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上海联模化工有限公司>>技术文章

滚塑及塑料成型新工艺

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                                               滚塑及塑料成型新工艺

 

      塑料成型工艺有很多种,主要有压缩模塑、挤出成型、注射模塑、传递模塑、吹塑、铸塑、层压、压延、涂层、反应注射模塑和滚塑等等。当前各类有关塑料成型加工工艺的文献资料中对滚塑工艺介绍不多,对塑料滚塑成型新工艺介绍更少,本文拟对滚塑成型及其新工艺予以介绍。
  滚塑工艺过程
  滚塑称为旋转模塑或旋转浇铸成型,基本工艺过程是指将粉末状或液状聚台物放在模具里,加热同时围绕两个垂直轴旋转,然后冷却。在加热阶段的最初,如果用的是粉末状材料,将模具表面形成表皮壳层,然后随循环过程渐渐熔融,形成均匀厚度的均相层;如果所用原材料为液体;则先流动和涂覆在模具表面,当达到凝胶点时则完全停止流动。模具随后转入冷却阶段,通过强制通风或喷水冷却,然后被放置于脱模操作区,在这里模具被打开,成型的塑件被取出,接着在进行下周期的循环成型操作。
  滚塑工艺的发展
  本工艺在二十世纪四十年代就已出现,最初是用聚氯乙烯糊通过滚塑成型方法生产塑料球之类的玩具等产品。五十年代,开发了以低密度粉状树脂为原料的聚乙烯滚塑成型工艺,生产聚乙烯贮槽、大型管材等工业产品,从而大大促进了滚塑工艺的发展。此后,尼龙、聚碳酸酯、等多种塑料也相继采用滚塑工艺成型,到七十年代初滚塑就已成为了具有一定生产规模的塑料成型工艺。1971年,在英国已有50余家公司从事滚塑制品的生产,滚塑热塑性塑料的厂家约70余家;在欧洲大陆有20余家公司从事滚塑成型加工,其中有德国、法国、瑞士、挪威、奥地利、丹麦等国的公司。七十年代初,英国已能提供可生产容量达18000L的容器的滚塑机;荷兰则已生产出直径2.1m,长4.8m的大型圆柱形贮水槽,该贮槽540Kg、壁厚25mm。1970年,欧洲滚塑制品的总量已达15000t以上,其中英国约7000t。1970年,美国已有500余家单位从事滚塑制品的生产,拥有500余台滚塑机,滚塑制容器的容量已超过10000L拥有的滚塑机所能生产的最大塑料制件为4.6×4.6×2.1m。二十世纪六十年代,滚塑成型工艺之所以得到了迅速的发展,与树脂性能及滚塑设备的改进息息相关。其间开发了不少滚塑成型专用塑料,例如联合碳化公司开发的 P-320,Raychem Flamolin 771等聚乙烯树脂。FE P-320是一种低密度聚乙烯,它兼有低密度聚乙烯树脂的良好的流动成型性能和高密度聚乙烯树脂的低温冲击韧性、耐化学药品件以及耐应力开裂性Raychems Flamol in 711是一种滚塑用交联聚乙烯树脂,它除了可交联外,还具有自熄性。菲力浦公司的著名的滚塑级交联聚乙烯树脂Marlex c1-100也是在这段时间里开发出来的。
  为了适应制备大型滚塑制品的需要,六十年代末期开发了许多能滚塑成型大型制件.能有效地利用占地面积和热能的机器。1970年,市售滚塑机中一半以上的滚塑机,其回转直径范围超过1.75m。此外,机器的控制水平也得到了不同程度的提高,例如三臂式滚塑机McNeil Auronjsmodel 3000-200可以分别控制各臂的加热、冷却周期,以便同时滚塑成型不同尺寸和不同物料的制品,其回转直径达5m,每个臂可承受的模具和树脂的总重量约13500N;传热效果好。占地面积小的夹套塑机也在这段时间设计、制造出来。我国是从二十世纪六十年代开始滚塑的开发研究,到六十年代后期,上海玩具行业已开始利用滚塑成型方法年产软聚氯乙烯小球;上海塑料三厂已成功地试制出容积200L和1500L的滚塑聚乙烯容器;七十年代中期,北京玻璃钢研制所开发成功滚塑尼龙容器并在森林灭火瓶等产品中得到应用。但真正大规模工业化生产,还是在八十年代中、后期,从国外引入先进滚塑设备与技术之后。目前,已能制备容器量20000L,以上的化工贮槽以及全塑游艇等大型。
  滚塑工艺的主要优点
  适于模塑大型及特大型制件
  绝大多数塑料成型加工工艺,在成型过程中,塑料及模具均处于相当高的压力之下,比如应用极为广泛的注塑、压缩模塑、挤出、吹塑等,因此应用这些成型工艺生产大型塑料制件时,不仅必须使用能够承受很大压力的模具,使模具变得笨重而复杂,而且塑料成型设备也必须设计、制造得十分牢固,机械及模具的加工制造难度相应增大,成本增加。与此相反,由于滚塑成型工艺只要求机架的强度足以支承物料、模具及机架自身的重量,以及防止物料泄漏的锁模力,因此即使滚塑大型及特大型塑料制件,也无需使用十分笨重的设备与模具,机械及模具的加工制造十分方便,制造周期短、成本低。从理论上讲,用滚塑成型工艺成型的制件,在尺寸上几乎没有上限。而生产这样大的,如采用吹塑成型,不用十分昂贵而庞大的吹塑设备是不可能的。
  适用于多品种.小批量塑料制品的生产
  由于滚塑成型用模具不受外力作用。故模具简单、价格低廉、制造方便。另外,滚塑设备也具有较大的机动性,一台滚塑机,既可以安装一只大型模具,亦可安排多只小型棋具它不仅可以模塑大小不同的制件,而且也可以同时成型大小及形状均极不相同的制品,只要滚塑制品采用的原料相同,制品厚度相当,均可同时滚塑成型,因此滚塑成型工艺鞍之其他成型方法有更大的机动性。
  滚塑成型极易变换制品的颜色
  滚塑成型每次将物料直接加到模具中,这使物料均全部进入制品。制品从模具中取出以后,再加入下次成型所需要的物料,因此当我们需要变换制品的颜色时,既不致浪费点滴原料,也不需要耗费时间去清理机器与模具。当我们在使用多只模具滚塑成型同一种塑料制品时,还可以在不同的模具中加入不同颜色的物料,同时滚塑出不同颜色的塑料制品。
  适于成型各种复杂形状的中空制件
  滚塑成型过程中,物料是逐渐涂覆、沉积到模具的内表面上的,制品对于模具型腔上的花纹等精细结构有很强的复制能力。同时由于模具在成型过程中不受外界的压力,可以直接采用精密浇铸等方法制取具有精细结构的、形状复杂的模具。
  节约原材料
  滚塑制品的壁厚比较均匀且倒角处稍厚,故能充分发挥物料的效能,有利于节约原材料。此外,在滚塑成型过程中,没有流道、浇口等废料,一旦调试好以后,生产过程中几乎没回炉料,因此该工艺对于物料的利用率极高。
  结构滚塑新工艺
  结构泡沫塑料传统的滚塑工艺为“二次投料”投料工艺,该工艺开始于将必需的一定量的物料投入模具成型塑件的外层。一旦该物料在加热炉内烘融就将模具从炉内取出并加入一种预混在也是粉末状的聚合物(如聚乙烯)中的粉末状助剂,并立即重新置入加热炉内完成第二次烘融与冷却等。此工艺有成型周期长、产品质量差等问题,因为对高温模具的人工干预使成型周期延长,延长的时间长短与模具大小成正比,而且在第一次塑化形成表面壳层与后加入的物料可能有不成整体的现象。新开发了“一次投料”旋转模塑新工艺用来生产聚乙烯结构泡沫塑料板,克服了这些不足,而且生产的板材的两壁之间可以填充改性材料,从而改进板材的各项性能,如隔热性、比重、漂浮性、抗振性、结构强度等等。
  与"二次投料"工艺不同," 一次投料"工艺是将两种不同的聚乙烯原料一次置入模具,一种为粉末状聚乙烯,而另一种为混有的聚乙烯,混有发泡剂的聚乙烯为小球状。粉末状的聚乙烯具有比发泡剂分解温度低的熔点且颗粒尺寸大小也不同,它用来成型塑件的外表壳层。粉末状聚乙烯的颗粒尺寸在500-1000微米,小球状(混有发泡剂)聚乙烯颗粒尺寸为34毫米,粉末状聚乙烯在模内受热首先与模具粘附,而小球状聚乙烯继续在模内循环流动并不断受热,然后就在形成了塑件的表皮壳层后进行发泡反应。
  物料的受热经过了两个阶段.物料在21OC下通过第一阶段的烘融,粉状物料开始粘附模具形成表皮壳层,形成表皮壳层后,温度升为265C,即进行第二阶段的烘融,发泡是在第二烘融阶段进行。由于发泡剂分解而产生内压,这个过程一直持续到内压由通过排气口的大气压相平衡而结束,小球状聚乙烯颗粒依次发泡长大,最后充满整个型腔,通过冷却阶段聚乙烯凝固。理想的加工过程为在加工温度、旋转速度下及排气口处.两种物料在模塑阶段及发泡控制、烘融与冷却阶段中完全分开。更进一步说,必须避免的在表皮壳层中混合的有小球状聚乙烯颗粒,在通常条件下,由于发泡剂量分解产生压力,小球均匀受热软化直接发泡。因此,如果塑件表皮壳层没有烘融,除非小球完全包裹,小球状聚乙烯颗粒就可能下沉,几乎难以避免,加热并使壳层与小球状颗粒接触处达到软化点但还没有发生膨胀,发泡剂只在壳层与小球接触处分解这在塑件表面会留下明显的痕迹。
  发泡过程是一个连续过程。当小球状聚乙烯温度高于模具内发泡剂开始分解的温度时,模内压力不高有空间允许模内物料发膨胀,此时发泡开始,物料膨胀将模内空气从排气口挤出。发泡剂在排气口附近产生且正在长大过程中的气泡壁可以被挤破和撕破,减小加工产品的机械强度,从而形成对塑料制品质量有害的空洞大泡结构。泡沫塑料在高温下的长时间停留增加膨胀过程的持续时间,从而有导致产生泡孔长大。由发泡剂产生的气体对泡孔泡壁产生的压力会引起泡孔的坍塌,结果导致泡孔的聚集合并,使泡孔变得越来越大。泡孔增长的大小与第二烘融阶段的时间成正比,也与发泡板材的厚度成正比,要在高温下板材芯部位获得等温的发泡剂分解反应,对加热控制过程要求很高,操作起来更为困难。
  为了避免这些情况的发生,必须尽可能加快冷却速度,实践证明仅此还不够,还要减少第二烘融阶段的持续时间。此膨胀过程可认为是聚乙烯小球颗粒的宏观长大运动,小球从表皮壳层向压力较低的区域(排气口区域)长大,如果泡孔增长不均匀或不正常,就会产生对产品质量有害的大气囊区,聚乙烯小球的分布不一致、泡孔增大的阻塞或排气孔的数量不足可导致出现此类现象。聚乙烯小球分布不一致是指某些区域分配的小球数量不足,因此不能充满模具型腔(即使完全发泡),所以旋转情况必须做相应的调整。如果模内存在妨碍泡沫增长因素,则发泡物料不能充满模具型腔,特别是在高温下及第二烘融阶段时间过短时更是如此。更有甚者,当泡孔可能均匀分布但排气孔尺寸偏小而引起排气不畅,在一定程度上,空气压力会与泡孔内部压力相当而使泡孔不能进一步长大。因此,排气口必须要有合适的尺寸或有足够的数量,以让气体顺利排出。当膨胀物料堵塞排气口时,模内压力会增大,在某些情况下物料会通过闭模法兰处向外溢出,结果除了弄脏法兰外(这会导致生产必须中断),同样也可能造成模具的损坏。
  已有实验表明第一烘融阶段的温度必须尽可能的低,以保护有孔小珠开始软化时的完整性,但时间仍要尽可能在正常的生产周期内,后续第二烘融阶段在265℃,在某些设备中,该温度快速下降至210℃以下。还有,除非有客户规定要求,发泡板材表皮壳层厚度可为2-3mm外,为避免小球冒出,表皮壳层厚度一般可以是3—4mm,且为具有多个加强凸筋的复杂形状。发泡板越厚则第二阶段烘融时间越长,因为密实的表皮壳层传热不良。旋转速度必须高以降低每个有孔小珠与表皮壳层接触的时间。至于在设计阶段,对"一次投料法"工艺生产理想的结构泡沫板是这样一种板,空孔保留在板内部,且为开孔泡沫,空气也能容易排出。另一方面,必须在模具上设计一定数量的排气口,当物料发泡时能保证顺利排气。相反,在模塑过程中,对于形成表皮壳层的烘融温度必须仅考虑只加入固体物料到模具中这个过程来设置温度。不考虑有发泡剂的物料。通过将温度设置为200-230℃来减少模塑时间是有害的。所以,必须以表皮壳层的期望厚度来确定第一阶段的烘融时间(保持温度的范围)。在烘融阶段已装入模具用于制作表皮壳层的材料与发泡小球状在一起时,在炉内的持续时间将增加10%,因为热量要由发泡小球吸收。在此情况下,有必要计算物料与发泡剂混台的理论量,要考虑没有表皮壳层时型腔大小及理论发泡密度。最好的结果是第一批产品能够用含较低发泡剂物料生产,大约含发泡小球20-25%。相对于理论用量,这个用量不足,但它能在物料发泡时让生产操作人员可以观察其发泡性能。最后,该产品能在紧邻闭模法兰的关键处(有物料溢出)切开以观察其断面结构。这些关键处还有排气口处、空气大泡区域及泡孔撕裂区域。通过观察可以得知产品质量是否符台要求。若产品达到了生产的要求,便可按照所得到的工艺进行生产,若有问题则再对工艺进行适当的调整以达到符合要求为止。
  以上对滚塑成型工艺及用该工艺生产结构泡沫塑料的新工艺进行了简单介绍。近年来滚塑工艺在我国已经取得了较大的发展,主要是用来生产容器类品、该工艺生产结构泡沫塑料的新工艺在工业上的应用还有待进一步开发。

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发布人:上海联模化工 发布时间:2009年7月22日 已被浏览 4841

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