第三节 高分子材料加工的学科分类［4，14，20］
本书将高分子材料加工定义为“对高分子材料或体系进行操作以扩大其用途的工程”，它是把高分子原材料经过多道工序转变成某种制品的过程。应该指出，经过高分子材料加工得到的制品在物理上处于和原材料不同的状态，但化学成分基本相同；而高分子合成是指经过一定的途径，从气态、液态、固态的各种原料中得到化学上不同于原料的高分子材料。因此，高分子材料加工与高分子合成的含义是有区别的。
尽管各种高分子材料均有独特的成型方法，例如化学纤维的熔体纺丝、干法纺丝和湿法纺丝等（详见第五章），塑料的注塑、压制、压延、挤出、浇铸、浸渍、搪塑、热成型和中空吹塑等（详见第六章），橡胶的压制、压延、压出、浇铸、浸渍、涂层等（详见第七章），而且每一种制品的原料准备和后成型操作也各不相同，但是如果把高分子材料加工作为一门工程学科，根据基本的工程和科学原理，则可以将各种高分子材料的加工学科按图1-6进行分类。
图1-6 高分子材料加工中工序和原理的分解［20］
由图1-6可知，高分子材料加工过程包括基础阶段、成型和后成型三个阶段。高分子材料加工的基础阶段为成型准备了原料。基础阶段可以先于成型，或与成型同时进行。贯穿这些过程的始终或在这些过程之后出现了“结构化”。最后，结构化之外的后成型操作可以跟在其后。而主要的工艺操作是建立在若干工程基础之上的，特别是建立在传质现象、聚合物流体流变学、混合以及高分子物理学和化学的基础上的。因此，高分子材料加工是一门学科交叉、科学与工程紧密结合的学科。
下面对图1-6中的基础阶段和成型进行简单的讨论。
一、高分子材料加工的基础阶段
由于聚合物原材料通常以颗粒形式供给加工者，因此高分子材料的成型应在一系列的准备性操作之后才进行。这些操作的性质在很大程度上决定了加工机械的形状、尺寸、复杂程度和价格。这些准备性操作通常为一种或多种，称为高分子材料加工的“基础阶段”，它主要包括：固体粒子的处理，熔融或溶解，增压和泵送，混合，脱挥发物和汽提。
考虑到固体颗粒系统具有的独特性质，有必要把“固体颗粒的处理”定义为一个基础阶段。为了保证合理地设计加工设备，必须很好地了解以下内容：颗粒的装填、集聚、料斗中的应力分布、重力流动、架拱、压实和机械引起的流动。在处理固体的某种操作之后和成型之前，通常应该将聚合物溶解、熔融或加热软化。为了进行成型，例如流经口模或进入模具，必须泵送熔融或溶解的聚合物，这一过程通常产生压力。被称作“增压和泵送”的阶段完全是受聚合物流体的流变特性支配的，并对加工机械的结构设计产生深刻的影响。增压和熔融可以同时进行，它们通常相互影响，而且对聚合物流体也有混合作用。当加入的物料是由混合物组成而不是单纯的聚合物时，为了使流体的温度和组成均匀，必须对流体进行混合；对不相容聚合物分散体系在较宽范围内的混合操作，即结块和填料打碎等操作也都属于“混合”这一阶段。脱挥发物和汽提虽然也是常用的方法（例如在排气挤出机中的脱挥发物），但在后反应器进行的加工中尤为重要。
二、高分子材料的成型方法
虽然高分子材料的品种繁多，而且各有其传统的成型方法，但正如前面所述，根据基本的工程和科学原理，可以将所有高分子材料的成型方法归纳为以下五种。
（1）压延和涂覆。这是一种稳定的连续过程。它是在橡胶和塑料工业中广泛应用的最古老的方法之一。它包括传统的压延以及各种连续涂覆操作，例如刮涂和辊涂。
（2）口模成型。成型操作包含使聚合物流体通过口模的过程，其中有纤维的纺丝，薄膜和板（片）的成型，管和异型材成型，以及电线和电缆涂覆。
（3）模涂。蘸涂、粉料搪塑、粉料涂覆和旋转模塑等加工方法均属于模涂。所有这些方法都涉及在模具内表面或外表面敷上一层相对比较厚的涂层。
（4）模塑和铸塑。它们包括用热塑性塑料或热固性聚合物为模具“供料”的所有方法。这些方法包括了常见的注塑成型、传递模塑和模压，以及单体或低分子量聚合物的普通浇铸和“原位”聚合。
（5）二次成型。顾名思义，这一成型方法是指已预成型的高分子材料的进一步成型。塑料的热成型、吹塑和冷成型等可以归为二次成型操作。
需要指出的是，图1-6显示的是高分子材料的传统加工成型。但随着科学技术的发展，一些新的加工成型技术正在相继问世。例如，现在已经可以将高分子材料的合成和加工成型这两个截然分离的过程融为一体。传统加工设备只是用于高分子粒料加工成制品，但高分子材料反应加工赋予了加工设备合成反应器的功能，与传统反应需数小时或十几小时相比，其反应时间往往只有几分钟或十几分钟。另一种新的聚合物高压成型技术，在室温下可以进行塑料加工成型，有望成为节能的塑料加工方法，并可促进塑料回收技术的发展。传统的加工过程是一种聚合物动力学历史，近年来，已扩展到外场的影响，如表面取向、电、磁场、溶剂熏蒸、新的流动几何等。3D打印等快速成型技术，可以采用材料精确堆积的方法最终生成非常复杂的实体。因此，本书在重点阐述传统加工成型方法的同时，也将简单介绍一些新的加工成型方法及其原理。