滾塑及塑料成型新工藝
塑料成型工藝有很多種，主要有壓縮模塑、擠出成型、注射模塑、傳遞模塑、吹塑、鑄塑、層壓、壓延、涂層、反應注射模塑和滾塑等等。當前各類有關塑料成型加工工藝的文獻資料中對滾塑工藝介紹不多，對塑料滾塑成型新工藝介紹更少，本文擬對滾塑成型及其新工藝予以介紹。 滾塑工藝過程 滾塑稱為旋轉模塑或旋轉澆鑄成型，基本工藝過程是指將粉末狀或液狀聚臺物放在注塑件模具里，加熱同時圍繞兩個垂直軸旋轉，然后冷卻。在加熱階段的最初，如果用的是粉末狀材料，將注塑件模具表面形成表皮殼層，然后隨循環過程漸漸熔融，形成均勻厚度的均相層；如果所用原材料為液體；則先流動和涂覆在注塑件模具表面，當達到凝膠點時則完全停止流動。注塑件模具隨后轉入冷卻階段，通過強制通風或噴水冷卻，然后被放置于脫模操作區，在這里注塑件模具被打開，成型的塑件被取出，接著在進行下周期的循環成型操作。 滾塑工藝的發展 本工藝在二十世紀四十年代就已出現，最初是用聚氯乙烯糊通過滾塑成型方法生產塑料球之類的玩具等產品。五十年代，開發了以低密度聚乙烯粉狀樹脂為原料的聚乙烯滾塑成型工藝，生產聚乙烯貯槽、大型管材等工業產品，從而大大促進了滾塑工藝的發展。此后，尼龍、聚碳酸酯、ABS等多種塑料也相繼采用滾塑工藝成型，到七十年代初滾塑就已成為了具有一定生產規模的塑料成型工藝。1971年，在英國已有50余家公司從事滾塑制品的生產，滾塑熱塑性塑料的注塑件加工家約70余家；在歐洲大陸有20余家公司從事滾塑成型加工，其中有德國、法國、瑞士、挪威、奧地利、丹麥等國的公司。七十年代初，英國已能提供可生產容量達18000L的容器的滾塑機；荷蘭則已生產出直徑2.1m，長4.8m的大型圓柱形貯水槽，該貯槽540Kg、壁厚25mm。1970年，歐洲滾塑制品的總量已達15000t以上，其中英國約7000t。1970年，美國已有500余家單位從事滾塑制品的生產，擁有500余臺滾塑機，滾塑制容器的容量已超過10000L擁有的滾塑機所能生產的最大塑料制件為4.6×4.6×2.1m。二十世紀六十年代,滾塑成型工藝之所以得到了迅速的發展，與樹脂性能及滾塑設備的改進息息相關。其間開發了不少滾塑成型專用塑料，例如聯合碳化公司開發的PE P-320，Raychem Flamolin 771等聚乙烯樹脂。FE P-320是一種低密度聚乙烯，它兼有低密度聚乙烯樹脂的良好的流動成型性能和高密度聚乙烯樹脂的低溫沖擊韌性、耐化學藥品件以及耐應力開裂性Raychems Flamol in 711是一種滾塑用交聯聚乙烯樹脂，它除了可交聯外，還具有自熄性。菲力浦公司的著名的滾塑級交聯聚乙烯樹脂Marlex c1-100也是在這段時間里開發出來的。 為了適應制備大型滾塑制品的需要，六十年代末期開發了許多能滾塑成型大型制件．能有效地利用占地面積和熱能的機器。1970年，市售滾塑機中一半以上的滾塑機，其回轉直徑范圍超過1.75m。此外，機器的控制水平也得到了不同程度的提高，例如三臂式滾塑機McNeil Auronjsmodel 3000-200可以分別控制各臂的加熱、冷卻周期，以便同時滾塑成型不同尺寸和不同物料的制品，其回轉直徑達5m，每個臂可承受的注塑件模具和樹脂的總重量約13500N；傳熱效果好。占地面積小的夾套塑機也在這段時間設計、制造出來。我國是從二十世紀六十年代開始滾塑的開發研究，到六十年代后期，上海玩具行業已開始利用滾塑成型方法年產軟聚氯乙烯小球；上海塑料三注塑件加工已成功地試制出容積200L和1500L的滾塑聚乙烯容器；七十年代中期，北京玻璃鋼研制所開發成功滾塑尼龍容器并在森林滅火瓶等產品中得到應用。但真正大規模工業化生產，還是在八十年代中、后期，從國外引入先進滾塑設備與技術之后。目前，已能制備容器量20000L，以上的化工貯槽以及全塑游艇等大型塑料制品。 滾塑工藝的主要優點 適于模塑大型及特大型制件 絕大多數塑料成型加工工藝，在成型過程中，塑料及注塑件模具均處于相當高的壓力之下，比如應用極為廣泛的注塑件、壓縮模塑、擠出、吹塑等，因此應用這些成型工藝生產大型塑料制件時，不僅必須使用能夠承受很大壓力的注塑件模具，使注塑件模具變得笨重而復雜，而且塑料成型設備也必須設計、制造得十分牢固，機械及注塑件模具的加工制造難度相應增大，成本增加。與此相反，由于滾塑成型工藝只要求機架的強度足以支承物料、注塑件模具及機架自身的重量，以及防止物料泄漏的鎖模力，因此即使滾塑大型及特大型塑料制件，也無需使用十分笨重的設備與注塑件模具，機械及注塑件模具的加工制造十分方便，制造周期短、成本低。從理論上講，用滾塑成型工藝成型的制件，在尺寸上幾乎沒有上限。而生產這樣大的塑料容器，如采用吹塑成型，不用十分昂貴而龐大的吹塑設備是不可能的。 適用于多品種．小批量塑料制品的生產 由于滾塑成型用注塑件模具不受外力作用。故注塑件模具簡單、價格低廉、制造方便。另外，滾塑設備也具有較大的機動性，一臺滾塑機，既可以安裝一只大型注塑件模具，亦可安排多只小型棋具它不僅可以模塑大小不同的制件，而且也可以同時成型大小及形狀均極不相同的制品，只要滾塑制品采用的原料相同，制品厚度相當，均可同時滾塑成型，因此滾塑成型工藝鞍之其他成型方法有更大的機動性。 滾塑成型極易變換制品的顏色 滾塑成型每次將物料直接加到注塑件模具中，這使物料均全部進入制品。制品從注塑件模具中取出以后，再加入下次成型所需要的物料，因此當我們需要變換制品的顏色時，既不致浪費點滴原料，也不需要耗費時間去清理機器與注塑件模具。當我們在使用多只注塑件模具滾塑成型同一種塑料制品時，還可以在不同的注塑件模具中加入不同顏色的物料，同時滾塑出不同顏色的塑料制品。 適于成型各種復雜形狀的中空制件 滾塑成型過程中，物料是逐漸涂覆、沉積到注塑件模具的內表面上的，制品對于注塑件模具型腔上的花紋等精細結構有很強的復制能力。同時由于注塑件模具在成型過程中不受外界的壓力，可以直接采用精密澆鑄等方法制取具有精細結構的、形狀復雜的注塑件模具。 節約原材料 滾塑制品的壁厚比較均勻且倒角處稍厚，故能充分發揮物料的效能，有利于節約原材料。此外，在滾塑成型過程中，沒有流道、澆口等廢料，一旦調試好以后，生產過程中幾乎沒回爐料，因此該工藝對于物料的利用率極高。 結構泡沫塑料滾塑新工藝 結構泡沫塑料傳統的滾塑工藝為“二次投料”投料工藝，該工藝開始于將必需的一定量的物料投入注塑件模具成型塑件的外層。一旦該物料在加熱爐內烘融就將注塑件模具從爐內取出并加入一種預混在也是粉末狀的聚合物（如聚乙烯)中的粉末狀助劑，并立即重新置入加熱爐內完成第二次烘融與冷卻等。此工藝有成型周期長、產品質量差等問題，因為對高溫注塑件模具的人工干預使成型周期延長，延長的時間長短與注塑件模具大小成正比，而且在第一次塑化形成表面殼層與后加入的物料可能有不成整體的現象。新開發了“一次投料”旋轉模塑新工藝用來生產聚乙烯結構泡沫塑料板，克服了這些不足，而且生產的板材的兩壁之間可以填充改性材料，從而改進板材的各項性能，如隔熱性、比重、漂浮性、抗振性、結構強度等等。 與"二次投料"工藝不同，" 一次投料"工藝是將兩種不同的聚乙烯原料一次置入注塑件模具，一種為粉末狀聚乙烯，而另一種為混有發泡劑的聚乙烯，混有發泡劑的聚乙烯為小球狀。粉末狀的聚乙烯具有比發泡劑分解溫度低的熔點且顆粒尺寸大小也不同，它用來成型塑件的外表殼層。粉末狀聚乙烯的顆粒尺寸在500-1000微米，小球狀(混有發泡劑)聚乙烯顆粒尺寸為34毫米，粉末狀聚乙烯在模內受熱首先與注塑件模具粘附，而小球狀聚乙烯繼續在模內循環流動并不斷受熱，然后就在形成了塑件的表皮殼層后進行發泡反應。 物料的受熱經過了兩個階段．物料在21OC下通過第一階段的烘融，粉狀物料開始粘附注塑件模具形成表皮殼層，形成表皮殼層后，溫度升為265C，即進行第二階段的烘融，發泡是在第二烘融階段進行。由于發泡劑分解而產生內壓，這個過程一直持續到內壓由通過排氣口的大氣壓相平衡而結束，小球狀聚乙烯顆粒依次發泡長大，最后充滿整個型腔，通過冷卻階段聚乙烯凝固。理想的加工過程為在加工溫度、旋轉速度下及排氣口處．兩種物料在模塑階段及發泡控制、烘融與冷卻階段中完全分開。更進一步說，必須避免的在表皮殼層中混合的有小球狀聚乙烯顆粒，在通常條件下，由于發泡劑量分解產生壓力，小球均勻受熱軟化直接發泡。因此，如果塑件表皮殼層沒有烘融，除非小球完全包裹，小球狀聚乙烯顆粒就可能下沉，幾乎難以避免，加熱并使殼層與小球狀顆粒接觸處達到軟化點但還沒有發生膨脹，發泡劑只在殼層與小球接觸處分解這在塑件表面會留下明顯的痕跡。 發泡過程是一個連續過程。當小球狀聚乙烯溫度高于注塑件模具內發泡劑開始分解的溫度時，模內壓力不高有空間允許模內物料發膨脹，此時發泡開始，物料膨脹將模內空氣從排氣口擠出。發泡劑在排氣口附近產生且正在長大過程中的氣泡壁可以被擠破和撕破，減小加工產品的機械強度，從而形成對塑料制品質量有害的空洞大泡結構。泡沫塑料在高溫下的長時間停留增加膨脹過程的持續時間，從而有導致產生泡孔長大。由發泡劑產生的氣體對泡孔泡壁產生的壓力會引起泡孔的坍塌，結果導致泡孔的聚集合并，使泡孔變得越來越大。泡孔增長的大小與第二烘融階段的時間成正比，也與發泡板材的厚度成正比，要在高溫下板材芯部位獲得等溫的發泡劑分解反應，對加熱控制過程要求很高，操作起來更為困難。 為了避免這些情況的發生，必須盡可能加快冷卻速度，實踐證明僅此還不夠，還要減少第二烘融階段的持續時間。此膨脹過程可認為是聚乙烯小球顆粒的宏觀長大運動，小球從表皮殼層向壓力較低的區域(排氣口區域)長大，如果泡孔增長不均勻或不正常，就會產生對產品質量有害的大氣囊區，聚乙烯小球的分布不一致、泡孔增大的阻塞或排氣孔的數量不足可導致出現此類現象。聚乙烯小球分布不一致是指某些區域分配的小球數量不足，因此不能充滿注塑件模具型腔(即使完全發泡)，所以旋轉情況必須做相應的調整。如果模內存在妨礙泡沫增長因素，則發泡物料不能充滿注塑件模具型腔，特別是在高溫下及第二烘融階段時間過短時更是如此。更有甚者，當泡孔可能均勻分布但排氣孔尺寸偏小而引起排氣不暢，在一定程度上，空氣壓力會與泡孔內部壓力相當而使泡孔不能進一步長大。因此，排氣口必須要有合適的尺寸或有足夠的數量，以讓氣體順利排出。當膨脹物料堵塞排氣口時，模內壓力會增大，在某些情況下物料會通過閉模法蘭處向外溢出，結果除了弄臟法蘭外(這會導致生產必須中斷)，同樣也可能造成注塑件模具的損壞。 已有實驗表明第一烘融階段的溫度必須盡可能的低，以保護有孔小珠開始軟化時的完整性，但時間仍要盡可能在正常的生產周期內，后續第二烘融階段在265℃，在某些設備中，該溫度快速下降至210℃以下。還有，除非有客戶規定要求，發泡板材表皮殼層厚度可為2-3mm外，為避免小球冒出，表皮殼層厚度一般可以是3—4mm，且為具有多個加強凸筋的復雜形狀。發泡板越厚則第二階段烘融時間越長，因為密實的表皮殼層傳熱不良。旋轉速度必須高以降低每個有孔小珠與表皮殼層接觸的時間。至于在設計階段，對"一次投料法"工藝生產理想的結構泡沫板是這樣一種板，空孔保留在板內部，且為開孔泡沫，空氣也能容易排出。另一方面，必須在注塑件模具上設計一定數量的排氣口，當物料發泡時能保證順利排氣。相反，在模塑過程中，對于形成表皮殼層的烘融溫度必須僅考慮只加入固體物料到注塑件模具中這個過程來設置溫度。不考慮有發泡劑的物料。通過將溫度設置為200-230℃來減少模塑時間是有害的。所以，必須以表皮殼層的期望厚度來確定第一階段的烘融時間(保持溫度的范圍)。在烘融階段已裝入注塑件模具用于制作表皮殼層的材料與發泡小球狀在一起時，在爐內的持續時間將增加10％，因為熱量要由發泡小球吸收。在此情況下，有必要計算物料與發泡劑混臺的理論量，要考慮沒有表皮殼層時型腔大小及理論發泡密度。最好的結果是第一批產品能夠用含較低發泡劑物料生產，大約含發泡小球20-25％。相對于理論用量，這個用量不足，但它能在物料發泡時讓生產操作人員可以觀察其發泡性能。最后，該產品能在緊鄰閉模法蘭的關鍵處(有物料溢出)切開以觀察其斷面結構。這些關鍵處還有排氣口處、空氣大泡區域及泡孔撕裂區域。通過觀察可以得知產品質量是否符臺要求。若產品達到了生產的要求，便可按照所得到的工藝進行生產，若有問題則再對工藝進行適當的調整以達到符合要求為止。 以上對滾塑成型工藝及用該工藝生產結構泡沫塑料的新工藝進行了簡單介紹。近年來滾塑工藝在我國已經取得了較大的發展，主要是用來生產容器類品、該工藝生產結構泡沫塑料的新工藝在工業上的應用還有待進一步開發。
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