中國塑料加工工業(yè)協(xié)會近期出臺的《塑料加工行業(yè)技術(shù)進(jìn)步“十二五”發(fā)展指導(dǎo)意見》明確了塑料加工行業(yè)科技創(chuàng)新未來的方向，即功能化、輕量化和微成型的“新三化”，這也是塑料加工業(yè)實現(xiàn)從傳統(tǒng)日用品加工向高端制造業(yè)華麗轉(zhuǎn)身的落腳點。然而，由于塑料加工業(yè)是一個與上下游環(huán)環(huán)緊扣的產(chǎn)業(yè)，因此，要想順利實現(xiàn)這些發(fā)展目標(biāo)，離不開材料、加工技術(shù)、高端裝備的鼎力支持。
材料替代：輕量化與環(huán)保兼得
“塑料加工業(yè)要想真正實現(xiàn)功能化、輕量化、微成型的目標(biāo)，材料在其中發(fā)揮的作用不可小覷。合成樹脂具有質(zhì)輕、強韌、耐腐蝕、設(shè)計靈活、易加工的特性，廣泛應(yīng)用在高科技產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域，并在其中擔(dān)當(dāng)著無可替代的作用。”在接受采訪時，中國合成樹脂供銷協(xié)會秘書長鄭塏告訴記者。
圖為中國國際橡塑展展出的汽車塑料零部件。
輕量化不是一個新鮮的話題，以塑料制件替代金屬制品早已經(jīng)成為汽車、高鐵列車以及飛機等交通工具減重最主要的技術(shù)手段。其明顯的作用就是提高能源利用效率，減少二氧化碳排放。特別是近幾年，隨著全社會節(jié)能環(huán)保的理念不斷深入，安全、舒適、輕量、節(jié)能仍將是未來汽車工業(yè)發(fā)展的主要趨勢。“據(jù)估計，未來10年，汽車的自重還將降低20%，塑料已經(jīng)成為了21世紀(jì)汽車工業(yè)最好的材料選擇。”鄭塏說。中航工業(yè)副總工程師、殲-15總設(shè)計師孫聰也曾表示，在殲-15的設(shè)計中，在保證飛機綜合性能的前提下，采用新材料減輕飛機質(zhì)量是重要的考量指標(biāo)之一。
歐洲人曾做過統(tǒng)計，如果現(xiàn)有歐洲路面上跑的汽車全部采用PC材料替代車側(cè)窗和后窗的玻璃，僅此一項每年將節(jié)省燃油約21億升，價值相當(dāng)于24億歐元，而每年還可減少1000萬噸的二氧化碳排放。
隨著材料科技的進(jìn)步，人們對于節(jié)能減排的期待提升到新的高度。
通過加大技術(shù)研發(fā)，強化質(zhì)量管理，今年前8個月，中國平煤神馬集團(tuán)工程塑料公司產(chǎn)品銷售同比增長17.98%，在逆勢中呈現(xiàn)出良好發(fā)展態(tài)勢。圖為公司職工正在將大包裝產(chǎn)品裝車。（黃海恩 攝）
長纖維增強熱塑性材料（Long Fiber reinforced Thermoplastics，簡稱LFT）是20世紀(jì)90年代中期以后開發(fā)的新材料，它最突出的優(yōu)點就是剛度高、強度高、減震性回彈性好、耐熱、抗蠕變、尺寸穩(wěn)定、使用壽命長。LFT一經(jīng)問世，就在汽車工業(yè)上得到了迅速的推廣，并將塑料在汽車上的應(yīng)用拓展到了車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件，從而更多地替代了鋼材和其他金屬材料。全球第一款全塑結(jié)構(gòu)車門，采用30%玻纖增強PC/PBT合金氣輔注塑成型，它替換了40個獨立的金屬零件，使每扇車門減輕3.3千克，每輛車則可減輕5.94千克。由沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料開發(fā)成功的這款車門模塊，由于能在總裝線上把模塊置入車門，簡化了裝配過程，因此還能降低10%以上的成本，產(chǎn)品也因此獲得了2011年美國塑料工程師協(xié)會汽車創(chuàng)新大獎。巴斯夫在Smart概念車上配備的全塑輪轂也使用了LFT制作，每個輪子不但減輕了3千克，還提高了乘坐舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性。在去年北京國際車展上，一款Bamboo的概念車，車身底部、輪轂部件、尾門、儀表板蓋和橫向穩(wěn)定桿都采用LFT制成，部分結(jié)構(gòu)件使用了泰科納碳纖維增強PPS材料。
“新材料推動塑料制件輕量化的例子舉不勝舉。其實除了輕量化之外，在功能化方面，新型塑料材料應(yīng)用也是功不可沒。汽車運動中只有15%的能量用于驅(qū)動車輪，其余85%的能量消耗在無效的傳動部分，其中10%損失在克服傳動件間的摩擦力。一些新材料的自潤滑特性可降低汽車傳動件間的摩擦，同時材料的柔韌性和零部件高集成度，也提高了安全性、舒適性、燃油效率、密封性以及降噪效果。所以說塑料為汽車帶來的好處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是單純的輕量化。”鄭塏如是說。
塑料新材料新技術(shù)在汽車上的應(yīng)用總是中國國際橡塑展每年必不可少的亮點之一。圖為浙江俊爾的工作人員在介紹該公司研發(fā)的LFT材料在汽車中的應(yīng)用。
事實上，增強塑料制件的功能性是下游行業(yè)提高科技含量的迫切要求。“十二五”以來，我國的節(jié)能環(huán)保、新能源、高端裝備制造業(yè)、新能源汽車、電子信息、生物技術(shù)等新興行業(yè)發(fā)展如火如荼，對與之配套的塑料新材料的性能提出了更高的要求。比如：性能優(yōu)異的鋰離子隔膜對提高電動汽車鋰電池的綜合性能具有重要的作用；超濾、納濾、反滲透膜材料是提升環(huán)保、化工和食品工業(yè)先進(jìn)性和科技含量的基礎(chǔ)材料；電子信息領(lǐng)域中用到的塑料制件，要求材料具有導(dǎo)電、絕緣、導(dǎo)熱、阻燃等多種性能；而高端裝備制造業(yè)則對材料提出了高強度、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、自潤滑等苛刻的要求……
“隨著塑料改性以及塑料合金技術(shù)的進(jìn)步，塑料又被不斷地賦予更多的高性能，比如高剛度、高強度、耐高溫、抗蠕變、尺寸穩(wěn)定、長壽命等，塑料的品質(zhì)和內(nèi)涵在材料新技術(shù)的推動下正發(fā)生著日新月異的變化，使它在塑料制件的功能化、輕量化、微型化方面優(yōu)勢得以充分地發(fā)揮。”鄭塏表示。
成型工藝：
提升功能不可或缺
如果說功能化和輕量化更多依靠材料本身的性能，那么塑料制件的微成型除了對材料性能有一定的要求外，更多的則是靠先進(jìn)的成型工藝和技術(shù)來實現(xiàn)。
日本高性能膜技術(shù)展展示了國際上最先進(jìn)高性能膜材料發(fā)展現(xiàn)狀。一位日本觀眾被展臺上展出的新型手機顯示器膜所吸引。
作為聚合物微納制造技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的發(fā)起人，北京化工大學(xué)塑料機械及塑料工程研究所所長、機電工程學(xué)院副院長吳大鳴對于微納制造技術(shù)有著更加深入的了解：“對于微納尺寸的塑料制件做好‘表面文章’是關(guān)鍵,控制好制品的尺寸、精度和穩(wěn)定性就顯得尤為重要。許多微型制品對于表面的微結(jié)構(gòu)要求非常高，傳統(tǒng)的加工方法很難完成，加工過程需要用到許多全新的工藝技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)。”
隨著微電子、微機械、微光學(xué)、介入醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，微型塑料零件的需求量不斷增加，制品的尺寸可以達(dá)到微米級甚至納米級，也就是說制品的尺寸只有頭發(fā)直徑的千分之一甚至是萬分之一。如此細(xì)微的結(jié)構(gòu)又能帶給我們哪些新的功能呢？
吳大鳴介紹說，塑料制品做到微米或納米級后，就會產(chǎn)生一些特殊的力學(xué)和光學(xué)功能。他介紹的幾種微結(jié)構(gòu)的塑料制品，讓記者眼界大開，正可謂細(xì)微之處見功力。
微結(jié)構(gòu)換熱器是微型化制品之一，可以大大提高熱交換效能，提高的比例不是3～4倍，而是3～4個數(shù)量級，如此算來，在寒冷的冬季里，一個十幾平方米的房間，也許只需要一個1立方厘米的暖氣片就能讓房間溫暖如春。
微針美容是目前醫(yī)學(xué)美容界最為時尚的一項美容技術(shù)，它采用的直徑為幾十微米金屬微針，能將活性養(yǎng)分直接輸送到真皮層，不僅成倍地提高了療效，而且不會對皮膚造成大的損傷，但金屬材質(zhì)的微針成本十分昂貴，目前已經(jīng)有人研發(fā)成功了塑料微針，大幅降低了微針的成本，有望推動這一技術(shù)廣泛地應(yīng)用到皮膚病的治療上，藥效可以提高幾千倍。目前，一種可以清理人體血管壁脂肪的微型機器人已經(jīng)在研發(fā)當(dāng)中。
LED目前已經(jīng)成為我國照明領(lǐng)域的節(jié)能減排的主力軍，但眩光一直是LED進(jìn)入家庭照明最大掣肘，采用微納制造技術(shù)，在燈罩表面排列微透鏡陣列制成的高效散射材料和高效漫反射材料，可以在提高了LED照明舒適度的同時，減少光能損失20%以上。
微型塑料制件以及它們所發(fā)揮的功效還遠(yuǎn)不止于此，微芯片、微反應(yīng)器以及微表面結(jié)構(gòu)家電和服裝，會在不久的將來帶給我們更多新奇的體驗。
但吳大鳴也指出，我國聚合物的微納制造技術(shù)尚處于起步階段，關(guān)鍵的技術(shù)和裝備主要依賴進(jìn)口，在基礎(chǔ)理論研究上也不夠系統(tǒng)和深入，國內(nèi)的技術(shù)研發(fā)主要還是在局部與個別產(chǎn)品方面，而國外，已經(jīng)實現(xiàn)從產(chǎn)品、模具、工藝、材料的全方位系列化應(yīng)用，成套技術(shù)、系列化是國內(nèi)這一領(lǐng)域最為薄弱的地方。
塑機加工：為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品錦上添花
塑料制品要達(dá)到功能化、輕量化和微型化的要求，僅有性能優(yōu)異的原材料和先進(jìn)的加工工藝還不夠。要想順利地實現(xiàn)塑料制品的功能化、輕量化和微成型，還有個不可或缺的因素——就是要有高端的塑料機械，將材料和工藝整合到一起，加工成滿足市場需要的塑料制品。
談到塑料機械，中國塑料機械工業(yè)協(xié)會秘書長粟東平不止一次地向記者強調(diào)，我國的塑料機械產(chǎn)業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，塑料機械的加工制造水平也正在逐步由產(chǎn)業(yè)鏈的中低端向高端邁進(jìn)，塑料機械作為 “工作母機”作用日益顯現(xiàn)，由塑料機械裝備生產(chǎn)的塑料產(chǎn)品不僅遍及人民生活的各領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。“塑料機械已經(jīng)成為航空航天、國防、石化、海洋、電子、光電通信、建筑材料、包裝、電器、汽車及交通車輛、農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的重要技術(shù)裝備，也是新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、信息網(wǎng)絡(luò)和高端制造等產(chǎn)業(yè)的配套專用設(shè)備。”粟東平表示。
“十二五”期間塑料機械加工業(yè)提出的專用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)合化、微型化、大型化、個性化和智能化的發(fā)展方向，而這些因素正是塑料制品實現(xiàn)功能化、輕量化和微型化的必要條件。
吳大鳴則強調(diào)，對于制品的微型化，傳統(tǒng)的塑料加工設(shè)備和模具是無法滿足需求的，必須開發(fā)專用的設(shè)備和模具，比如微注射機、特殊的壓輥、專用的模具、高精度的控制系統(tǒng)等對于微納成型都是不可或缺的。在這方面，我國與國際先進(jìn)水平的差距還較大，不僅體現(xiàn)在基礎(chǔ)制造能力和設(shè)計水平上，而且，基礎(chǔ)理論的研究也顯薄弱。
“我們希望‘十二五’期間，能夠在微注射、微擠出領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)系列化，微壓印技術(shù)突破關(guān)鍵化技術(shù)，在設(shè)備、模具、工藝等方面實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)，開發(fā)3～5種典型的微型、微結(jié)構(gòu)制件成套技術(shù)。通過與國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)的合作，我們在微芯片、微針等設(shè)備的開發(fā)上已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，LED高效散射材料也已經(jīng)在做示范工程，并取得了令人滿意的效果。”吳大鳴表示。（本文圖片除署名外，均由本報記者李聞芝攝）
