目前，高分子材料加工成型仍然延续着传统制造业的惯性思维模式：即用小型设备制造小型制品，用大型设备制造大型制品。沿着这一思路发展的工艺路线给高分子材料加工成型装备提出了越来越严峻的挑战。例如，在高分子材料的微注射成型装备方面，当塑化注射螺杆缩小到12mm时，已接近强度极限，进一步微小化就被迫回到柱塞式注射成型的原始方法；而在巨型工程轮胎制造装备方面，每开发一种更大规格的轮胎就需要配套相应的加工成型装备，设备投资规模和加工制造难度大幅度提高。这些问题已经成为制约高分子材料加工制造业继续发展的一大瓶颈。笔者在研究解决这些问题的过程中，受到高等数学经典微积分原理的启迪，提出了高分子材料先进制造的“微积分”思想。近年来，带领研究团队围绕高分子材料加工成型和制品应用的“微积分”原理及可行方法，开展了较为系统的研究。目前，有些研究课题已进展到工业化应用阶段，并取得了很好的效果。
微分、积分注射成型
基於高分子材料先进制造的“微积分”思想，笔者提出了微分注射成型的概念，发明了一种微分注塑机。微分注塑机的关键是在高分子聚合物熔融塑化注射系统的前端设置微分泵，如图1所示。其基本结构和工作原理如图2所示。行星齿轮式熔体微分泵，具有一进多出且均匀分割计量的功能，对高分子熔体进行分流、输送、增压和计量注射，配合相应的模具实现微分注射成型。采用微分注射成型方法，可用一台微分注塑机代替多台微注塑机，高效率、低成本、大批量地制造微型高分子制品。
图1 行星齿轮式熔体微分泵
图2 微分注射成型原理示意图
积分注射成型原理是与微分注射成型相反的流程，将相对较小的多股聚合物熔体汇聚，完成大容量注射成型加工。一种可行的实现方案是将图1所示的微分泵进出口倒置成为积分泵，用多台小型塑化装置分别塑化供料，通过积分泵汇流後进入模腔，实现大型制品的精密注射成型。采用积分成型方法，还有利於实现注射成型装备的模块化和标准化，可根据制品大小组合成为相应规格的成型装备。
微分、积分挤出成型
微分或积分挤出成型原理与微分或积分注射成型有着相似的熔体分流与汇流过程。微分挤出机通过微分泵，实现一个塑化系统同时均匀地挤出成型多条制品的功能，对於纺丝、光纤、电缆、型材等高效率生产装备的研发具有重要意义。同时还发明了熔体积分挤出机，其基本原理是通过积分泵的汇流作用，实现多台小型塑化挤出系统同时供料生产大型高分子制品的目的。
在宽幅片材、大直径管材和薄膜等加工成型中，熔体流动平衡和分布均匀性是影响制品质量的关键。根据“微积分”思想，笔者发明了一种大型高分子制品挤出成型方法及装置，如图3所示。这种新型挤出装置的工作原理是，利用微分泵先对高分子熔体进行微分和等压等流量输送，然後再到模具内积分汇流，从而保障流动平衡，提高制品均匀性，降低模具设计与制造难度。在此基础上还可衍生出多种挤出成型新方法。
图3 熔体微积分挤出成型原理示意图
微分、积分静电纺丝
静电纺丝被认为是最有希望用於制造纳米纤维的方法，但至今尚未进入大规模工业化应用阶段。国内外在这一领域开展了大量的研究工作，主要有溶液电纺和熔融电纺两条技术路线。从公开发表的专利和文献看，90%以上的工作都集中在溶液静电纺丝方面。虽然溶液电纺在实验室采用玻璃容器供料容易实现高压电绝缘，但存在着溶剂回收的问题；而熔融电纺没有溶剂挥发，但金属料筒的高压电绝缘等设备难题使得涉足这一领域的研究者十分罕见。上述两条技术路线除了各自不同的难题之外，在实现工业化的道路上必须跨越的共同障碍是生产效率太低：典型的静电纺丝采用毛细管喷头，纺丝效率一般为0.001-1g/h。
笔者带领研究团队直接针对装备技术难度大，但具有节能环保优势的熔融静电纺丝技术进行攻关，成功解决了高分子熔体静电纺丝装置高压绝缘等设备技术难题，同时还基於微积分思想，提出了熔体微分静电纺丝原理，发明了一种高效率熔体静电纺丝头，如图4所示。这种具有熔体微分功能的高效喷头和传统毛细管喷头相比，纺丝效率可提高100倍以上。在此基础上，还发明了一种多喷头组合的积分式静电纺丝板，根据积分基数大小，产量还可再提高100倍以上，从而可以满足工业化生产的要求。笔者采用熔体微分高效静电纺丝方法制得的聚丙烯超细纤维，直径为190nm，且质地密实光滑。而采用毛细管溶液静电纺丝方法所制得的纤维，由於溶剂挥发造成了纤维表面的孔洞缺陷，会影响到纤维的强度。
图4 熔体微分静电纺丝头nextpage
纳米复合材料加工制备的微积分原理与方法
高分子材料先进制造“微积分”思想的正确性，在制备纳米微层复合材料方面也有很好的例证。传统的分叠器的主要技术特征在於通过一种分叠器将入口端的片状复合高分子熔体分割为两股或四股，然後上下错开分流，再展宽交汇实现一次折叠。通过多个分叠器串联使用可得到多层结构的高分子材料。这种新方法在制备诸如彩虹膜等微层复合材料等方面已经得到了成功应用。但是，上述发明还存在一个共同的缺点：分叠器流道从分流到汇流叠合的过程中存在着熔体流动路径均衡性差的问题，很难保障熔体微分积分过程的分层均匀性。
针对上述不足，笔者发明了一种熔体分割效率高、流动均衡性好、分层过程中压力损失小的叠层复合材料的制备装置，如图5所示。其核心是基於熔体微积分原理，提出了一种新型分叠器。利用这种新型分叠器，如果将两种组分的高分子熔体汇流後经过5等分的分叠器，串联6个，依次进行熔体微分和积分叠加，可得到总层数为2×56=31250层的多层复合结构体。该层状熔体从1mm厚的成型装置的出口挤出，两种高分子材料的层间厚度平均值为32nm，如果进一步将其拉伸至0.1mm厚度时，该复合材料的层间厚度即可达到3.2nm，从而利用本装置可以制备层间厚度小於100nm的纳米复合材料。
图5 新型分叠器的数字样机
微积分方法应用实例
高分子制品在国民经济诸多领域应用已十分广泛，而且还在不多扩展。为了满足一些复杂系统和大型化应用场合的特殊要求，根据“微积分”思想，采取化整为零，积小为大的技术路线，可以大幅度提高制品的使用性能并且降低制造成本。下面以两个典型的发明专利产品为例来说明这一论点。
实例一：微分扰流单元组合强化传热装置-“洁能芯”
在石油化工、电力、冶金等高能耗行业大量使用的管壳式换热器中，传热效率低下和传热表面积污结垢所造成的传热劣化，是造成能源利用效率低下的关键问题，也是节能减排潜力最大的领域之一。采用高分子材料制造的强化传热装置被认为是一种即经济又可行的方案，但是，原有整体结构的螺旋纽带由於使用寿命短，且有刮磨传热管的危害而难以在火力发电机组等重大装备上推广应用。为此，笔者基於微积分思想，研究发明了扰流单元组合式强化传热装置—“洁能芯”，实现了传热管自清洁强化传热功能，换热效率提高20%，经过中国石油和化学工业协会组织的专家鉴定，达到国际领先水平。目前已在中石化、大唐、国电、华能等大中型换热器上推广应用，取得了明显的节能减排效果。该技术的核心在於将大型系统的复杂结构离散微分为单元转子，从而使该强化传热装置效果更好，可用於任意长度的传热管并且能适应管道弯曲而不损伤设备。
实例二：微分弹性单元组合式 轮胎
轮胎作为高分子基复合材料的一类典型制品，虽然在近百年来经历了由斜交胎到子午胎的重大变革，但其制造工艺并没有本质的改变。迄今为止，轮胎制造依然延续着传统的工艺流程，即从各种橡胶部件的挤出、压延、到胎胚的预成型，再到硫化定型的工艺路线。随着轮胎规格的增大，技术难度急剧增加，制造过程所必需的胶片挤出生产线、钢丝帘布压延生产线、轮胎成型机和定型硫化机等设备投资十分巨大。
为解决轮胎大型化带来的设备投资大，制造成本高的问题，同样基於高分子材料先进制造的“微积分”思想，笔者发明了一种弹性单元组合式轮胎，可望使轮胎制造设备不再随轮胎规格而增大，并且完全不需要轮胎成型机和轮胎硫化机等重型装备，只需制备出空气弹簧和金属或复合材料支撑的环形履带式胎面模块，进而组装成为整条轮胎。微分单元化的橡胶空气弹簧和胎面模块等零部件的加工制造可由价格低廉的普通平板硫化机完成，从而可大幅度降低制造难度和设备投资。
图6、7所示，为本发明的一个实施例示意图。其基本构造由轮毂、空气弹簧、履带式胎体、花纹胶胎面等组成。这种轮胎的结构特点是将传统轮胎连续的柔性胎体分割离散为若乾个弹性单元，然後按照履带的连接方式将足够数量的弹性单元，以拟圆积分方式组合成为一条完整的轮胎。显然，这种微积分结构的新型轮胎不仅可以简化加工制造工艺，而且具有使用和维修方便，抗穿刺、耐冲击、承载大等优点，特别适合於大型工程车和军用越野车等使用。
图6 弹性单元组合式轮胎
图7 弹性单元组合式轮胎结构
结语
高分子材料先进制造的“微积分”思想，给高分子材料加工成型及制品应用研究开启一扇风景秀美的窗户。投身於这一领域研究的团队师生沿着这一思路所开展的研究，尽管遇到了各种各样的困难，但每一个研究方向都不断取得新的进展。有的研究成果已经进入工业化应用阶段，得到许多同行专家的支持和鼓励。我们将继续深入地开展这项研究，也希望更加广泛地开展产学研合作，催生更多更好的高分子材料加工成型新方法和制品应用新技术，推动现代制造业的科学发展。
