塑料工业节能技术进展 （上）
王兴天
编者按 贯彻“节省能源、节约资源、环境保护、以人为本”的可持续发展战略，已经成为整个石油和化学工业发
展的方向，成为产品研发、技术创新的基本理念。尽早、尽快地完成从传统观念向科学发展观的这一转变，在石油
和化学工业早日建立起以此为基础的新的发展平台，将会大大地缩小我国与工业发达国家的差距。本文对近年来塑
料工业从原料、加工到设备的各领域中在节能技术方面的进展情况进行了全面介绍。
原料产业中的节能技术
一、高熔融指数树脂
高熔融指数树脂的节能实质是提高熔融指数，改善材料的流动性，减少在加工中的能耗。合成此种节能树脂的
难度在于，一种冲击强度高、刚性好的材料，往往与熔体的流动速率之间相互冲突。2001年，荷兰DSM化学公司
生产出第四代产品——嵌段共聚PP，其熔融指数为35，能保持在较低的模腔压力(80～60Pa)，获得薄壁制品，熔
融温度从245℃降到225℃，比传统成型循环周期缩短15%，从而有效地降低了加工中的能耗；2000年，丹麦Konggens
Lyngby Boreal公司推出嵌段共聚PP，熔融指数为30，吹塑成型可叠放的耐压制品，满足用户所期待的这种高熔
融指数、能缩短成型周期、降低能耗的原料；2004年，Atofina公司推出PPC10642牌号的共聚PP，熔融指数为45，
比原熔融指数30、35品牌的成型循环周期缩短10%，更省电能；日本窒素公司开发的非交联高刚性、高熔体拉伸
强度的新型PP，比现有熔体拉伸强度提高10倍，而其机械性能与现有的产品相当，且可以回收利用。
由于现有的挤出机、注塑机、吹塑机等塑化机械大都是螺杆式，其剪切作用是加工的主导机理，因此大部分的
电能、机械能都消耗在高聚物塑化与流动时的粘性耗散上，因此提高熔融指数是节能的有效措施。否则，再好的材
料也难以推广应用。例如，茂金属聚烯烃塑料(MPE、MPP、MPS等)，采用茂金属催化剂，使大分子主链上的支链减
少，能精确地控制分子量，使分子量分布得很窄，杂质极少，因此性能优越。但是，由于分子量高，加工难度大，
纯的MLLDPE挤出时背压太大，现有挤出设备难以承受，为适应加工，只能加入40%的LDPE或HDPE进行共挤。可
以预测茂金属聚烯烃推广应用的关键仍是加工中的节能问题，是如何提高熔融指数，但又不以降低性能为代价。同
样的例子还有超高分子量聚乙烯（UHMWPE），分子量为200万～500万，具有强度高、冲击韧性好、摩擦系数小、
防静电性强等十分优越的性能。但同样面临加工上的困难，有的为改善其加工性能加入低分子量聚合物，但对超高
性能带来了影响，变成准超高分子量聚乙烯的加工；采用液晶通过原位复合的机理提高强度，用自身的低粘度和热
迁移特性改善其加工中的流动性，但用此项技术稳定地生产还尚须时日。
由此不难看出，从加工节能角度研发新材料显得十分重要。
二、增强复合塑料
1.纳米增强复合塑料
纳米增强复合塑料的节能实质是充分利用高分子的聚集态结构的特点，填充纳米级粒子使其共混、改性，提高
比强度、比刚度，节约纯树脂的消耗量，是极有潜力节省能源和资源的有效途径。
20世纪90年代美国推出TPO基纳米复合料，用5% 纳米材料增强TPO，使其刚度提高到相当于加入25%～35%
滑石粉填充PP的效果；丰田汽车公司用纳米滑石粉填充PP(60)/EPP(30)复合塑料，使汽车保险杠的厚度从4mm减
至3mm，重量减轻1/3；荷兰TNO公司用纳米粘土与嵌段共聚物共混改性，使之相互完全混合，已成功地生产出PA、
PE、PP、PS、PMMA、 PU等粘土纳米复合料；美国Fordco公司利用超临界流体技术，预热粘土，改善纳米粘土晶
片的分散与扩散，在加工中利用超声波能量提高纳米粘土的分散，大大减少了溶剂用量；美国NanomatCO公司将纳
米碳酸钙(最大平均粒径100nm)用于PC、ABS、PVC、TPE和热固性塑料SMC的改性效果很好；新加坡Nano Mater
公司开发出粒径为15～40mm的纳米级碳酸钙(商品名NPCC)加入2%～4%，可使UPVC管材的冲击强度提高6倍，减
少增塑剂(CPE)用量50%，据悉，此项目已在我国山西投产，目前年产量10t；美国俄亥俄州大学用压力使熔融树脂
进入纳米微孔Si02的微粒中，使分子间形成牢固的化学键，将基体材料的强度提高3～4倍，冲击韧性提高4～5
倍，这种现象称为“同增韧”或“跨粒子增韧”，当材料受外界冲击力时，可将其化为几百万次的小冲击，使穿过
复合材料延伸的裂纹变得越来越细，一直到冲击能量消失为止。
新型纳米增塑剂是一种采用多面体低聚倍半氧硅烷(简称POSS)合成具有纳米结构化学改性的Si02微粒，能与
树脂相容，使分子分散，保持低粘度，加大充填量，能与树脂融合为一体，而又不降低加工流动性能。当温度降低
到POSS熔点以下时，能立即固化，形成纳米结构，起到增强作用。POSS的另一特点，是它的单体或齐聚物都与树
脂发生接枝共聚，使玻璃化温度高于树脂本身的分解温度，而接枝物的分解温度又比树脂分解温度提高40～400℃，
使之在高温下能保持良好的加工流动性，节能，被称作是50年来研发产品的全新思路。
1991年碳纳米管问世，密度仅为钢的1/6，但机械强度却是它的100倍，导电率为铜的l万倍，有极高的表面
活性，表面原子数约占50%，有很高的储氢能力和吸附能力，特别对微波的吸附,是理想的远距离输电材料。日本
三井物产公司于2002年9月投入运行能力为120t/a的碳纳米管生产装置，我国碳纳米管产业发展已居世界前列，
清华南风纳米粉体技术产业化工程中心已批量投产，生产能力达120t/a。
纳米设备的关键是填充母料的造粒问题，需要研发新型双螺杆挤出机和高速、高效节能配混设备。
2.纤维增强复合塑料
纤维增强复合塑料的节能实质是将纤维材料如碳纤维、玻璃增强复合纤维与聚合物共混，提高比强度、比刚度、
力学性能，达到节能、节材的效果。在纤维增强复合塑料中，有长纤维和短纤维之分。目前，以长纤维热塑性塑料
(LFRT)增长最快，因其质轻，价廉，易回收再利用，节省能源、资源，在汽车、机械、电器、船舶、建筑、航空、
航天等工业部门广泛应用，约50%的玻纤增强复合料用于汽车的零部件。
长纤维比一般纤维增强复合料优异：冲击强度提高4倍、比强度高17.2%、尺寸精度高收缩率为0.2%、流动性
能好、节能。美国Vetrotex公司推出一种长纤维，含量高达75%的PP粒料，价格降低20%～30%；LNP工程塑料公
司推出长纤维PA66，代替铸铝材料，机械强度能在-40～140℃承受高载荷，该公司还推出长纤维PBT系列。
但是，当前加工长纤维增强复合塑料的关键问题还是成型设备，因为注塑机、挤出机是螺杆式塑化装置，当长
纤维通过输送段、塑化段、均化段之后，已被剪成3～5mm，大大地降低了原有的复合性能；另一个问题是纤维在
高分子熔体流动方向的取向，使制品产生各向异性，影响使用性能，这是成型工艺与设备有待解决的课题。
3.木塑复合塑料
木塑复合塑料的节能实质是利用天然木材加工的废料(如木屑、木粉、麻纤维、果壳、稻糠、纸浆、桔杆、竹
粉等)进行超细化表面处理，与合成树脂共混，充填量可高达50%，成型的制品具有木材可锯、刨、钻，且吸水率
低，受潮不变形，不含甲醛，符合环保、阻燃等安全要求。木塑复合料作为一种节能、节材、环境友好材料已引起
国际上普遍关注，研究成果也很多。10年来北美木塑复合料每年以50%的速度递增。在我国，由于木材用量巨大，
废料很多，发展木塑复合塑料更具意义。
但是，生产木塑复合制品有许多关键技术如树脂、木粉的制造技术，木粉的干燥技术，木粉界面的处理技术；
在注塑、挤出、吹塑设备中要求单螺杆或双螺杆对木粉有良好的分散性、浸润性、混炼、剪切、排气、脱水、脱挥、
排除气泡功能；塑化部件要耐腐蚀，耐磨损。因此要求设备应具有对上述工艺条件及物料在各部位停留时间的精确
控制的功能。
三、管道化、连续化、节能合成设备
近年在高分子合成工业中，将双螺杆挤出机作为一种反应器代替传统的间歇性操作的釜式反应器，进行本体聚
合、接枝、共聚、交联、偶联，实现管道化、连续化、规模化、高效率合成，极大地节省了能源和资源。目前，较
多的是用在热塑性聚氨酯（TPU）合成上的反应挤出机，还有用己内酰胺和纳米蒙脱土、十六烷基三甲基氯化铵
(C-16)、2,4-二甲苯二异氰酸酯(TDl活化剂)、己内酰胺钠(催化剂)在双螺杆不同部位完成输送、聚合引发、增长、
脱挥，挤出PA6/蒙脱土纳米复合塑料。这种设备的技术关键是根据不同组分和单体的聚合反应要求，对双螺杆输
送段、反应段、排气段、挤出段等，以及各段螺纹组合块和捏合组合块的结构、组合形式的实验与设计。这种反应
挤出机的大型化、工艺制造和动力配置上都具有难度。（未完待续）
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SCIENCE & TECHNOLOGY
科 技
本版编辑 陈雪芹 宫艳玲 ｃｈｅｎｘｑ＠ｃｈｅｍｉｎｆｏ．ｇｏｖ．ｃｎ 版面制作 马长洁 读者热线：
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