滾塑成型技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其展望

張凱，夏天

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.常柴股份有限公司，江蘇常州 213002）

0 引言

滾塑作為一種塑料成型技術(shù)，開(kāi)始時(shí)僅是注塑、吹塑的補(bǔ)充，但隨著聚乙烯粉末化技術(shù)的成熟，日益成為粉末塑料成型工藝中極有競(jìng)爭(zhēng)力的成型方法，發(fā)展迅猛［1］。滾塑成型又稱旋轉(zhuǎn)模塑或旋轉(zhuǎn)成型，即將模具沿兩垂直軸不斷旋轉(zhuǎn)并使之加熱，模具型腔內(nèi)的塑料在重力和熱的作用下熔融并粘附于型腔表面上，冷卻定型后獲得塑料制品。滾塑成型滾塑適于大型及特大型制件、各種復(fù)雜形狀的中空制件，在化工、機(jī)械、電子、輕工和軍工等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用，如車輛燃油箱、儲(chǔ)物箱、大中型容器、汽車零部件、包裝箱、運(yùn)輸箱和耐腐蝕容器內(nèi)膽等［2-7］。相比注塑和吹塑等成型方法，滾塑在中空件成型方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是也存在能耗大、成形周期長(zhǎng)、制品尺寸精度不高等缺點(diǎn)。近幾年來(lái)，在北美、歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，滾塑行業(yè)發(fā)展很快，其發(fā)展速度高于整個(gè)塑料行業(yè)的平均發(fā)展速度。在國(guó)內(nèi)，滾塑成型技術(shù)尚處于開(kāi)發(fā)和研制階段，但近來(lái)已成為塑料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 滾塑成型原理

滾塑成型工藝原理如圖1所示。主要分為四步。

1）加料:塑料粉末均勻拌入色粉直接加入模具內(nèi)，封閉模具。

圖1 滾塑成型工藝原理

2）加熱:加熱模具，圍繞兩垂直軸旋轉(zhuǎn)，使塑料粉末熔融并均勻涂布在模具內(nèi)腔表面。

3）冷卻:采用水冷或風(fēng)冷冷卻模具。

4）脫模:開(kāi)模取件。

2 滾塑工藝的成型原料

為滿足滾塑成型工藝要求，材料應(yīng)該滿足以下性能要求［8-13］。

1）熱穩(wěn)定性;2）低熔體粘度必須足夠低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和細(xì)節(jié)豐富的滾塑制品熔體流動(dòng)速率可以較高;3）良好的沖擊強(qiáng)度;4）耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂（ESCR）;5）滿足功能需求的強(qiáng)度要求;6）折斷（failure）伸長(zhǎng)率應(yīng)高;7）良好的流動(dòng)性和傳熱性。

目前有關(guān)于材料流變行為和熱性能對(duì)燒結(jié)過(guò)程和脫除聚合物中氣泡的影響研究，研究發(fā)現(xiàn)熔體流變行為和表面張力在材料致密化初期起主要作用，而在致密化后期，攔阻氣泡中氣體的擴(kuò)散是十分重要的。L.Carrino對(duì)材料的形態(tài)做了分析，指出大部分滾塑成型樹(shù)脂是粉料，粒子尺寸35目（74～2 000 um），其他則是液體，如尼龍等高流動(dòng)性樹(shù)脂，成型時(shí)要用小粒料［14］。

2.1 滾塑成型適用材料

適用于滾塑成型的材料相當(dāng)有限，主要原因是:1）在無(wú)壓力情況下，粉料無(wú)法重新成型為均一固體;2）滾塑專用材料價(jià)格較貴。

美國(guó)塑料工程師協(xié)會(huì)（SPE）統(tǒng)計(jì)的2002年滾塑用樹(shù)脂占有份額如表1所示。

聚乙烯93.3%，聚氯乙烯3.2%，尼龍0.5%，聚碳酸酯0.2%，含氟聚合物0.1%，其他塑料0.1%。

表1 2002年滾塑用樹(shù)脂占有份額

由表1可看出聚乙烯占用率最大，處于主導(dǎo)，其原因是聚乙烯具有容易滾塑成型、良好的熱穩(wěn)定性和成本低等綜合優(yōu)勢(shì)。特別是最近采用單中心催化劑，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推出適用于滾塑成型、容易加工和剛性高的聚乙烯牌號(hào)，零剪切熔體粘度低，成型時(shí)間（周期）短，推動(dòng)和促進(jìn)滾塑工業(yè)進(jìn)展［15-16］。

雖然滾塑對(duì)原料的要求相對(duì)于注塑和吹塑來(lái)說(shuō)比較苛刻，但是隨著聚乙烯粉末化技術(shù)的成熟，滾塑日益成為粉末塑料成型工藝中極有競(jìng)爭(zhēng)力的成型方法［5］。近幾年來(lái)，在北美、歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，滾塑行業(yè)發(fā)展很快。我國(guó)必須整合滾塑相關(guān)企業(yè)群，形成一條有序規(guī)范的滾塑制造線。對(duì)于滾塑原料，應(yīng)該增加一些研磨機(jī)制造廠、滾塑混料設(shè)備制造廠，以及滾塑專用原料供應(yīng)廠等，并將其相關(guān)企業(yè)納入滾塑制造鏈中。

3 滾塑成型設(shè)備的發(fā)展

滾塑設(shè)備包括臂、熱箱和冷箱三大部分。臂用于夾持模具和動(dòng)力的傳遞，熱箱用于加熱模具，冷箱用于冷卻模具。滾塑分類如表2所示。

其中最常用分類方法是按模具支撐臂的數(shù)目。由于滾塑工藝必須有加料、加熱、冷卻和脫模四道工序，工位多和模具支撐臂多的滾塑機(jī)相對(duì)能更好的利用熱能和時(shí)間，具有較高的生產(chǎn)效率［1］。下面介紹典型的滾塑機(jī)。

表2 滾塑分類

3.1 搖擺式滾塑機(jī)

搖擺式滾塑機(jī)出現(xiàn)較早，一軸作搖擺動(dòng)作，另一與之垂直的軸作360°旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，如圖2所示［17］。搖擺式滾塑機(jī)常用直火式加熱方式，其溫控精度及溫度均勻性較差，自動(dòng)化控制水平較低，但由于不受熱箱體積的限制，制品尺寸較大，價(jià)格較低，實(shí)際應(yīng)用較多。

圖2 搖擺式滾塑機(jī)

3.2 穿梭式滾塑機(jī)

穿梭式滾塑機(jī)如圖3所示［18］。其擁有兩個(gè)梭機(jī)，該機(jī)的臂、模具和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安裝在可移動(dòng)架子或小車上，在小車的帶動(dòng)下，模具依次通過(guò)熱箱、冷箱及脫模工位。該設(shè)備的特點(diǎn)是臂與軌道的移動(dòng)方向平行，軌道在冷箱和熱箱內(nèi)。穿梭式滾塑機(jī)可以通過(guò)熱箱、冷箱、脫模工位以及軌道的配合設(shè)計(jì)來(lái)提高生產(chǎn)效率。如果冷卻/服務(wù)時(shí)間與模具加熱時(shí)間相等，可以大大提高生產(chǎn)效率［6］。穿梭式滾塑機(jī)操作簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低，適用于大型儲(chǔ)存罐、容器及小型制品的成型。

圖3 穿梭式滾塑機(jī)

3.3 蚌式滾塑機(jī)

蚌式滾塑機(jī)由加拿大FSP公司獨(dú)有。該機(jī)熱箱也可作冷箱，上下結(jié)構(gòu)形狀及開(kāi)啟方式如“蚌”，如圖4［19］。此滾塑機(jī)可以提供完整的雙軸旋轉(zhuǎn)并且具有水平軸兩端都可以支撐的優(yōu)勢(shì)。模具通過(guò)主軸和齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤安裝在裝置內(nèi)。當(dāng)爐門關(guān)閉并且主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪軸與轉(zhuǎn)盤的速率比，帶動(dòng)模具如摩天輪旋轉(zhuǎn)式的轉(zhuǎn)動(dòng)。加熱的空氣通過(guò)內(nèi)機(jī)箱將溫度傳到原料，直到原料溫度達(dá)到加工時(shí)必須的溫度然后冷卻時(shí)由內(nèi)機(jī)箱散發(fā)冷卻空氣或水霧［5-6］。

圖4 蚌式滾塑機(jī)

由于該滾塑機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，加拿大FSP公司生產(chǎn)的6種型號(hào)的此類滾塑機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)上居壟斷地位。根據(jù)對(duì)北美滾塑企業(yè)的調(diào)查資料，1998年北美地區(qū)23%的滾塑廠使用了該公司的蚌式滾塑機(jī)［1］。

3.4 固定轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)

該設(shè)備是現(xiàn)代國(guó)外滾塑行業(yè)最常見(jiàn)的滾塑設(shè)備類型之一。該滾塑機(jī)最早的形式是有三個(gè)相距120°且在同一平面的臂，它們由一個(gè)簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)。在同一時(shí)間，此三個(gè)臂分別在加熱箱、冷卻箱和修飾箱中工作。同樣也可以在此滾塑機(jī)上裝有4條臂，它們分別相距90°，見(jiàn)圖5［20］。當(dāng)其他三個(gè)臂分別在加熱箱、冷卻箱和修飾箱中工作時(shí)，第四條臂在輔助冷卻箱工作［21］。

圖5 固定轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)

固定轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)體現(xiàn)了一種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即每個(gè)臂內(nèi)的不同材料能在同一時(shí)間同時(shí)加工。此設(shè)備效率高、容易維護(hù)，在滾塑領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位。通常加熱是整個(gè)周期的關(guān)鍵因素，因此它成了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的控制因素。

3.5 獨(dú)立轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)

固定轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)有個(gè)明顯的缺陷就是它的所有臂必須同時(shí)移動(dòng)。所以為了充分利用其優(yōu)越性，成型工藝中的加熱、冷卻和修飾時(shí)間必須匹配。如果無(wú)法匹配的話，那么循環(huán)時(shí)間取決于三個(gè)過(guò)程中最慢的工藝時(shí)間，因而浪費(fèi)了時(shí)間。獨(dú)立轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)的發(fā)明在一定的程度上克服了這個(gè)缺點(diǎn)，見(jiàn)圖6［6］。此滾塑機(jī)中，如果加熱過(guò)程最先結(jié)束，則在加熱箱中的臂可以先移出加熱箱而繼續(xù)第二批原料的加熱。獨(dú)立轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)是滾塑工業(yè)常用設(shè)備類型，具有空氣循環(huán)加熱室和空氣、水冷卻室，提供五個(gè)工位，包含一臺(tái)自動(dòng)車架來(lái)控制每臺(tái)轉(zhuǎn)臂繞中心臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，而每臺(tái)轉(zhuǎn)臂和車架之間是獨(dú)立的，提供更自動(dòng)化和更完善的加工手段，充分體現(xiàn)了獨(dú)立轉(zhuǎn)臂滾塑機(jī)的靈活性［20-22］。

圖6 獨(dú)立轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)

4 滾塑成型技術(shù)的發(fā)展前景及展望

近年來(lái)，滾塑在北美、歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快，以10% ～15%的年增長(zhǎng)率持續(xù)發(fā)展，成為小批量生產(chǎn)中、大型或超大型全封閉或半封閉的空心無(wú)縫容器最好的成型加工方法。全世界每年生產(chǎn)的滾塑制品產(chǎn)量已達(dá)到幾百萬(wàn)噸［23］。雖然滾塑工藝有許多獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些不容忽視的缺點(diǎn):比如原料的精細(xì)程度在一定的程度上決定滾塑產(chǎn)品的品質(zhì)，因此粉碎原料致使成本的提高，而且滾塑工藝可用的塑料原料品種較少，有待新型的更加優(yōu)質(zhì)更加實(shí)惠的原料的研發(fā)，最為重要的是滾塑成型和其他切塑料成型工藝相比其生產(chǎn)過(guò)程中能耗十分嚴(yán)重，在實(shí)施人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的進(jìn)程中對(duì)此必須予以高度的關(guān)注。

我國(guó)滾塑成型設(shè)備的整體水平相對(duì)于歐美、日本等國(guó)家還有一定的差距。主要體現(xiàn)在規(guī)模小、品種少、技術(shù)落后。企業(yè)和研究者們應(yīng)該從滾塑工藝技術(shù)的提高和新型材料的開(kāi)發(fā)入手，改進(jìn)、創(chuàng)新現(xiàn)有的滾塑設(shè)備，加強(qiáng)對(duì)滾塑模具的研究并且進(jìn)一步提高過(guò)程控制水平和制品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力。學(xué)者們?cè)谖諊?guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、測(cè)試方法等先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)自主創(chuàng)新積極研發(fā)適應(yīng)市場(chǎng)需要及具有潛在發(fā)展前景的設(shè)備。國(guó)家可以大力投資創(chuàng)建集設(shè)備制造、模具設(shè)計(jì)、原料開(kāi)發(fā)、工藝設(shè)計(jì)于一體的大型企業(yè)，不斷更新開(kāi)發(fā)模式，適應(yīng)市場(chǎng)快節(jié)奏的變化需求。

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