《高分子材料成型加工前沿》结合了学科发展前沿和国家重大需求，对高分子材料成型加工未来发展趋势做了全面思考，阐述了高分子材料成型加工的科学意义与地位，总结了高分子材料成型加工特点和发展规律，分析了高分子材料成型加工发展现状与态势；梳理了高分子材料成型加工尚未完全解决的重要科学问题，指出了面临的新使命与新机遇；归纳了未来5～10年高分子材料成型加工面临的重要科学问题，强调了面向学科前沿的优先发展方向和研究重点，提出了面向国家“卡脖子”问题的优先发展方向和研究重点，概述了未来具有引领性的研究方向。《高分子材料成型加工前沿》共分7章，内容包括绪论，高分子材料成型加工中的物理问题，高分子材料成型加工新方法，功能化、绿色化高分子材料成型加工，高分子材料成型加工过程原位在线检测技术，高分子材料成型加工数值仿真，高分子材料成型加工研究新使命等。

第1章 绪论
　　1.1概述
　　1.1.1高分子材料成型加工学科内涵
　　高分子材料成型加工是现代高分子材料科学与工程的重要组成部分。高分子材料成型加工学科的本质是在多外场耦合作用下高分子多层次结构响应、演变、形成的过程，也是人们对其进行有效调控的过程。成型过程不仅决定了制品的形状，也决定了制品的微观结构和*终性能。高分子材料成型加工研究的典型特征是从化学、物理、功能到材料加工和应用的贯通，具有多尺度、多层次特点（图1.1）。
　　图1.1高分子材料成型加工学科内涵
　　根据Tadmor和Gogos的**著作Principles of Polymer Processing的定义：“高分子加工是与在高分子材料或系统上进行的操作有关的工程活动，以提高其效用”[1]。对于高分子材料来说，不论是纯聚合物、混合物、复合材料还是杂化材料，只有通过加工成型获得所需的形状、结构与性能，才能成为具有实用价值的材料与产品，其制品的*终物理/化学性能与其成型加工过程是息息相关的[2，3]。高分子材料成型加工的目的是增加原料或产品的附加值。它是将聚合物原料转化为制品的过程，不仅涉及成型，还涉及导致大分子改性和形态稳定化的共混和化学反应，从而形成“增值”结构。
　　1.1.2高分子材料成型加工技术
　　1.注射成型
　　注射成型是高分子材料加工中重要的成型方法之一，注塑制品已占领塑料制品总量的30%以上。根据不同的应用场景及技术特征，注射成型技术大体可分为常规注射成型、微注射成型、流体辅助注射成型、微孔发泡注射成型、多组分注射成型等几大类。
　　微注射成型主要用于批量成型尺寸精确、形状复杂的微小尺寸制品，生产尺寸为毫米级或质量为毫克级的产品，广泛应用于集成电路、光通信、数据存储、医疗器械以及传感器等领域。微注射成型不是传统注射成型在尺寸规模上的简单缩减，微注射成型设备拥有更高的注塑计量精度、更准确的模温控制能力以及快速的反应能力。微注射成型模具要有更高的表面光洁度、制造及装配精度，微注射成型模具的设计制造要比传统模具更加复杂和困难，常用的方法包括射线光刻、电子束光刻、LIGA（Lithographie，Galvanoformung，Abformung，光刻、电镀和成型）技术、准LIGA技术、激光加工技术和蚀刻技术等加工精度在10nm的光制作技术，微车削加工技术、微细电火花加工技术、微铣削加工技术和微磨削加工技术等加工精度在100nm的微机械加工技术等。同时，随着制品尺寸的减小，一些被传统注射成型所忽略的因素如重力效应、壁面滑移和表面张力等现象，开始对微注射成型制品的结构和性能产生不可忽略的影响。
　　流体辅助注射成型可分为气体辅助注射成型和水辅助注射成型，是一种典型的轻量化成型工艺。根据流体注射前熔体是否充满型腔，流体辅助注射成型工艺分为短射法和溢流法。短射法流体辅助注射成型的工艺过程为：型腔中先部分熔体填充，后注射流体完成充填、保压等。而溢流法流体辅助注射成型的工艺过程为：型腔中充满熔体后注入高压流体，高压流体推动被排挤的熔体经阀门流进溢流槽。相对于短射法而言，溢流法流体辅助注射成型工艺操作简单，残余壁厚均匀，制件表面无迟滞痕。
　　微孔发泡注射成型是通过在塑料熔体中加入超临界的氮气（N2）或者二氧化碳（CO2），使得在注塑制品内部形成致密的微孔，大小为0.1～10μm微孔的存在能够大大节约塑料原料，同时使得塑料制品具有较好的机械性能。在微孔发泡注射成型工艺中，采用CO2或N2等气体作为发泡剂，其发泡过程中无有害气体排放、对温室效应的影响较小，生成的微孔直径小且分布均匀，有效地克服了传统发泡工艺的缺点，因而该技术在国内外得到广泛应用。
　　多组分注射成型技术是指使用两个或两个以上注射系统的注塑机，把不同色泽或不同种类的塑料同时或顺序注射到同一个模具内而获得目标制品的成型技术。多组分注射成型技术按照其成型原理及成型工艺的不同，可以分为共注射成型、夹芯注射成型、双色注射成型、多色注射成型、二次注射成型、气辅共注射成型和水辅共注射成型等。
　　2.挤出成型
　　挤出成型是一种连续化成型方法，几乎可以成型所有的热塑性塑料，包括管材、板材、异型材、薄膜、纤维以及塑料与其他材料的复合材料等。挤出制品约占热塑性塑料制品产量的40%～50%。一条常见的聚合物材料挤出生产线通常由挤出机、机头、辅机、控制系统及后续辅助成型装置组成。在生产实践中，挤出成型原理和技术得到不断的深化和拓展；可加工的聚合物种类、制品结构和制品形式越来越多；挤出成型设备不断改进和创新，设备正朝着大型化、高效率化、精密化、智能化及专用化发展。
　　聚合物共挤成型是20世纪80年代发展起来的一种挤塑复合成型技术，它通过两台或多台挤出机同时供给不同的熔融物料，使多层具有不同特性的物料在单个共挤机头中汇集，复合成型得到具有几种材料优良特性多层复合结构的制品，从而实现材料在性能上互补，提高产品性能，已被广泛用于异型材、板材、管材、多层复合薄膜和电线电缆等产品的生产。同时，共挤成型还可有效使用回收塑料，可将回收料放在中间层，这样既保证了产品外观质量和性能，又节约了资源，降低了成本。
　　微孔塑料挤出发泡成型采用超临界流体CO2替代化学发泡剂，由于其传质系数高，具有微孔塑料所需的高成核速率等优点。微孔塑料挤出发泡成型技术的应用能够减小塑料制品的质量，避免化学发泡剂发泡孔径不稳定问题，使得泡孔孔径可控，其与传统塑料挤出成型相比，在不牺牲其物理性能的前提下能够大幅提升生产效率。
　　多层共挤出吹塑成型是多层复合制品的一种成型方法。它采用两种以上塑料品种，或使用两台以上的挤出机，共同挤出多层结构的型坯，通过压缩空气使型坯在模具型腔内吹胀，并成型为多层复合结构的吹塑制品。
　　虽然挤出成型可以加工绝大部分热塑性塑料和热固性塑料以及弹性体，但由于聚合物熔体的高黏性和黏弹性，传统挤出成型仍存在聚合物挤出胀大、“鲨鱼皮”、精度不高以及能量消耗大等问题。
　　3.压延成型
　　压延成型是指通过辊筒间产生的剪切力，使物料多次受到挤压、剪切以增大可塑性，在进一步塑化的基础上延展成薄型制品。辊筒对塑料的挤压和剪切作用改变了物料的宏观结构和分子链构象，在温度配合下使塑料塑化和延展。辊轴挤压使料层变薄，而延展后使料层的宽度和长度均增加。这项技术*早出现在18世纪的欧洲，主要应用于织物上光，后来由于聚氯乙烯的大量生产，压延成型的工艺得到了深入的开发，由*早的两辊压延机逐渐变为多辊，由粗糙的手工操作演变为现在的高精度、高自动化生产线。近年来，随着科学技术的发展，现在的塑料压延机经过不断的改进呈现出新的特点，朝着大型化、高速化、精密化、高自动化、机构多样化发展。
　　为适应加大宽度的要求，使压延生产线的高性能设备达到*佳质量、高度可靠性和高产量的目标，压延机械设备的发展趋势是：主机大型化、联动装置复杂化、控制自动化甚至人工智能化。辊筒是压延设备上的主要零件。目前*主要的分类方式是通过辊筒的数目和类型进行分类。按压延机辊筒数量可分为两辊压延机、三辊压延机、四辊压延机和五辊压延机。按辊筒的种类可分为I型、L型、倒L型和S型压延机。
　　压延成型工艺常用于塑料和橡胶的生产，其中以聚氯乙烯*为常见。影响压延成型的因素主要有压延速度、辊筒温度、辊间距和张力。
　　4.滚塑成型
　　滚塑成型又称滚塑、旋转成型、回转成型等，是一种热塑性塑料中空成型方法。滚塑成型始于20世纪40年代。在20世纪70年代时，滚塑成型技术在美国、欧洲等发达国家和地区得到了大面积的应用。我国的滚塑成型工业虽然起步较晚，但也在20世纪90年代前后实现了滚塑成型的工业化生产。2014～2019年全球滚塑制品需求量稳定增长，从382.5万吨增长至475.4万吨，美国占了世界总消费量的一半左右。
　　该方法是将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热，模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融黏附于模腔。整个滚塑成型的基本加工过程很简单，就是将粉末状或液状聚合物放在模具中加热，同时模具围绕着垂直轴进行自转和公转，然后冷却成型。在滚塑成型中，如果用的是粉末状材料，则先在模具表面形成多孔层，随循环过程渐渐熔融，*后形成厚度均匀的均相层；如果用的是液体材料，则先流动和涂覆在模具表面，当达到凝胶点时则停止流动。模具随后转入冷却工区进行强制通风或喷水冷却，然后被放置于工作区。在这里，模具被打开，完成的制件被取走，接着再进行下一轮循环。总的来说，材料的表面整体先成型为所需要的形状，再经冷却定型而成制品。
　　滚塑成型技术可以制造各种尺寸、形状和厚度的中空塑料零件，如各种储罐、桶、船舶集装箱等。与其他成型工艺相比，滚塑成型有着明显优势。例如，整个过程是在常压下实现的，因此与压力技术相比，投入成本更低；得到的零件产品无焊接线，具有较低的残余应力；在零件的颜色和材料变化方面具有更大的灵活性。然而可惜的是，这种成型工艺存在的问题与缺点限制了其自身加工方法的大规模应用，如整个成型过程的控制比较难，粉末、聚合物的材料选择少。
　　5.吹塑成型
　　吹塑成型又称中空吹塑成型，是指借助压缩空气的压力将闭合模具内处于熔融状态的塑料型坯吹胀成中空制品的一种成型方法。吹塑成型技术起源于20世纪30年代初，其发展阶段大致可分为以下几个时期：1945～1956年的低密度聚乙烯（LDPE）时期，1956～1964年的高密度聚乙烯（HDPE）时期，1965～1970年的HDPE后期，1971～1978年的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）时期，直到现如今的高度自动化的工业制件时期。目前，吹塑成型已经成为世界上仅次于挤出成型与注射成型的第三大成型方法，也是发展*快的塑料成型方法。在生产容器、工业零部件、日用品和汽车配件等领域，吹塑成型都得到了广泛的应用。适用于吹塑成型的高分子材料有LDPE、HDPE、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）等，*常用的是聚乙烯（PE）和PVC。
　　吹塑成型的主要形式有挤出吹塑成型、注射吹塑成型和拉伸吹塑成型三种。其中，值得注意的是，拉伸吹塑成型必须与挤出吹塑成型或注射吹塑成型结合起来形成挤出拉伸吹塑成型或注射拉伸吹塑成型。虽然不同的成型方法在形式上有差异，但吹塑成型过程的基本步骤差异不大，即熔化材料→将熔融材料制成管状物或型坯→将型坯置于吹塑模具中熔封→利用压缩空气将模具内型坯吹胀→冷却→取出制品→修整。据相关数据统计，吹塑制品的75%用挤出吹塑成型，24%用注射吹塑成型，1%用其他吹塑成型。
　　6.热成型
　　热成型采用热和压力或真空迫使热的热塑性材料作用于模具表面，从而达到加工目的。热成型是热塑性材料*常用的一种加工方法，该方法是金属片和部分纸片加工方法的延伸。尽管各种不同的加工方法存在着各自的特点，但实际上都是采用片材和模具通过热和压力或真空，将片材承压成所需形状。
　　7.压制成型
　　压制成型方法又称模压成型或压缩模塑，是指依靠外压的压缩作用实现塑料制品成型的一次成型技术。压制成型可兼用于热固性塑料和热塑性塑料。考虑到生产效率、制品尺寸的特点，目前主要用于热固性塑料、橡胶制品、复合材料的成型。压制成型的主要优点是可模压较大平面的制品和利用多槽模进行大量生产，其缺点是生产周期长且生产效率低，难以连续化、自动化。成型产品的形状、尺寸等也受到一定的限制，塑化作用不强，成型过程中无物料补充，须对原料进行塑化，计量要求准确，压缩比小。
　　8.纺丝技术
　　熔体纺丝是将成纤聚合物加热熔融形成具有一定黏度的纺丝熔体后，利用纺丝泵连续均匀地挤压到喷丝头，纺丝熔体以一定流量通过喷丝头的细孔压出，形成熔体细丝流，之后在空气或水中降温凝固，*终牵引成丝。喷丝孔压出的丝条凝固后具有较大的抗张力，因此需要熔体纺丝在短时间内将丝

目录
总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 高分子材料成型加工学科内涵 1
1.1.2 高分子材料成型加工技术 2
1.2 学科发展历程 7
1.2.1 高分子材料 7
1.2.2 成型加工设备 8
1.3 高分子材料成型加工学科态势分析 11
1.4 高分子材料成型加工发展趋势和挑战 17
参考文献 18
第2章 高分子材料成型加工中的物理问题 20
2.1 概述 20
2.2 高分子材料成型加工中的结晶问题 20
2.2.1 研究现状 20
2.2.2 结晶热力学模型 21
2.2.3 多尺度结构有序 23
2.2.4 非平衡结晶相图 27
2.2.5 高分子结晶研究待解决的问题 29
2.3 高分子材料成型加工中的表界面问题 30
2.3.1 表界面结晶 31
2.3.2 表界面受限态链段动力学或玻璃化转变 31
2.3.3 多组分高分子界面分子链扩散 32
2.3.4 多组分高分子界面化学反应与增容 33
2.4 高分子材料成型加工中的相分离问题 35
2.4.1 高分子共混体系热力学理论 35
2.4.2 高分子共混体系相图的确定及相分离机理 39
2.4.3 高分子共混体系中结晶与相分离 43
2.5 高分子材料成型加工中的流变学问题 51
2.5.1 多尺度流变学 51
2.5.2 聚合物分子流变学 52
2.5.3 多组分复杂流体结构流变学 53
2.5.4 加工外场下的次级流动与不稳定流动 54
2.6 发展趋势与展望 55
参考文献 56
第3章 高分子材料成型加工新方法 65
3.1 概述 65
3.2 高分子材料增材制造 65
3.2.1 高分子材料增材制造技术 66
3.2.2 高分子材料增材制造前沿技术 70
3.2.3 高分子材料增材制造的应用 72
3.3 高分子材料微纳成型 74
3.3.1 高分子材料微纳成型技术 74
3.3.2 高分子材料微纳成型的应用 78
3.4 高分子材料固相加工 79
3.4.1 自由拉伸 80
3.4.2 口模拉伸 81
3.4.3 固相拉伸过程中的物理过程 81
3.4.4 固相拉伸过程中的结构演化 84
3.5 发展趋势与展望 87
参考文献 88
第4章 功能化、绿色化高分子材料成型加工 93
4.1 概述 93
4.2 功能高分子材料成型加工 94
4.2.1 本征型功能高分子材料成型加工 94
4.2.2 微纳结构功能高分子材料成型加工 97
4.2.3 功能高分子复合材料成型加工 100
4.3 废弃塑料高值化回收及绿色制造 102
4.3.1 废弃塑料回收利用技术 102
4.3.2 废弃塑料的绿色再制造 107
4.4 生物降解与生物基高分子材料成型加工 111
4.4.1 生物基生物降解高分子材料 111
4.4.2 石油基生物降解高分子材料 112
4.4.3 生物基非生物降解高分子材料 114
4.4.4 生物降解高分子材料成型加工 117
4.5 高分子材料超临界流体微孔发泡成型加工 117
4.5.1 高分子材料超临界微孔发泡技术 118
4.5.2 超临界流体发泡前沿技术 122
4.6 极端空间环境使役条件下的高分子材料成型加工 124
4.6.1 极端空间环境使役条件下的高分子材料特性 124
4.6.2 极端空间环境使役条件下的特种工程塑料 126
4.6.3 极端空间环境使役条件下的有机硅材料 133
4.6.4 极端空间环境使役条件下的有机氟材料 134
4.6.5 极端空间环境使役条件下的液晶聚合物 135
4.6.6 极端空间环境使役条件下的高分子基复合材料 136
4.6.7 极端空间环境使役条件下的纳米材料 137
4.7 发展趋势与展望 138
参考文献 140
第5章 高分子材料成型加工过程原位在线检测技术 145
5.1 概述 145
5.2 光谱分析法 147
5.2.1 原位红外光谱 147
5.2.2 原位拉曼光谱 149
5.3 散射法 151
5.3.1 原位X射线散射 151
5.3.2 原位小角中子散射 154
5.3.3 原位小角激光散射 156
5.4 形貌观测法 157
5.4.1 原位POM观测 158
5.4.2 原位AFM观测 158
5.5 发展趋势与展望 159
参考文献 159
第6章 高分子材料成型加工数值仿真 163
6.1 概述 163
6.2 高分子材料注射成型过程数值仿真 163
6.2.1 注射成型流动理论模型 164
6.2.2 注射成型收缩与翘*变形仿真 168
6.2.3 注射成型多尺度模拟方法 170
6.2.4 注射成型高分子材料本构行为 172
6.2.5 注射成型仿真中的数值计算方法 181
6.3 注射成型-模具结构一体化分析 191
6.3.1 统一网格生成技术 191
6.3.2 注射与模具结构一体化分析 194
6.4 注射成型-制品结构联合仿真 199
6.4.1 注塑模流-热-结构联合仿真方法 200
6.4.2 联合仿真数据转换与匹配 203
6.4.3 工程应用：激光雷达罩联合仿真 207
6.5 纤维增强注塑-制品结构联合仿真 212
6.5.1 FRT材料参数计算 213
6.5.2 FRT制品模流-结构联合仿真方法 219
6.5.3 工程应用：纤维增强注塑汽车尾门联合仿真 225
6.6 透明件注射成型-光学性能一体化分析 230
6.6.1 注射成型与折射率一体化模拟方法 231
6.6.2 折射率模拟与实验研究 233
6.6.3 工程应用：宇航服面窗 235
6.7 发展趋势与展望 243
参考文献 244
第7章 高分子材料成型加工研究新使命 254
关键词索引 259