导率使高聚物材料迅速放电可防止静电的积聚。抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消除静电产生的化学添加剂,添加抗静电剂是提高高分子材料表面电导率的有效方法,而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料、添加抗静电剂或与其它导电分子共混技术等。

(一)添加导电填料

这类方法通常是将各种无机导电填料掺入高分子材料基体中,目前此方法中所使用的无机导电填料主要是碳系填料、金属类填料等。

(二)与结构型导电高分子材料共混

导电高分子材料中的高分子(或聚合物)是由许多小的重复出现的结构单元组成,当在材料两端加上一定的电压,材料中就有电流通过,即具有导体的性质,凡同时具备上述两项性质的材料称为导电高分子材料。与金属导体不同,它属于分子导电物质。根本上讲,此类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料,但由于这类高分子一般分子刚性大、不溶不熔、成型困难、易氧化和稳定性差,无法直接单独应用,一般作导电填料与其它高分子基体进行共混,制成抗静电复合型材料,这类抗静电高分子复合材料具有较好的相容性,效果更好更持久。

(三)添加抗静电剂法

1.有机小分子抗静电剂。有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质,其结构通式为RYx,其中R为亲油基团,x为亲水基团,Y为连接基。分子中非极性部分的亲油基和极性部分的亲水基之间应具有适当的平衡与高分子材料要有一定的相容性,C12以上的烷基是典型的亲油基团,羟基、羧基、磺酸基和醚键是典型的亲水基团,此类有机小分子抗静电剂可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型4大类:阳离子型抗静电剂;阴离子型抗静电剂;非离子型抗静电剂;两性型抗静电剂。

导电机理无论是外涂型还是内加型,高分子材料用抗静电剂的作用机理主要有以下4种:(1)抗静电剂的亲水基增加制品表面的吸湿性,吸收空气中的水分子,形成“海一岛”型水性的导电膜。(2)离子型抗静电剂增加制品表面的离子浓度,从而增加导电性。(3)介电常数大的抗静电剂可增加摩擦体间隙的介电性。(4)增加制品的表面平滑性,降低其表面的摩擦系数。概括起来一是降低制品的表面电阻,增加导电性和加快静电电荷的漏泄;二是减少摩擦电荷的产生。

2.永久性抗静电剂。永久性抗静电剂是一类相对分子质量大的亲水性高聚物,它们与基体树脂有较好的相容性,因而效果稳定、持久、性能较好。它们在基体高分子中的分散程度和分散状态对基体树脂抗静电性能有显著影响。亲水性聚合物在特殊相溶剂存在下,经较低的剪切力拉伸作用后,在基体高分子表面呈微细的筋状,即层状分散结构,而中心部分呈球状分布,这种“蕊壳”结构中的亲水性聚合物的层状分散状态能有效地降低共混物表面电阻,并且具有永久性抗静电性能。

二、我国高分子材料抗静电技术的发展状况

我国许多科研机构和生产企业已陆续开发出一些品种,以非离子表面活性剂为主,目前常用的品种有,大连轻工研究院开发的硬化棉籽单甘醇、ABPS(烷基苯氧基丙烷磺酸钠)、DPE(烷基二苯醚磺酸钾);上海助剂厂开发目前多家企业生产的抗静电剂SN(十八烷基羟乙基二甲胺硝酸盐),另外该厂生产的抗静电剂PM(硫酸二甲酯与乙醇胺的络合物)、抗静电剂P(磷酸酯与乙醇胺的缩合物);北京化工研究院开发的ASA一10(三组份或二组份硬脂酸单甘酯复合物)、ASA一150(阳离子与非离子表面活性剂复合物),近年来又开发出ASH系列、ASP系列和AB系列产品,其中ASA系列抗静电剂由多元醇脂肪酸酯、聚氧乙烯化合物等非离子表面活性剂;ASB系列产品则为有机硼表面活性剂(主要是硼酸双多元醇脂与环氧乙烷加成物的脂肪酸酯)与其他非离子表面活性剂复合而成;ASH和ASP系列主要是阳离子与非离子表面活性复合而成,杭州化工研究所开发的HZ一1(羟乙基脂肪胺与一些配合剂复合物)、CH(烷基醇酰胺);天津合成材料工业研究所开发的IC一消静电剂(咪唑一氯化钙络合物);上海合成洗涤剂三厂开发生产的SH系列塑料抗静电剂,已经形成系列产品,在使用效果和性能上处于国内领先地位,部分品种可以替代进口,如SH一102(季铵盐型两性表面活性剂)、SH一103、104、105等(均为季铵盐型阳离子表面活性剂),SH抗静电剂属于结构较新的带多羟基阳离子表面活性剂;济南化工研究所JH一非离子型抗静电剂。(聚氧乙烯烷基胺复合物)等;

河南大学开发的KF系列等,如KF一100(非离子多羟基长碳链型抗静电剂)、KF-101(醚结构、多羟基阳离子永久型抗静电剂),另外还有聚氧乙烯醚类抗静电剂,聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯专用抗静电剂202、203、204等;抗静电剂TM系列产品也是目前国内常用的,主要用于合成纤维领域。

从抗静电剂发展来看,高分子型的永久抗静电剂是最为看好的产品,尤其是在精密的电子电气领域,目前国内多家科研机构利用聚合物合金化技术开发出高分子量永久型抗静电剂方面已取得明显进展。

三、结语

我国合成材料抗静电剂行业发展前景较好,针对目前国内研究、生产、应用与需求现状,对我国合成材料抗静电剂工业发展提出以下建议。

(一)加大新品种开发力度

近年来国外开发的高性能伯醇多聚氧化乙醚类非离子型表面活性剂;用于聚碳酸酯的脂肪酸单缩水甘油酯;用于磁带工业的添加了聚氯化乙烯醚醇的磷酸衍生物;适应于聚烯烃、聚氯乙烯、聚氨酯等多种合成材料的多元醇脂肪酸酯和三聚氰胺加成物等,总之国内科研院所应根据我国合成材料制品要求,开发出多种高性能、环保无毒的抗静电品种,并不断强化应用技术研究,以满足国内需求。

(二)加快复

合抗静电剂和母粒的研究与生产

今后要加快多种结构抗静电剂及其他塑料助剂的复配,向适应范围广、效率高、系列化、多功能、复合型等方向发展。另外合成材料多功能母粒作为助剂已经成为今后合成树脂加工改性的重要原材料,如着色、阻燃、抗菌、成核等母粒在国内开发方兴未艾,国内要加快抗静电母粒的开发与研究,促进我国抗静电剂工业发展。

高分子材料论文:高分子材料专业贯通式实验案例教学分析

摘要:高分子材料专业的贯通式实验案例教学是将基础知识、探索性专业实验和工程化实践应用融汇贯通的新型教学模式。以高分子材料反应共混改性沥青加工试验为例,介绍了该教学模式的方法、步骤与特点。学生通过查阅文献、实验设计、动手操作、撰写论文及实体工程实践等环节,深化利用已学基础知识和专业知识,培养分析问题和解决问题能力。该贯通式实验案例教学有利于本科生、研究生尽快掌握高分子材料科学与工程的内涵,选择感兴趣的方向,快速进入毕业设计研究,了解社会需求和优化职业取向,加强专业体验性和理解能力。对培养学生综合素质,提高创新、创业能力有重要意义。

关键词:高分子材料;贯通式教学;实验案例;创新;创业

引言

高分子材料科学与工程是一门理论与实践紧密结合的专业,实验和实践教学是高校高分子材料专业学生必修环节。但是,传统教学模式下的高分子材料加工工程实验明显存在专业实验“按部就班”和实践过程“走马观花”等问题。此外,还有实验教学内容相对陈旧,与我国工业化发展程度脱轨;实验课时间少且死板,不利于实验的深入开展;只注重已经成熟的实验操作与报告书写,不利于创新思维的培养;实验设备陈旧,许多新的实验无法满足我国现今创业、创新人才的培养。与欧美等先进高校的高分子材料专业实验、实践课程相比,我国高校学生普遍存在动手操作能力弱、安全意识不足和解决实际问题能力差等缺点。以美国阿克伦大学高分子加工实验课程为例,实验课时间长,且强调学生亲自己动手,并鼓励使用拍照、录像等手段得到各种数据,实验报告内容丰富。即使实验失败,只要学生对失败的原因分析透彻,依然可以得到完美的分数。根据学生的反馈,这样的学习方法普遍比单纯的理论灌输和死板的实验更加有效,实验过程更具体验性。他们还将试验内容与工程实践紧密结合,将试验内容拓展到课外,加深高分子科学与工程的理解和应用。近年来,我国对创新、创业型人才的培养日益重视,推动传统实验、实践课程改革和激发学生创造力日益重要,增加综合型、研究创新型、实践型实验是大势所趋。

相对于基础型和综合型实验的“验证性”而言,研究型实验具有不确定性、探索性、自主性、开放性与可操作性等“探索性”特点。作为学生由知识学习向科学研究、工程应用转变的衔接点,研究实践型创新实验涉及多学科知识的交叉运用,侧重于运用所学知识、文献查阅和基本技能等手段应用,并要求实验结果以研究论文和工程实践报告的形式完成,其设置重在培养发现问题和解决问题能力,更具挑战性。我校高分子材料专业方向已在综合化学实验基础上,开设了自主研究型实验。通过学生与感兴趣的导师联系,共同确定实验方向,在五周内完成实验设计、实验操作、实验分析、报告撰写等相关内容。收到了较好的效果。为加强该专业的工程实践体验,我们在此基础上拓展设计了贯通式实验.即在自主研究型实验技术基础上,进入实际生产一线进行工程实践,贯通理论与实践,建立理论研究与工程应用的关系。具体是结合联系导师的转化成果,将研究型实验延伸,进行三天的工程实践,尝试将学生基础知识、专业知识和产业化实践结合运用,培养学生的工程认知和实践能力。本文以高分子材料反应共混改性沥青材料的高分子加工试验为例,探讨了该贯通式实验教学设计思路、目的、试验步骤、报告撰写方法以及实验心得等,以期促进贯通式试验教学的开展。这对培养我国迫切需要科技成果转化背景下的创新、创业人才有重要意义。

1贯通式实验教学思路

该贯通式试验案例教学是以我校比较成熟的产业化特色项目高分子材料反应共混改性沥青展开。首先指导老师布置课题,讲解贯通式实验的目的、方法和意义等过程,实验小组根据讲解内容选择高等级公路用改性沥青材料为课题展开研究。研究小组通过查阅文献、小组内讨论和教师的共同探讨,决定以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)改性沥青为主题开展本次贯通型实验。其次,通过以SBS反应共混沥青改性、结构表征、性能测试为主线的研究型实验,旨在提高学生创新意识以及创新能力,培养其团队意识,了解和熟悉开展科研工作的方法。最后,通过工程实践和产学研交流,贯通试验室研究与工程实践的联系与区别,建立室验式开发研究、工程放大生产和工程应用之间的关系。

2贯通式实验教学方法及步骤

贯通式实验教学方法是用讨论式、启发式教学方法;以学生为主,允许失败,多次尝试,提倡提出问题和解决问题的锻炼模式;讲究基础理论、专业实验和工程实践相结合,融汇贯通的模式。贯通式实验教学包括以下步骤:(1)师生双向选择导师公布课题后进行师生双向选择,通过与导师交流,达成合作关系,挑选组长并布置研究实践内容和任务;(2)设计课题学生通过导师指导查找课题领域的前沿文章,以及和老师讨论,设计出切实可行的实验方案,培养学生独立设计实验的能力;(3)实验操作小组成员们利用已有基础实验知识结合专业知识的了解,比如通过实验过程既熟悉了红外光谱、光学显微镜等仪器的使用方法,又接触到了传统教学实验难以接触的新型实验设备如高速剪切机、胶体磨和低温延度计等设备;(4)数据总结与讨论小组成员将所得试验结果进行整理作图,分析讨论试验结果;(5)工程实践通过参观学习生产流水线,与操作工人、车间主任和总工程师交流学习;(6)课程总结与评价与指导老师交流实践过程的问题与收获,撰写研究报告和实践报告。

3贯通式实验教学效果与心得

贯通式实验教学摒弃了传统实验机械、死板、陈旧的教学方式,为老师教学以及学生学习都带来了创新的想法和创业的火花。贯通式实验教学效果总结有如下四点:

(1)培养了研究方法和团队协作意识实验小组通过前期选题,查阅大量的资料,了解目前高分子科学领域的新的研究方向。实验过程中,小组成员们接触到并使用了许多传统实验教学中难觅踪影的仪器,SBS、石油沥青等材料的特性,开阔了他们的视野,真正体验了科学研究的过程。分工明确,通过各成员间的协作配合,共同完成。提高了实验操作技能以及与他人合作的能力。在实验过程中不断思考并对实验方案进行改进,定期与老师见面并报告相关进展,最后完成整个实验部分;

(2)培养了学生独立思考分析问题和总结升华能力数据总结处理阶段,通过分析实验结果,学会了用统计方法软件对所得数据进行处理,对实验现象运用理论知识做出合理的解释。对有疑惑的问题,小组成员之间随时进行讨论分析,并查阅相关文献,进一步试验验证,最后找到了问题的根源。将所有结果整理并书写成报告。通过对实验结果进行分析与写作,培养了他们独立思考、清晰表达、总结升华的能力;

(3)培养了学生工程化思维在工业实际生产阶段,进一步考察工厂生产环节,书写工程实习报告,丰富学生的社会适应能力,并为迅速进入企业工作奠定良好的基础。例如,在工厂实践阶段,认识了实验室实验与工程试验的差别,深化了化学工程中原材料、操作单元选择原则,化工原理中“三传一反”的理解。以搅拌装置的设计为例,大型搅拌桨根据物料粘度设计的原理,SBS与沥青混合加料时的弱搅拌与反应后的强搅拌桨叶的不同;以我国早期SBS改性沥青生产时,为解决高熔体粘度的SBS与低粘度沥青的分散性通过胶体磨等特殊设备强化剪切变形实现分散;还可以通过选择SBS的嵌段比例、分子量等手段提高其在沥青中的分散性;

(4)培养了创业思维通过与市场、采购和财务部门人员的交流,了解到企业的市场信息是生产的前提,市场信息是基于大量使用数据和与用户沟通相结合而得到的。市场原材料信息、市场销售信息反馈到研发部门进行开发,形成原材料进入、加工制造和产品销售与服务一体化的运转格局,为以后创业思维的培养打下基础。工程化思维对促进学生校内培养有积极的影响。通过工程化实践锻炼了学生将高分子专业理论知识用于实践,并通过实践加深了对理论知识的学习。例如,深入了解了高分子材料工程的共同点,是解决高性能与易加工、经济性三者的矛盾,环境污染治理与经济性的矛盾。学习了公司治理结构,了解公司的发展优秀,一是靠管理,二是靠科技。团队协作是公司高效运转的保障,注重团队建设。在此过程中,也培养了团队协作能力,更快融入将来的工作融合贯通,认识平时所学知识的重要性,促进专业知识的学习。

在基础理论与工程化生产方面,还认识到室内基础研究试验与工程化生产相辅相成,工程化提出问题必须通过基础研究指导才能获得突破。基础理论指导工程化实践,工程化实践又不能局限于基础理论,还需考虑社会因素、市场因素和环境因素等。在生产应用方面,深刻理会了“安全第一”是一切生产的根本。工厂的安全教育,为以后试验室及工程化生产奠定了基础。工程化放大生产是无数实验室试验的总结,也是指导实验室小试、中试和放大生产的根本。稳定化、规模化生产是市场化应用的根本保障,标准的试验方法和严格的产品检测是市场应用的根基。市场是科研的主要推动力,基础研究是推动科研进行的源动力。

4贯通式教学总结

贯通式实验教学通过自主探索实验和工程实践体验的方式,增强了高分子材料专业教学的趣味性、探索性和创造性,不但对培养学生提出问题和解决问题的能力有积极作用,而且还有利于高校和企业培养创新和创业人才。贯通式实验教学的难点在于,建立良好的产学研信任关系和学生的积极主动性的配合。此外,指导教师的精细设计和企业、学校领导的大力支持也必不可少,有必要进一步深入挖掘适合贯通式实验教学的课题,深化与企业的合作关系,协同培养发掘创新、创业人才。当然,该贯通式实验教学仍处于探索之中,在培养时间、培养模式、培养效果等方面还值得商榷。总之,贯通式实验教学的不确定性、探索性、自主性、开放性与体验性更契合当前学生对实验课的需求以及国家对创新、创业能力人才的培养,值得进一步推广和完善。

作者:王仕峰1;潘三水1;张勇1;李嘉曦2;李航3 单位:1.上海交通大学

高分子材料论文:脉冲激光技术在高分子材料加工中的运用

摘要:随着我国科学技术水平的不断提高以及诸多科研人员的努力,激光技术获得了飞速的发展,超短脉冲、超高强度、超短波长等成为了当前激光技术的代表特征,脉冲激光技术的出现更为高分子材料加工带来了革命性的进步。在分析脉冲激光技术在高分子材料加工中的应用时,首先对脉冲激光及其折射率改性情况进行了概述,在此基础上从激光烧烛产生表面多孔结构、周期结构以及块体材料加工对材脉冲激光技术的应用几个方面进行了详细的研究与探讨。

关键词:脉冲激光技术;高分子材料;材料加工

近年来,脉冲激光技术已经得到了相对比较广泛的应用,并且该种精密的加工技术越来越受到社会与人们的关注,主要原因在于脉冲激光技术能够在加工高分子材料的过程中得到比较高的加工精度,并且能够进行材料表面的加工,使得材料的表面形成多孔结构与周期结构等。更加能够实现对块体材料、透明材料的内部加工与改性等。可以说,脉冲激光技术比较适用于其他加工技术无法实现的复杂形状元器件的加工以及高精度元器件的加工。脉冲激光技术在高分子材料加工的过程中所产生的瞬间功率比较大,几乎能够与任何材料产生相互的作用,本文对脉冲激光技术在高分子材料加工中的应用进行研究,希望能够促使高分子材料加工更加良好的依据脉冲激光技术获得发展。

1脉冲激光及其折射率改性

所谓脉冲主要便是指隔一段相同的是假案发出的电波、光波等机械形式。脉冲激光则主要是指脉冲工作方式的激光器发出的光脉冲,脉冲激光具有其独特的工作必要性,其能够进行信号的发送并且减少热量的产生。一般情况下,脉冲激光比较短,其时间几乎已经达到了“皮秒”的级别。脉冲激光器在工作中需要由激光泵浦源持续性的提供能量,由此方能够长期间产生并且输出脉冲激光。高分子材料加工领域目前对脉冲激光技术有所应用。就高分子材料而言,其材料的折射率与其密度之间呈现正比关系,并且包括末端基、添加剂与杂志等化学组成、分子趋向、链间结合力等均与热历史存在关系。在高分子材料加工应用脉冲激光技术时,与其他改性技术相比较而言,脉冲激光技术能够诱导高分子材料改性技术对其财力下性能产生最小的影响,并且脉冲激光技术能够在高分子材料的表面将原有的化学键打破,并且能够形成全新的化学键,以此改变高分子材料的特性。

2高分子材料加工对脉冲激光技术的应用

2.1激光烧烛产生表面多孔结构

激光烧烛产生表面多孔结构能够有效的促进高分子材料与生物组织交界面上的细胞黏附与增殖,使得生物医学领域的众多学者均对其予以了较高的关注。高分子材料表面的孔洞会在材料表面热化的情况下形成,并且应力在整个孔洞形成的过程中发挥着极为重要的作用。受应力波的影响,高分子材料的黏度会下降,而高分子材料本身又存在着因应力波作用而产生的孔洞长大的核,即自由体积孔洞,该自由体积孔洞的总体积会在温度上升的情况随着应力的下降而增加。就该方面高分子材料对脉冲激光技术的应用情况已经有部分学者展开了研究,并且认为在248nm的脉冲激光辐照下高分子材料胶原薄膜的链结构稳定性会发生一定改变,其能够将原有的氢键网络打破,并且经过红外吸收光谱、拉曼光谱、荧光分析等发现高分子材料胶原主链的部分会出现光热分解现象,在激光烧烛时会将光机械作为主要作用力,而后发生光化学转变。该种状态下生物的相容性会发生改善,即细胞黏着与细胞生长会发生改变。

2.2激光烧烛产生表面周期结构

高分子材料一般不会吸收长波长激光,其只有在激光强度十分高的情况下方能够有效的实现多光子的吸收。此时脉冲激光辐照在高分子材料表面时便会形成一定的表面周期结构,且存在波长效应,其中,长脉冲激光器只能够形成紫外波段激光器,而超短脉冲激光器则能够在紫外波段和红外波段均形成激光器。激光烧烛所产生的高分子材料表面周期结构一般可以向其纳入到波长量级,并且在对偏振态、激光波长与入射角度等参数进行改变的情况下,高分子材料表面结构亦能够发生相应的改变。经过对激光烧烛产生表面周期结构进行研究可以发现,其形成的机理主要包括两点:①入射脉冲激光束与高分子材料的表面散射光之间能够相互调制;②脉冲激光的强度调制能够转化成为高分子材料表面的改性结构。在激光烧烛产生表面周期结构的该两点形成机理相互联情况下,脉冲激光辐照将能够促使高分子材料产生表层的热化,继而在温度梯度的影响下导致高分子链不断扩散,最终形成表面周期结构。

2.3块体材料加工对脉冲激光技术的应用

高分子材料会对不同波长的光进行吸收,紫外脉冲激光加工需要对高分子材料的该点特性会产生依赖性。一般情况下,大部分的透明高分子材料均属于弱吸收体,其能够吸收的波段一般保持在193mm以下的真空紫外区。若入射的脉冲激光光子能量明显要大于高分子材料的化学键能时可以将原有的化学键直接打破,此时高分子材料将会被离解成为单体产生脉冲激光烧烛,但是并不会产生液相,属于典型的光化学过程,其所产生的热影响亦最小。对于块体材料加工对脉冲激光技术的应用方面,部分学者发现利用飞秒激光技术进行PCL片材的加工将能够在加工的过程中于加工边缘发现存在着热退火形成的晶球以及快速冷却形成的非晶组成热影响区域。与此同时,紫外波段光子能量若超过了高分子材料中大部分分子键能,则亦会产生光化学作用。

3结束语

综上所述,脉冲激光技术加工高分子材料具有十分复杂的机理,且不同的脉冲激光加工技术会对加工工艺、加工材料等提出不同的要求,因而高分子材料的脉冲激光烧烛在各界均有着比较大的争议性。比较典型的高分子材料在脉冲激光技术加工下的光热与光化学特点有:短波长激光的光子能量比较大,能够直接打破高分子材料的化学键,并且能够对高分子材料进行光化学降解。若将脉冲激光中脉冲的宽度缩短将能够有效地提高多光子吸收截面,此时的加工效率也将能够有效提高。鉴于此,脉冲激光能够成为我国现阶段以及未来工业高分子材料加工的首选技术,并且在不断地研究与探索下,脉冲激光技术将能够进一步的完善与应用,推动我国社会与经济水平全面提升,并且提高我国在国际方面的影响力。

作者:田新 单位:新疆轻工职业技术学院

高分子材料论文:熔融沉积成型用高分子材料研究

《化学推进剂与高分子材料杂志》2016年第6期

摘要:

介绍了熔融沉积成型(FDM)原理及所需材料要求,详细阐述了国内外FDM用丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料、聚乳酸、聚碳酸酯的研究进展,展望了其发展前景。

关键词:

熔融沉积成型;ABS;聚乳酸;聚碳酸酯

3D打印是一种以设计的3D模型为基础,利用打印设备逐层增加材料来构造三维实物的快速成型技术[1]。它集成了CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)、机电控制和材料科学等方面的技术,被誉为“第三次工业革命”的优秀技术。目前比较成熟的快速成型工艺有:光固化立体造型、叠层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成型。与其他快速成型工艺相比,FDM操作简便,安全无毒,成型效率高,成型设备价格低,发展极为迅速。目前FDM系统在全世界已使用的快速成型系统中约占1/3。材料是熔融沉积成型的重要基础,具有可黏合性的高分子材料是FDM工艺最常用的材料,它的发展速度制约熔融沉积成型的进一步发展。本文重点介绍了丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料、聚乳酸、聚碳酸酯3类高分子材料用于FDM工艺的研究进展,为熔融沉积成型进一步发展提供理论基础。

1FDM工艺概述

1.1FDM工艺工作原理

首先用加热装置将丝状(直径约2mm)热塑性材料加热熔化,给材料合适的压力将熔融态材料从微细喷嘴(直径一般为0.2~0.6mm[2])中挤出,喷头根据计算机设定的模型截面信息运动,将挤压出的熔融态丝材涂覆在工作台的制件基座的指定位置,并快速冷却固化,一个层面沉积完成后,工作台按设定的增量下降一个层的厚度,再继续熔融沉积,循环往复,直至完成整个实体制造。

1.2FDM材料的性能要求

根据FDM工艺原理及特点,所用高分子材料应满足以下性能要求[3–5]:①材料的制丝要求高分子材料在使用前,要经螺杆挤出机加工成直径约2mm的单丝,因此材料必须能够挤出成型。单丝要求表面光泽、直径均匀、内部无中空,在常温下应具有良好的柔韧性,不会被轻易折断。②材料的收缩率线材经熔融挤出后在工作台上快速固化,但若成型材料收缩率大,固化时的体积收缩就会在制品中产生更大的内应力,进而使制品翘曲变形,甚至导致制品开裂,以至成形失败。材料的收缩率是影响制品外形质量最重要的因素之一,FDM工艺要求成型材料的收缩率越小越好。③材料的机械性能丝状进料方式要求料丝具有较好的力学性能,这样在摩擦轮的牵引和驱动力作用下才不会发生断丝和弯曲现象。由于料丝在加热装置内还起到活塞推进作用,为提高其抗失稳性能,料丝必须具有足够的弹性模量。④材料的流动性为将熔融态的丝材从喷嘴中顺利挤出,要求所用材料在熔融态时具有较好的流动性。流动性差的材料产生的阻力大,难以挤出;流动性太好的材料挤出后难以控制,发生流涎,并造成每一次循环的起始与停止时,挤出物料不均匀。

2FDM用高分子材料研究进展

2.1ABS

ABS是目前使用最多、应用最早的高分子打印线材。它综合了丁二烯、苯乙烯和丙烯腈各自的优良性能,具有良好的力学性能,易加工,广泛应用于汽车、纺织、电子电器和建筑等领域[6]。但ABS也存在一些缺点:较大的收缩率,制品易收缩变形,易发生层间剥离及翘曲等现象;耐热变形性较差;打印过程中有异味产生。为改善ABS打印的成型质量,国内外学者在ABS改性方面做了很多工作。

2.1.1国外

M.L.Shofner等[7]用VGCFs(气相生长碳纤维)填充ABS,制备用于FDM工艺的复合材料,研究了填充VGCFs对ABS机械性能的影响。结果表明,加入VGCFs能提高ABS的拉伸强度和模量,但是流动性会变差。美国的Stratasys是世界上最大的3D打印材料公司,它新推出了一款ABS材料ABS–M30i。与标准的StratasysABS相比,ABS–M30i的力学性能有较大的提高,并且层间黏合强度大幅提升,扩大了ABS的应用范围[8]。Stratasys公司的第2代数码ABS2,这种新型材料可通过FDM技术制备薄壁电子器件,且具有良好的热稳定性和尺寸稳定性[9]。美国3DXTech公司利用多壁碳纳米管对纯ABS树脂进行改性,制备出新型FDM用ABS材料——3DXNanoESD,可用于打印汽车、电子器件用关键零件,以及需要静电放电(ESD)保护的器件。

2.1.2国内

仲伟虹等[10]利用短切玻璃纤维对ABS进行改性,研究了短切玻璃纤维含量对ABS机械性能的影响。结果表明,加入短切玻璃纤维,ABS材料的收缩率变小,解决了ABS制品易收缩变形的问题,同时材料强度、硬度大幅提升,但会使材料韧性变差。加入增韧剂和增容剂很好地解决了这一问题,提高了ABS复合材料的韧性,从而使短切玻璃纤维改性的ABS材料适合于FDM工艺。方禄辉等[11]将ABS与热塑材料苯乙烯–丁二烯–苯乙烯共聚物(SBS)进行熔融共混,制备用于FDM工艺的功能材料,研究了SBS结构及其含量对ABS/SBS共混物各性能的影响。结果表明,加入热塑材料SBS,ABS的流动性明显提高,韧性变好,低频下熔体强度高,对剪切频率依赖变弱,较好地适用于FDM工艺对ABS材料流动性和力学性能的要求。聂富强等[12]发明并公布了一种ABS线材的制备方法。首先将聚丁二烯橡胶剪碎溶在苯乙烯中,然后加入丙烯腈单体和稀释剂后搅拌成均相,再加入引发剂,在一定温度下连续本体聚合后获得可用于FDM工艺的ABS。利用优化后的制备方法成功制备了ABS,且制备的ABS耐热性好、抗冲击强度高。黄旭辉等[13]公开了一种3D打印用ABS材料,材料为核壳结构,核体为改性的ABS材料,壳体为聚砜(PSF)材料。通过将材料制备成核壳结构,材料同时具有ABS的高韧性和PSF的高耐热性和成型收缩率小等优势,取长补短。在ABS材料内添加抗冲击改性剂来增强材料的弯曲强度和压缩强度,改善力学性能;利用小粒度的碳纤维增强材料包裹有机倍半硅氧烷增加材料之间的界面,更好地结合ABS材料与PSF材料,解决了复合材料界面结合力较弱的问题,扩大了ABS材料的使用范围。

2.2聚乳酸

聚乳酸是以玉米或甘蔗为原料,经过发酵制成乳酸,最终转化为聚乳酸[14]。聚乳酸具有良好的光泽性、延展性、降解性、生物相容性,打印的制品硬度好,色彩鲜艳,透明富有光泽,外观细腻,打印过程中不产生难闻气味,是3D打印最好的原材料[15]。聚乳酸的缺点也同样明显,其韧性和抗冲击强度较差,打印制品脆性大,强度较低,尺寸稳定性差,不能抵抗温度变化,当温度超过50℃就会变形,限制了其使用范围[16–18]。为此,国内外学者做了很多工作来改善聚乳酸的性能。

2.2.1国外

D.Drummer等[19]将磷酸钙与聚乳酸复合,通过FDM技术制备组织工程和颌面外科用材料,研究了喷嘴温度对复合材料力学性能的影响。结果表明,喷嘴温度为225℃时,复合材料的模量为3122N/mm2,力学性能最好,而温度为235℃时,所得复合材料具有最低的拉伸强度和断裂伸长率。德国FKuRKunststoff公司与荷兰Helian公司合作,制备出用于FDM的高性能PLA材料,该材料通过加入天然纤维来提高PLA的强度和尺寸稳定性。荷兰Colorfabb公司最近开发出两款新型PLA材料,具有木质效果的WoodFillFine和仿竹子的BambooFill。随后,Colorfabb公司又推出一款独特的PLA线材——具有软木效果的CorkFill。与传统的木材相比,新型纤维增强PLA材料打印的制品外观独特,具有很好的木质效果,并且没有设计限制[20–21]。日本JSR公司推出一系列高性能PLA线材,命名为FABRIAL。此系列产品强度高,韧性好,加工过程中不易折断,制品稳定性好,可用于制造最终产品,有效解决了PLA材料打印制品脆性大、强度较低等问题,扩展了制品的用途。今后该公司将充实产品种类,推出具有特殊性能的产品,以满足多种用途需求[22]。

2.2.2国内

谭志勇等[23]将一种环氧类大分子扩链剂与PLA树脂进行共混,研究扩链剂用量对PLA相对分子质量的影响,以及热处理时间和温度对共混物机械性能和结晶性的影响。结果表明:扩链剂中的环氧基团与PLA中的端羟基、羧基发生反应,PLA的相对分子质量大幅提升;选择合适的条件进行热处理可以使PLA及其共混物结晶,PLA的强度和尺寸稳定性均得到了提高。鄢国强等[24]发明并公布了一种适用于FDM技术的改性聚乳酸复合材料,将PLA、扩链剂、增韧剂、分散剂等经高速混合机混合后,利用挤出机挤出拉丝得到线材。与纯PLA相比,该材料具有良好的柔韧性,同时冲击强度、耐热性和断裂伸长率得到了较大的提高,将该复合材料用于FDM技术,成品具有表面光洁、尺寸稳定等优点。陈庆等人[25]发明并公布了一种FDM工艺用聚乳酸材料及其制备方法。该方法利用低温粉碎混合反应技术改性PLA,改性后的PLA材料机械性能和热变形温度大幅提升,扩大了PLA材料的使用范围。增韧改性后的PLA材料打印温度为200~240℃,打印过程中材料收缩率小,无气味,打印过程流畅,制品尺寸稳定,富有光泽。

2.3聚碳酸酯

PC是一种分子链中含有碳酸酯基的热塑性树脂。它性能优良,是目前使用最多的热塑性工程塑料之一[26–27]。PC几乎具备了工程塑料的所有优良特性,抗冲击性能好、无味、耐高温、抗弯曲、强度高,此外还具有良好的阻燃特性,可用于FDM工艺制备高强度产品[28]。但PC也存在一些缺点:颜色单一,着色性能不理想;PC中含有致癌物质双酚A,在高温下会析出,影响人体健康;价格相对较高;打印温度过高(超过300℃),不适用大多数的桌面3D打印机。

2.3.1国外

Stratasys是世界上第一家推出PC线材的3D打印公司。用该线材生产的产品强度高,耐热性好,最高可耐145℃。随后,Stratasys公司开发了工程材料PC/ABS。PC/ABS同时具有PC的高强度以及ABS的高韧性,力学性能大幅提升,使用该材料配合FORTUS设备制作的产品性能更佳。随后,Stratasys公司又推出了Polycarbonate–ISO(PC–ISO)材料。PC–ISO[29]是FDM技术可采用的材料中强度最高、耐热性最好的生物相容性材料。它通过γ射线、环氧乙烷进行杀菌并且符合ISO10993和美国药典塑料VI级标准,具备PC的所有性能,又具有良好的生物相容性,广泛应用于食品包装行业及医疗器械行业。

2.3.2国内

2014年,广州傲趣电子科技有限公司公布了一种高性能PC线材。此种线材用拜耳公司生产的食品级PC原料制作,可用于FDM工艺。该线材打印过程平台温度为120~150℃,喷嘴温度为255~280℃,流动性好,制品强度高,外观光泽细腻,尺寸精度高,不含双酚A,有效解决了PC材料的致癌问题。2015年,来自上海的3D打印材料制造商Polymaker与先进化学材料开发商Covestro(前身为拜耳材料科技)联手,共同开发出了两款专门针对桌面3D打印机的全新聚碳酸酯3D打印线材——PolymakerPC–Plus和PolymakerPC–Max。这两款线材经过特殊配方已经将打印温度从300~320℃下降到250~270℃,有效解决了PC材料难以用于桌面3D打印机的问题,打印温度的降低同时也减少了在打印过程中出现翘曲或变形的可能性。管国虎等[30]公布了一种FDM用芳香族聚酯材料及其制备方法。该发明首先将芳香族聚酯加入芳香族聚碳酸酯中进行共混改性,然后将共混物加工成细条状,再用适当剂量的电子束辐射使其发生一定程度的交联。该方法保持材料熔融加工性能的同时又达到了本体增强的目的。改性后的材料抗冲击性大大提高,使芳香族聚碳酸酯具有更加广阔的应用。

3展望

FDM技术相对于其他快速成型技术,由于具有成型速度较快,产品性能好、易清洁,后处理简单,设备体积小、易维护等优点,因而将会有更广泛的应用。经国内外学者的共同努力,FDM技术最常用的ABS、PLA和PC材料的性能大大提高,为FDM技术的广泛应用奠定了基础。目前国内有能力生产用于FDM技术的丝材的企业较少,且产品较国外有较大差距。因此,今后应加大对3D打印企业的资金支持,鼓励技术革新,研发高质量产品,缩小与国外的差距,促进我国3D打印产业的发展。

作者:魏欣 刘洋子健 张成彬 张均 姜志国 单位:北京化工大学材料科学与工程学院

高分子材料论文:高分子材料的化工原理教改

一、阐明高分子生产加工与化工生产间的内在联系

高分子材料加工涉及的通常是高分子材料成型加工方法,化工原理课程也是海南大学(以下简称“我校”)高分子材料与工程专业的一门专业基础课。学生在初学化工原理时可能感觉与高分子加工技术相差较大,对将来专业知识没有直接帮助,学习的积极性与主动性均难以充分调动,甚至还易产生消极抵触的情绪。因此,在课程刚开始的绪论这一章的教学中在介绍什么是化学工业过程时笔者不以教材里的传统化工加工为例,而是详举高分子行业中运用化工原理知识进行材料加工处理的实例,提前介绍一些高分子材料加工的方法,拉近学生与传统化工加工技术的距离,让学生理解高分子加工的一些操作与传统化工类的操作间的异同点,以便消除同学们内心的疑惑,指明高分子材料加工专业的同学学习化工原理知识的必要性。如天然橡胶的初加工是海南(以下简称“我省”)省的特色产业也是我校高分子材料专业的一个重要方向。从天然橡胶树上采割的胶乳经过一系列的处理得到干胶产品(如图所示)。在这个过程中干燥、浓缩、压片等操作与传统化工生产中的相关的单元操作一样,所用的基本原理相同,设备基本通用。高分子材料如聚乙烯的合成中乙烯气体在常压常温下,加压输送合成前的加热升温操作及反应后产物的分离与传统化工专业的流体输送原理及加热原理是相同的,所用设备是相通的。

二、将高分子加工工艺融入化工原理的课程教学中

在高分子材料的加工中采用了大量的化工单元操作。但这些高分子加工艺在传统的化工原理教材中是看不到的。这就要求任课教师具有高分子材料加工方面的知识背景,这样可以将高分子加工工艺中运用到的化工原理的知识融入课程的教学中,学生领会到该门课程的知识在专业知识中的基础作用学习兴趣才会提高,并且在将来的工作中能有意识地提前运用化工原理的理论知识,进行企业的节能降耗等的工艺改进。如在以动量传递理论为基础的单元操作的有关教学中,教材通常是以牛顿型流体如水、苯或甲苯等常规化学品的流体输送为例,而高分子材料专业的学生处理对象多为大分子材料,所处状态通常固体颗粒或黏稠状态,属于非牛顿型流体范畴。因此教材中的例子缺乏对高分子材料专业学生的足够吸引力,难以达到应有的示例效果。教学中我们以胶乳厂中天然浓缩胶乳的生产工艺为例,说明工艺中我们利用泵提供新鲜胶乳能量,促使其流入高速离心机中,而离心机是非均相物分离的一个单元操作。高分子量的聚异戊二烯在离心机转鼓的轴中心较远的地方富集,而小分子如水分、小分子量的聚异戊二烯在轴中心附近富集。将这两个位置的乳液分别导出就分别得到浓缩胶乳和胶清胶,并利用非牛顿型流体的阻力计算方法表明,由于胶乳的黏稠度远大于水的黏度在动力消耗上要比同等条件下输送水的动力消耗大。鉴于在塑料或橡胶的加工生产中大量运用到了螺杆挤出机。所以在流体输送设备介绍中,笔者是以螺杆挤出机在塑料加工中的应用为例,说明螺杆挤出机的工作原理,并且介绍在塑料挤出机的料斗的颗粒进料系统中可以利用固体流态化技术,采用真空吸料或用鼓风机压料进行原料输送。在以热量传递为理论基础的单元操作中,在介绍以导热方式进行的热传递时,笔者以未硫化胶膜在平板硫化仪内加热硫化为例进行导热说明。而以塑料在螺杆挤出机内或橡胶在炼胶机上进行塑炼时的粘流态受热为例介绍对流传热热传递方式。在以质量传递为理论基础的单元操作中,以粉末涂料的生产为例,介绍喷雾干燥工艺。这些将高分子材料加工工艺融入化工原理的课堂教学中,拉近了材料加工与化工原理知识间的距离,提高了学生学习的兴趣,起到明显的教学改革效果。

三、以高分子材料为实验对象

化工原理一般是同学们从公共基础课转向专业课学习所接触到的第一门工程性课程,亦是一门理论与实践紧密结合的技术基础课程。它的实验课教学设计至关重要,其不仅关系到整门课程教学效果的好坏,更是决定能否推进该课程素质教育的关键环节之一。为提高高分子材料类专业同学参与化工原理实验课的学习热情,笔者在实验教学中选择高分子材料进行相关的实验。如干燥实验中有的专业以甘蔗渣纸板为实验对象,获得有关纤维的干燥过程曲线和干燥速率曲线。而我省特色产业天然胶乳加工中有将天然胶乳干燥制备成干胶的这一操作。为了结合我校的高分子材料专业,专业实习提前将有关化工原理的知识融入到专业学习中。实验中以天然胶乳制备的湿膜片为实验材料,获得天然胶乳薄膜制品的干燥过程曲线和干燥速率曲线,为以后同学们去胶乳厂参观实习提供理论和实验依据。这一举措不仅有效激发了同学们参与实验研究的主动性,反过来也极大促进了该课程理论学习的积极性。

四、有的放矢传授教学内容,适应少学时的课程教学计划

在高分子材料类专业的教学计划中,化工原理虽也多被列为必修课程,但相比化工类专业,其教学学时要少得多。因此,如何在有限的学时内,引导同学们在掌握基本化工操作知识的基础上,有的放矢地传授教学内容,引导学生自主复习,进行课外自学。如化工原理教材中有大量公式推导过程,少学时专业课的教学中不容许课堂上在公式推导中花费大量的时间,课堂教学中会简单介绍推导思路,鼓励学生课前及课后自学,重点放在有关理论的应用上。如离心泵理论扬程的方程式的推导过程,运用了前期我们学过的伯努利方程的知识和几何学中速度的矢量运算知识。在教学中要求学生课前自学,教学重点在分析、总结和对公式的理解和运用上。考虑课程特点,在蒸发等单元操作上分配课时较少,而对于膜分离这类单元操作,由于与高分子材料有密切关系,安排一定的学时学习这类单元操作的原理。这样做到有的放矢,尽可能与专业产生一定的关联,为专业知识拓宽坚实的专业基础知识。

作者:张可喜符新何映平李志君单位:海南大学材料与化工学院

高分子材料论文:生物可降解高分子材料

摘要:我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列,每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解,以尽量减少对人类及环境的污染。本文探讨了生物可降解高分子材料现阶段的开发应用情况。

关键词:高分子材料可降解生物

我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列,每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解,以尽量减少对人类及环境的污染。生物可降解材料,是指在自然界微生物,如细菌、霉菌及藻类作用下,可完全降解为低分子的材料。这类材料储存方便,只要保持干燥,不需避光,应用范围广,可用于地膜、包装袋、医药等领域。生物可降解的机理大致有以下3种方式:生物的细胞增长使物质发生机械性破坏;微生物对聚合物作用产生新的物质;酶的直接作用,即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。按照上述机理,现将目前研究的几种主要的可生物可降解的高分子材料介绍如下。

1、生物可降解高分子材料概念及降解机理

生物可降解高分子材料是指在一定的时间和一定的条件下,能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料。

生物可降解的机理大致有以下3种方式:生物的细胞增长使物质发生机械性破坏;微生物对聚合物作用产生新的物质;酶的直接作用,即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。一般认为,高分子材料的生物可降解是经过两个过程进行的。首先,微生物向体外分泌水解酶和材料表面结合,通过水解切断高分子链,生成分子量小于500的小分子量的化合物;然后,降解的生成物被微生物摄入人体内,经过种种的代谢路线,合成为微生物体物或转化为微生物活动的能量,最终都转化为水和二氧化碳。

因此,生物可降解并非单一机理,而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用,相互促进的物理化学过程。到目前为止,有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外,高分子材料在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外,还与材料温度、酶、PH值、微生物等外部环境有关。

2、生物可降解高分子材料的类型

按来源,生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类。按用途分类,有医用和非医用生物可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。

2.1微生物生产型

通过微生物合成的高分子物质。这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖,具有生物可降解性,可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。如英国ICI公司生产的“Biopol”产品。

2.2合成高分子型

脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低,强度及耐热性差,无法应用。芳香族聚酯(PET)和聚酰胺的熔点较高,强度好,是应用价值很高的工程塑料,但没有生物可降解性。将脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺)制成一定结构的共聚物,这种共聚物具有良好的性能,又有一定的生物可降解性。

2.3天然高分子型

自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子,这些高分子可被微生物完全降解,但因纤维素等存在物理性能上的不足,由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求,因此,它大多与其它高分子,如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。

2.4掺合型

在没有生物可降解的高分子材料中,掺混一定量的生物可降解的高分子化合物,使所得产品具有相当程度的生物可降解性,这就制成了掺合型生物可降解高分子材料,但这种材料不能完全生物可降解。

3、生物可降解高分子材料的开发

3.1生物可降解高分子材料开发的传统方法

传统开发生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化学合成法和微生物发酵法等。

3.1.1天然高分子的改造法

通过化学修饰和共混等方法,对自然界中存在大量的多糖类高分子,如淀粉、纤维素、甲壳素等能被生物可降解的天然高分子进行改性,可以合成生物可降解高分子材料。此法虽然原料充足,但一般不易成型加工,而且产量小,限制了它们的应用。

3.1.2化学合成法

模拟天然高分子的化学结构,从简单的小分子出发制备分子链上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物,这些高分子化合物结构单元中含有易被生物可降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物可降解的链段。化学合成法反应条件苛刻,副产品多,工艺复杂,成本较高。

3.1.3微生物发酵法

许多生物能以某些有机物为碳源,通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子。但利用微生物发酵法合成产物的分离有一定困难,且仍有一些副产品。

;3.2生物可降解高分子材料开发的新方法——酶促合成

用酶促法合成生物可降解高分子材料,得益于非水酶学的发展,酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质,并拥有了催化一些特殊反应的能力,从而显示出了许多水相中所没有的特点。

3.3酶促合成法与化学合成法结合使用

酶促合成法具有高的位置及立体选择性,而化学聚合则能有效的提高聚合物的分子量,因此,为了提高聚合效率,许多研究者已开始用酶促法与化学法联合使用来合成生物可降解高分子材料新晨

4、生物可降解高分子材料的应用

目前生物可降解高分子材料主要有两方面的用途:(1)利用其生物可降解性,解决环境污染问题,以保证人类生存环境的可持续发展。通常,对高聚物材料的处理主要有填埋、焚烧和再回收利用等3种方法,但这几种方法都有其弊端。(2)利用其可降解性,用作生物医用材料。目前,我国一年约生产3000多亿片片剂与控释胶囊剂,其中70%以上是上了包衣的表皮,其中包衣片中有80%以上是传统的糖衣片,而国际上发达国家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片,因此,我国的片剂制造水平与国际先进水平有很大的差距。国外片剂和薄膜衣片多采用羟丙基甲纤维素,羟丙纤维素、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素、羟甲基纤维素钠、微晶纤维素、羟甲基淀粉钠等。

高分子材料论文:建筑材料中废旧高分子材料回收利用研究

摘要:高分子材料是现代社会生产加工中应用的主要原料形式之一,建筑材料中高分子的应用更是随处可见,结合生活中高分子的应用,从职业院校教师的角度,对建筑材料中废旧高分子材料的回收利用探究。

关键词:建筑材料;高分子材料;回收利用

随着社会经济发展水平的逐步提高,社会发展的范围也得到扩大,现代建筑材料中,主要应用以塑料、橡胶、纤维为主的高分子材料作为主要的建筑材料,高分子材料在建筑材料中的应用,可以降低建筑的成本,实现现代建筑的使用寿命得到延长,但建筑材料中废旧高分子材料应用的回收不当,对社会环境造成较大的污染,结合高分子材料的特性,对高分子的回收利用进行探究。

1废旧高分子材料的危害分析

高分子材料主要是由塑料、橡胶以及纤维等资源,是一种新型符合建筑材料,废旧的分子如果不能得到及时降解,则会在太阳光的作用下发生化学反应,产生以二氧化硫为主的污染气体[1],对造成大气污染,同时,高分子中的塑料成分中含有大量的聚乙烯,可降解性较差,从而在社会中产生有色污染垃圾,对社会环境造成直接污染,严重影响了社会环境的建设。结合以上对高分子材料的危害的分析,提出高分子在现代建筑材料中回收利用的分析措施,实现高分子在建筑材料中应用的进一步探究。

2建筑材料中废旧高分子的回收利用

2.1建筑材料墙体的应用

高分子在建筑材料中的应用,可以作为建筑材料墙体,高分子转换为玻璃塑料混合墙体,高分子的主要材质中塑料可以到达塑性的作用,从而实现建筑材料的外部形态结构得到稳固,大大提高了现代建筑墙体的稳定性和固定性,此外,高分子制作的新型融合性结构中充分发挥高分子抗压,耐高温的特点,而新型建筑墙体中融合了玻璃材质,使废旧高分子转化后的建筑墙体可以达到比传统墙体建结构更加完善的建筑稳定性受压能力,为废旧高分子的二次利用提供了应用的新范围[2],为我国现代建筑行业的发展提供新的符合材料。

2.2金属橡胶混凝土

金属橡胶混凝土是现代建筑中应用的一种新型建筑材料,主要由不同硬度的金属,塑料、橡胶等部分组成[3]。金属橡胶混凝土的应用能够解决现代墙体建筑中存在的墙体裂缝等问题,可以提高施工建筑的密封性。例如:应用传统的建筑材料进行施工建筑中,施工材料受到墙体的压力或者温度的影响,容易出现墙体裂缝或者密封性降低的情况发生,导致建筑施工的质量出现问题,采用金属橡胶混凝土后,墙体施工后,应用新型混凝土对墙体建筑充的对接缝进行外部填充,新型混凝土中含水量较低,能够解决墙体施工建筑中施工开裂的问题,提高了现代建筑的施工质量。

2.3混合建筑保温层的转化

高分子材料在建筑应用材料中的回收利用,转化为混合建筑保温层,是直接的综合利用的体现。现代建筑中墙体保温层建筑是主要的建筑问题之一,传统的墙体保温层采用双层保温板,但保温板经过一段时间的应用后,受到墙体中水泥的侵蚀,使保温板的保温效果下降,用户入住后,一段时间后室内温度明显降低,房屋建筑的保温效果下降,高分子可以转化为泡沫保温层,新型高分子混合泡沫保温层的主要成分是塑料和橡胶,可以抵抗水泥长时间的形侵蚀,到达保证保温层长期持久豹纹的效果。此外,新型混合保温层具有较好的吸声作用,能够达到施工墙体建筑保温效果好的同时增强了墙体的隔音效果,完善我国建筑施工技术水平的进一步优化发展,实现废旧高分子的综合应用。

2.4新型防水符合材料

高分子材料在现代建筑领域的应用,为我国建筑施工的材料创新应用提供了更加全面的应用范围。高分子材料的应用,可以达到新型防水材料的使用。现代建筑施工中,采用硅酸水泥和粉煤灰以及聚乙烯作为主要的构成材料,新型防水材料的应用,可以实现外墙墙体建设与保温层之间的隔水性增强[4],能够打破传统墙体建筑保温层中保温层受到外部墙体渗水的影响情况,新型防水材料中聚乙烯可以使施工材料表面形成保护膜,达到及时阻隔外部墙体渗入到墙体中水分的作用,实现我国整体建筑施工墙体的防水性得到大大提高。例如;新型符合防水层可以将外部墙体渗入的水分进行阻隔,聚乙烯将深入的水分转接给粉煤灰,粉煤灰吸收水分,保持保温层的环境干燥,达到保护墙体保温性,延长墙体使用寿命的作用。

2.5复合地板的应用

高分子在建筑材料中的回收利用,体现为复合地板的应用,新型建筑材料的施工建筑具有加强的耐用性,复合地板的主要材料是由传统的木质材质和聚乙烯作为主要的材质,地板的木质材料保留了传统地板中木质地板材质问题,同时融合聚乙烯可以提高地板的防水性和耐磨性,表面的聚乙烯薄膜能够达到保护地板日常应用中与坚硬物体之间的摩擦痕迹,增强地板的耐磨程度;此外,新型符合地板可以保护地板不受到蛀虫的影响,延长地板在实际的使用寿命。

3结论

高分子是现代社会建设中经常应用的一种建筑材料,结合建筑材料对废旧高分子技术的探究分析,实现我国现代社会发展材料综合应用,促进我国现代社会发展资源的综合利用。

作者:陈玲琳 单位:湖北工业大学

高分子材料论文:建筑材料中废旧高分子材料回收及应用

1.我国废旧高分子材料回收的现状

对废旧高分子材料进行处理可谓是一把双刃剑,运用得好能够节约资源,保护环境,如果没能够处理好,就会给我们的生产生活带来一定的负面影响,甚至还会是出现毒有害现象。将废旧材料应用到建筑建设当中,既可以进一步降低高分子材料给我们的生产生活带来的影响,还可以为建筑工程提供更多更好的建筑材料的来源。随着科学技术的发展、社会的进步,会有更多新型的高分子材料问世,从而提高整个建筑行业的经济效益,实现环境效益、社会效益、环境效益的有机统一。我国处理废弃的高分子材料的技术还相对比较落后,绝大部分处理方法也只是简简单单的再生及复合再生。在这种情况下,大批量的废弃高分子材料就会被当成垃圾,随意丢弃,大量的废旧高分子材料给我们的日常生活带来了极大的影响,严重污染了我们的环境,例如:分散在土壤中塑料地膜,很容易导致土质板结,不利于农作物对氧、空气、水分、光的吸收;地面上飞散的薄膜碎片也容易导致相关建筑引起火灾;再降解的过程中,部分废旧高分子材料会释放对人们身体健康非常有害的毒素。现阶段,我们迫切需要处理好这些废旧的塑料、纤维、橡胶等问题。

2.废旧高分子材料在建筑材料中的应用

当今的世界是一个充满高分子材料的世界,我们在一方面享受高分子材料给我们的生产生活带来极大的便利的同时,还要考虑废旧高分子的处理问题。处理废旧高分子材料有益也有弊,废旧材料处理得好,则有利于降低高分子材料给我们带来的危害,不仅如此,还能够帮助我们降低生产生活成本;如果处理不好,就会危害环境,给我们的身体健康造成损害。将废旧高分子材料作为一种建筑材料,能够有效解决废旧材料无法处理的难题,一方面可以降低废旧高分子材料的危害,另一方为工程建设提供了一条新的建筑来源。随着科学技术的进一步发展,新型材料将会一项接着一项的问世,最终达到经济效益、环境效益和社会效益的统一。首先,废旧高分子材料在建筑当中可以当做墙体材料来应用。随着我国相关使用粘土砖禁令的进一步公布,我国建筑工程行业已经开始进一步加强了新型墙体材料的开发和应用,因此,回收废旧高分子材料具有非常重要的意义,极大的支持了墙体材料的进一步创新。现阶段,新墙体材料的相关技术已经日益成熟,并逐步应用到生产实际当中,与我们的生产生活密不可分,具体来说,主要包括以下几个方面:一是将塑料同玻璃有机结合成在一起形成的样品砖。现阶段,我国已经研制出了将玻璃和塑料复合而成的样品砖,这种样品砖并得到了极大的应用。二是金属橡胶混凝土。金属橡胶混凝土材料的性能较强,有利于解决混凝土的各种结构问题,例如我们通常见到的隔音差以及抗震性能不够等。三是聚苯乙烯泡沫塑料生产混凝土保温砌块。这种砌块的规模通常比较小,且具有很强的隔音效果以及抗压强度较高,属于高质量的、质量较轻的墙体材料。在实际工作过程中,砌块的聚苯乙烯泡沫塑料外部包裹的水泥浆层起着重要的骨架作用,因此,基本上泡沫塑料不受外力的作用。四是利用粉煤灰和废旧塑料制作成的建筑用瓦,这种瓦的研制,一方面能够极大的降低成本,另一方面还可以消除白色污染。五是充分利用废泡沫材料制作新型的保温砖,这种保温砖具有防火性能好、造价低廉等特点。

其次,废旧高分子材料在建筑装饰材料中的应用。每一个建筑材料中都不能缺少建筑材料,如果建筑当中缺乏装饰材料则会极大的影响我们日常的生产和生活,甚至还会对人们的身体健康带来极大的影响,更有甚至,还会引发重大的疾病。因此,我们可以将废旧高分子材料应用到建筑装饰材料中,一方面能够降低整个建筑的建设成本,另一方面还提高了安全性能,减少了环境污染,可以说是一举多得。具体来说,可以进行以下几个方面的运作:一是,充分利用废旧塑料来生产建筑装饰板材。现阶段,我国相关部门已经对这方面给予了研究,取得了一定的成绩。该技术的主要原理在于是用色素添加剂、废旧塑料、增强剂等原料,以重量为基本单位,现将废旧塑料清洗干净,将其晒干后,进行融化成为细颗粒,再次融化的同时,添加增强剂以及色素添加剂,并将其冷却成为我们需要的形状,在此基础上,涂上鲜艳的色彩,将其制作成成品。二是,利用废旧高分子材料制作组织燃烧的一种废旧材料。根据相关报道,通过在一些废旧塑料和锯粉末中加入一定添加剂的方式,可以制作有效阻止燃烧的一种建筑装饰材料。经过试验证实,这种材料的阻燃性非常强,因此,完全可以应用到建筑当中,一方面能够为建筑装饰建材提供更多的种类,另一方面还能够保护环境,为美化环境做贡献。再次,废旧高分子材料在其他建筑材料当中的应用。近些年来,废旧高分子材料逐步应用到建筑材料中得到了广泛的应用。具体来说,包括以下几个方面:一是废旧聚苯乙烯泡沫塑料和粉煤灰共同制造的防水材料。以普通硅胶为材料,添加少量防腐剂,从而形成质量良好的保温防水材料,该材料能够将防水和保温隔热有机的融为一体,该保温防水材料的强度较高、密度相对较低、保温隔热性能极好,可以说,是一个非常理想的屋面保温材料。二是,利用废聚烃类树脂生产塑料地板,现阶段,我国已经研究出该项产品,并取得了极大的成功。在世界塑料家族中,“PVC”的产量相对较高,制品也比废品相对较多。由于“PVC”是一种含卤物质,因此,想要回收该材料受到很多因素的限制,运用这项技术能够生产出很多建筑材料产品,我们常见的有用废农膜、碳酸钙、润滑剂、稳定剂、色浆适量,经混合、密炼等一系列加工可制成塑料地板。总而言之,废旧高分子材料在建筑当中的应用,一方面降低了建筑的建设成本,另一方面还保护了环境,可以说是,一举多得。近些年来,我国对该方面的研究,也取得了一定的成效,并获得了极大的成功。

3.结语

随着我国社会的发展,废旧高分子材料的应用范围越来越广,这些废旧材料应用到建筑当中已经成为了大势所趋。正因如此,我们应当予以高度的重视。在日常的生活和工作中,进一步加强该项工作的研究,相关部门应当进一步加大资金投入力度,组织科研人员进行研究,为建设资源节约型、环境保护型社会努力。

作者:聂芹 胡冰峰 单位:江西现代职业技术学院