瞿金平院士：變「剪切形變」為「拉伸形變」，新技術助力材料創新發展｜科協年會專刊

材料是現代文明和技術進步的基石，高強度、高模量、耐高溫、耐衝擊、耐極端服役條件等高性能新型高分子材料的開發與應用不僅能解決現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、功能化方向發展。

高分子材料加工成型是一個外場作用下的形變過程，製造技術與裝備在很大程度上決定了最終材料與產品的結構與性能。瞿金平院士團隊經過多年的創新與實踐，率先提出了基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法，實現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勢。

瞿金平院士、吳婷在2020年《科技導報》第14期刊發了《體積拉伸流變塑化輸運技術助力材料創新發展》一文，文章重點介紹了體積拉伸流變支配的偏心轉子塑化輸運裝置的結構原理和技術特點，探討了該技術在通用材料自增強加工和特種材料高效加工上的優勢。

體積拉伸流變塑化輸運技術

體積拉伸流變塑化輸運技術突破了百年來高分子材料加工成型設備以「螺杆」為標誌的發展模式，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，提高材料及產品性能，從而產生巨大的經濟和社會效益，推動高分子材料及相關產業的技術進步和可持續發展。

聚合物塑化輸運原理創新

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杆塑化輸運機理；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

瞿金平院士團隊經過多年理論和實踐研究，在葉片塑化輸運裝置的基礎上，成功開發了基於體積拉伸流變的偏心轉子塑化輸運裝置（ERE），其結構原理如圖2所示。

圖2 偏心轉子塑化輸運裝置結構示意

裝置主要由定子和置於定子內腔中的偏心轉子組成。在輸運過程中，偏心轉子將定子內腔的分為兩個腔室，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特點

1）正位移體積輸送特性。

裝置是通過嚙合運動產生強制性的容積輸送，避免了設備對高分子材料特性的依賴。

2）高效混合分散特性。

強拉伸流場有利於塑化輸運過程中的分散混合，並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。

通用材料自增強加工技術

在通用材料成型加工領域，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用領域的重要方法。

多組分塑料共混增容改性

瞿金平院士團隊開發了基於體積拉伸形變的多組分塑料體系高效共混增容改性關鍵技術,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，實現雜化高分子材料的高效低成本合金化改性。

圖3 PLA仿骨結構材料中平行（a）和垂直（b）於TNFs脆斷面刻蝕SME微觀結構及綜合力學性能（c）

基於體積拉伸流場的偏心轉子塑化輸運裝置在工業規模上製備了PLA仿骨結構材料（圖3）。

該材料具有獨特的多層次結構，其中互鎖互聯的三維網狀結構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、高強度和優異的抗熱變形能力,其在結構和生物工程領域有巨大的潛在應用，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了體積脈動作用誘導有機無機雜化功能改性關鍵技術。通過物料所佔空間體積的不斷壓縮-釋放作用而產生爆破效應，填料實現在樹脂基體中的高效分散，實現有機無機雜化高效功能改性。

研究發現體積拉伸形變作用支配的偏心轉子塑化輸運裝置製備聚合物納米複合體系具有顯著優勢，其比剪切形變作用具有更好的混合分散效果。

圖4 雙螺杆與偏心轉子製備PP/OMMT納米複合材料的微觀結構與力學性能

圖4對比分析了雙螺杆（TSE）與偏心轉子製備PP/OMMT納米複合材料的微觀結構與力學性能，發現ERE製備的複合材料具有更好的插層和剝離效果，ERE製備複合材料的拉伸性能和衝擊性能也均明顯優於TSE製備的複合材料。

熱塑性塑料纖維增強改性

瞿金平院士團隊開發了基於系列爆炸效應的纖維增強改性熱塑性塑料關鍵技術。通過將小體積壓縮單元與大體積釋放單元交替設置，使複合材料的體積在軸向和徑向呈交替周期性變化，產生壓力差而引發爆炸效應。

這強化了纖維增強熱塑性複合材料的混合分散效果並最大限度地保留了纖維長度。

研究分析了雙軸偏心轉子與雙螺杆塑化輸運裝置製備的尼龍6（PA6）/玻纖（GF）複合材料中玻纖的保留長度及其製品的服役性能。

結果表明，雙軸偏心轉子加工的平均保留長度更長，且衝擊性能和耐疲勞能力均明顯優於雙螺杆加工的複合材料（圖5）。

圖5 雙螺杆和雙軸偏心轉子加工PA6/GF複合材料的玻纖保留長度（a，b）、衝擊性能（c）和疲勞性能對比（d）

特種材料高效加工技術

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和產業化的關鍵所在。

難熔難加工材料高速成型

傳統剪切形變技術難以實現難熔難加工材料的高效輸送和成型。

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

瞿金平院士團隊自主研製的超高分子量聚乙烯管材動態軋製成型設備，成功實現了純UHMWPE管材的高效、穩定成型加工（圖6），實現了UHMWPE管材超高的生產效率和極高的生產速度。

圖6 拉伸流場主導的UHMWPE管材擠出成型現場實驗（a）及不同轉速下UHMWPE管材的輸出產量和線速度（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，表現出極高黏度或黏度變化極大的樹脂。

這類材料通常具有優異的性能，卻由於成型條件苛刻、加工周期長等問題，限制其大規模應用。通過熔融改性可以提高其加工流動性和成型加工效率，並達到增韌、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子塑化輸運裝置短流程、高效率地製備了不同配比的UHMWPE/HDPE體系，並研究了不同含量UHMWPE對體系結構和性能的影響。

研究發現：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（圖7），這歸功於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體系的衝擊斷面形貌、衝擊強度和應力-應變曲線

結論

基於拉伸流變的高分子材料塑化輸運方法的提出，實現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、物料適應性廣、混合分散效果好等優異特性，在多方面具有獨特優勢。

體積拉伸流變塑化輸運技術的推廣和應用將有利於提高中國高分子材料成型加工技術及裝備的整體水平，推動高性能新型高分子材料的研發和產業化進程。

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及裝備。

本文發表於《科技導報》第14期，歡迎訂閱查看。

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