体积拉伸流变塑化输运技术助力材料创新发展

材料是现代文明和技术进步的基石，高强度、高模量、耐高温、耐冲击、耐极端服役条件等高性能新型高分子材料的开发与应用不仅能解决现阶段高分子材料所面临的问题，也将积极地推动高分子材料向智能化、精细化、功能化方向发展。

高分子材料加工成型是一个外场作用下的形变过程，制造技术与装备在很大程度上决定了最终材料与产品的结构与性能。瞿金平院士团队经过多年的创新与实践，率先提出了基于拉伸流变的高分子材料塑化输运方法，实现了高分子材料加工成型原理和方法由“剪切形变”到“拉伸形变”的变革，在多方面具有独特优势。

瞿金平院士、吴婷在2020年《科技导报》第14期刊发了《体积拉伸流变塑化输运技术助力材料创新发展》一文，文章重点介绍了体积拉伸流变支配的偏心转子塑化输运装置的结构原理和技术特点，探讨了该技术在通用材料自增强加工和特种材料高效加工上的优势。

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体积拉伸流变塑化输运技术

体积拉伸流变塑化输运技术突破了百年来高分子材料加工成型设备以“螺杆”为标志的发展模式，可以有效降低高分子材料加工能耗，解决多种难加工甚至不能加工物料的加工瓶颈问题，提高材料及产品性能，从而产生巨大的经济和社会效益，推动高分子材料及相关产业的技术进步和可持续发展。

聚合物塑化输运原理创新

图1 剪切流场(a)和拉伸流场(b)塑化输运机理

图1（a）描述了剪切形变支配的螺杆塑化输运机理；图1（b）描述了拉伸流场中的塑化输运机理，物料在体积拉伸流场中会产生体积拉伸形变。

体积拉伸流变成型加工方法

瞿金平院士团队经过多年理论和实践研究，在叶片塑化输运装置的基础上，成功开发了基于体积拉伸流变的偏心转子塑化输运装置（ERE），其结构原理如图2所示。

图2 偏心转子塑化输运装置结构示意

装置主要由定子和置于定子内腔中的偏心转子组成。在输运过程中，偏心转子将定子内腔的分为两个腔室，当腔室体积增大时纳入物料，当体积减小时，物料被向前输送。物料被周期性压缩与释放，从而完成整个塑化输运过程。

体积拉伸形变塑化输运技术特点

1）正位移体积输送特性。

装置是通过啮合运动产生强制性的容积输送，避免了设备对高分子材料特性的依赖。

2）高效混合分散特性。

强拉伸流场有利于塑化输运过程中的分散混合，并具有良好的强制增容效果。

3）短流程低能耗特性。

强化了物料之间的传质传热效果，输运中物料停留时间短，熔体温度分布均匀，能量利用率高。

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通用材料自增强加工技术

在通用材料成型加工领域，杂化高分子材料多功能改性是提高本体聚合物综合性能和拓展其应用领域的重要方法。

多组分塑料共混增容改性

瞿金平院士团队开发了基于体积拉伸形变的多组分塑料体系高效共混增容改性关键技术,强化杂化高分子材料各组分之间的界面相互作用，提高混合分散效果、减免昂贵低效的多级分炼过程、降低成本和能耗，实现杂化高分子材料的高效低成本合金化改性。

图3 PLA仿骨结构材料中平行（a）和垂直（b）于TNFs脆断面刻蚀SME微观结构及综合力学性能（c）

基于体积拉伸流场的偏心转子塑化输运装置在工业规模上制备了PLA仿骨结构材料（图3）。

该材料具有独特的多层次结构，其中互锁互联的三维网状结构和伸直链的片晶强化了材料的强度和模量。因此该材料具有超韧性、高模量、高强度和优异的抗热变形能力,其在结构和生物工程领域有巨大的潜在应用，如人造骨骼和组织支架等。

有机无机杂化功能改性

瞿金平院士团队开发了体积脉动作用诱导有机无机杂化功能改性关键技术。通过物料所占空间体积的不断压缩-释放作用而产生爆破效应，填料实现在树脂基体中的高效分散，实现有机无机杂化高效功能改性。

研究发现体积拉伸形变作用支配的偏心转子塑化输运装置制备聚合物纳米复合体系具有显著优势，其比剪切形变作用具有更好的混合分散效果。

图4 双螺杆与偏心转子制备PP/OMMT纳米复合材料的微观结构与力学性能

图4对比分析了双螺杆（TSE）与偏心转子制备PP/OMMT纳米复合材料的微观结构与力学性能，发现ERE制备的复合材料具有更好的插层和剥离效果，ERE制备复合材料的拉伸性能和冲击性能也均明显优于TSE制备的复合材料。

热塑性塑料纤维增强改性

瞿金平院士团队开发了基于系列爆 炸效应的纤维增强改性热塑性塑料关键技术。通过将小体积压缩单元与大体积释放单元交替设置，使复合材料的体积在轴向和径向呈交替周期性变化，产生压力差而引发爆 炸效应。

这强化了纤维增强热塑性复合材料的混合分散效果并最大限度地保留了纤维长度。

研究分析了双轴偏心转子与双螺杆塑化输运装置制备的尼龙6（PA6）/玻纤（GF）复合材料中玻纤的保留长度及其制品的服役性能。

结果表明，双轴偏心转子加工的平均保留长度更长，且冲击性能和耐疲劳能力均明显优于双螺杆加工的复合材料（图5）。

图5 双螺杆和双轴偏心转子加工PA6/GF复合材料的玻纤保留长度（a，b）、冲击性能（c）和疲劳性能对比（d）

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特种材料高效加工技术

特种高分子材料的高效率、短流程、低能耗加工是推动高性能和功能高分子材料研发和产业化的关键所在。

难熔难加工材料高速成型

传统剪切形变技术难以实现难熔难加工材料的高效输送和成型。

偏心转子塑化输运装置的体积压缩释放效应能够强制输送难熔难加工材料的固体粒子及其高弹态熔体，能强化难熔难加工材料熔融塑化过程的传质传热效果，缩短物料停留时间，实现难熔难加工材料的高速成型加工。

瞿金平院士团队自主研制的超高分子量聚乙烯管材动态轧制成型设备，成功实现了纯UHMWPE管材的高效、稳定成型加工（图6），实现了UHMWPE管材超高的生产效率和极高的生产速度。

图6 拉伸流场主导的UHMWPE管材挤出成型现场实验（a）及不同转速下UHMWPE管材的输出产量和线速度（b）

极端流变行为材料熔融改性

具有极端流变行为的高分子材料指在加工过程中，表现出极高黏度或黏度变化极大的树脂。

这类材料通常具有优异的性能，却由于成型条件苛刻、加工周期长等问题，限制其大规模应用。通过熔融改性可以提高其加工流动性和成型加工效率，并达到增韧、增强、提高耐热以及抗磨损等性能的目的。

高密度聚乙烯（HDPE）与UHMWPE之间的黏度差异很大，很难获得充分混合的共混物。

瞿金平院士团队利用偏心转子塑化输运装置短流程、高效率地制备了不同配比的UHMWPE/HDPE体系，并研究了不同含量UHMWPE对体系结构和性能的影响。

研究发现：当UHMWPE含量增加时，样品的可变形性得到明显增强，与样品韧性的增加相对应（图7），这归功于体积拉伸流变主导作用下UHMWPE分子量保持及其在基体中的良好分散。

图7 不同UHMWPE含量下UHMWPE/HDPE体系的冲击断面形貌、冲击强度和应力-应变曲线

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结论

基于拉伸流变的高分子材料塑化输运方法的提出，实现了高分子材料加工成型原理和方法由“剪切形变”到“拉伸形变”的变革，具有热机械历程短、能量损耗低、物料适应性广、混合分散效果好等优异特性，在多方面具有独特优势。

体积拉伸流变塑化输运技术的推广和应用将有利于提高中国高分子材料成型加工技术及装备的整体水平，推动高性能新型高分子材料的研发和产业化进程。

本文作者：瞿金平、吴婷

作者简介：瞿金平，中国工程院院士，教授，研究方向为高分子材料绿色先进加工成型技术及装备。