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(yīng)注射模塑和滾塑等等。當(dāng)前各類有關(guān)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(zhuǎn)模塑或旋轉(zhuǎn)澆鑄成型，基本工藝過程是指將粉末狀或液狀聚臺物放在模具里，加熱同時圍繞兩個垂直軸旋轉(zhuǎn)，然后冷卻。在加熱階段的最初，如果用的是粉末狀材料，將模具表面形成表皮殼層，然后隨循環(huán)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；則先流動和涂覆在模具表面，當(dāng)達到凝膠點時則完全停止流動。模具隨后轉(zhuǎn)入冷卻階段，通過強制通風(fēng)或噴水冷卻，然后被放置于脫模操作區(qū)，在這里模具被打開，成型的塑件被取出，接著在進行下周期的循環(huán)成型操作。
　　滾塑工藝的發(fā)展
　　本工藝在二十世紀四十年代就已出現(xiàn)，最初是用聚氯乙烯糊通過滾塑成型方法生產(chǎn)塑料球之類的玩具等產(chǎn)品。五十年代，開發(fā)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(chǎn)聚乙烯貯槽、大型管材等工業(yè)產(chǎn)品，從而大大促進了滾塑工藝的發(fā)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(chǎn)規(guī)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(chǎn)，滾塑熱塑性塑料的廠家約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(chǎn)容量達18000L的容器的滾塑機；荷蘭則已生產(chǎn)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(chǎn)，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(chǎn)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(fā)展，與樹脂性能及滾塑設(shè)備的改進息息相關(guān)。其間開發(fā)了不少滾塑成型專用塑料，例如聯(lián)合碳化公司開發(fā)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(xué)藥品件以及耐應(yīng)力開裂性Raychems Flamol in 711是一種滾塑用交聯(lián)聚乙烯樹脂，它除了可交聯(lián)外，還具有自熄性。菲力浦公司的著名的滾塑級交聯(lián)聚乙烯樹脂Marlex c1-100也是在這段時間里開發(fā)出來的。
　　為了適應(yīng)制備大型滾塑制品的需要，六十年代末期開發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)直徑達5m，每個臂可承受的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(shè)計、制造出來。我國是從二十世紀六十年代開始滾塑的開發(fā)研究，到六十年代后期，上海玩具行業(yè)已開始利用滾塑成型方法年產(chǎn)軟聚氯乙烯小球；上海塑料三廠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(fā)成功滾塑尼龍容器并在森林滅火瓶等產(chǎn)品中得到應(yīng)用。但真正大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，還是在八十年代中、后期，從國外引入先進滾塑設(shè)備與技術(shù)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(yōu)點
　　適于模塑大型及特大型制件
　　絕大多數(shù)塑料成型加工工藝，在成型過程中，塑料及模具均處于相當(dāng)高的壓力之下，比如應(yīng)用極為廣泛的注塑、壓縮模塑、擠出、吹塑等，因此應(yīng)用這些成型工藝生產(chǎn)大型塑料制件時，不僅必須使用能夠承受很大壓力的模具，使模具變得笨重而復(fù)雜，而且塑料成型設(shè)備也必須設(shè)計、制造得十分牢固，機械及模具的加工制造難度相應(yīng)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、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?jié)L塑大型及特大型塑料制件，也無需使用十分笨重的設(shè)備與模具，機械及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(chǎn)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(shè)備是不可能的。
　　適用于多品種．小批量塑料制品的生產(chǎn)
　　由于滾塑成型用模具不受外力作用。故模具簡單、價格低廉、制造方便。另外，滾塑設(shè)備也具有較大的機動性，一臺滾塑機，既可以安裝一只大型模具，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(dāng)，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模具中，這使物料均全部進入制品。制品從模具中取出以后，再加入下次成型所需要的物料，因此當(dāng)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模具。當(dāng)我們在使用多只模具滾塑成型同一種塑料制品時，還可以在不同的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(fù)雜形狀的中空制件
　　滾塑成型過程中，物料是逐漸涂覆、沉積到模具的內(nèi)表面上的，制品對于模具型腔上的花紋等精細結(jié)構(gòu)有很強的復(fù)制能力。同時由于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(jié)構(gòu)的、形狀復(fù)雜的模具。
　　節(jié)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(fā)揮物料的效能，有利于節(jié)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(diào)試好以后，生產(chǎn)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(jié)構(gòu)泡沫塑料滾塑新工藝
　　結(jié)構(gòu)泡沫塑料傳統(tǒng)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模具成型塑件的外層。一旦該物料在加熱爐內(nèi)烘融就將模具從爐內(nèi)取出并加入一種預(yù)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(nèi)完成第二次烘融與冷卻等。此工藝有成型周期長、產(chǎn)品質(zhì)量差等問題，因為對高溫模具的人工干預(yù)使成型周期延長，延長的時間長短與模具大小成正比，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(xiàn)象。新開發(fā)了“一次投料”旋轉(zhuǎn)模塑新工藝用來生產(chǎn)聚乙烯結(jié)構(gòu)泡沫塑料板，克服了這些不足，而且生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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模具，一種為粉末狀聚乙烯，而另一種為混有發(fā)泡劑的聚乙烯，混有發(fā)泡劑的聚乙烯為小球狀。粉末狀的聚乙烯具有比發(fā)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(fā)泡劑)聚乙烯顆粒尺寸為34毫米，粉末狀聚乙烯在模內(nèi)受熱首先與模具粘附，而小球狀聚乙烯繼續(xù)在模內(nèi)循環(huán)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(fā)泡反應(yīng)。
　　物料的受熱經(jīng)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(fā)泡是在第二烘融階段進行。由于發(fā)泡劑分解而產(chǎn)生內(nèi)壓，這個過程一直持續(xù)到內(nèi)壓由通過排氣口的大氣壓相平衡而結(jié)束，小球狀聚乙烯顆粒依次發(fā)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(zhuǎn)速度下及排氣口處．兩種物料在模塑階段及發(fā)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(fā)泡劑量分解產(chǎn)生壓力，小球均勻受熱軟化直接發(fā)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(fā)生膨脹，發(fā)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(fā)泡過程是一個連續(xù)過程。當(dāng)小球狀聚乙烯溫度高于模具內(nèi)發(fā)泡劑開始分解的溫度時，模內(nèi)壓力不高有空間允許模內(nèi)物料發(fā)膨脹，此時發(fā)泡開始，物料膨脹將模內(nèi)空氣從排氣口擠出。發(fā)泡劑在排氣口附近產(chǎn)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(chǎn)品的機械強度，從而形成對塑料制品質(zhì)量有害的空洞大泡結(jié)構(gòu)。泡沫塑料在高溫下的長時間停留增加膨脹過程的持續(xù)時間，從而有導(dǎo)致產(chǎn)生泡孔長大。由發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體對泡孔泡壁產(chǎn)生的壓力會引起泡孔的坍塌，結(jié)果導(dǎo)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(fā)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(fā)泡劑分解反應(yīng)，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(fā)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(xù)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(qū)域(排氣口區(qū)域)長大，如果泡孔增長不均勻或不正常，就會產(chǎn)生對產(chǎn)品質(zhì)量有害的大氣囊區(qū)，聚乙烯小球的分布不一致、泡孔增大的阻塞或排氣孔的數(shù)量不足可導(dǎo)致出現(xiàn)此類現(xiàn)象。聚乙烯小球分布不一致是指某些區(qū)域分配的小球數(shù)量不足，因此不能充滿模具型腔(即使完全發(fā)泡)，所以旋轉(zhuǎn)情況必須做相應(yīng)的調(diào)整。如果模內(nèi)存在妨礙泡沫增長因素，則發(fā)泡物料不能充滿模具型腔，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(dāng)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(nèi)部壓力相當(dāng)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(shù)量，以讓氣體順利排出。當(dāng)膨脹物料堵塞排氣口時，模內(nèi)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(jié)果除了弄臟法蘭外(這會導(dǎo)致生產(chǎn)必須中斷)，同樣也可能造成模具的損壞。
　　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(chǎn)周期內(nèi)，后續(xù)第二烘融階段在265℃，在某些設(shè)備中，該溫度快速下降至210℃以下。還有，除非有客戶規(guī)定要求，發(fā)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(fù)雜形狀。發(fā)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(zhuǎn)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(shè)計階段，對"一次投料法"工藝生產(chǎn)理想的結(jié)構(gòu)泡沫板是這樣一種板，空孔保留在板內(nèi)部，且為開孔泡沫，空氣也能容易排出。另一方面，必須在模具上設(shè)計一定數(shù)量的排氣口，當(dāng)物料發(fā)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模具中這個過程來設(shè)置溫度。不考慮有發(fā)泡劑的物料。通過將溫度設(shè)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)。在烘融階段已裝入模具用于制作表皮殼層的材料與發(fā)泡小球狀在一起時，在爐內(nèi)的持續(xù)時間將增加10％，因為熱量要由發(fā)泡小球吸收。在此情況下，有必要計算物料與發(fā)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(fā)泡密度。最好的結(jié)果是第一批產(chǎn)品能夠用含較低發(fā)泡劑物料生產(chǎn)，大約含發(fā)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(fā)泡時讓生產(chǎn)操作人員可以觀察其發(fā)泡性能。最后，該產(chǎn)品能在緊鄰閉模法蘭的關(guān)鍵處(有物料溢出)切開以觀察其斷面結(jié)構(gòu)。這些關(guān)鍵處還有排氣口處、空氣大泡區(qū)域及泡孔撕裂區(qū)域。通過觀察可以得知產(chǎn)品質(zhì)量是否符臺要求。若產(chǎn)品達到了生產(chǎn)的要求，便可按照所得到的工藝進行生產(chǎn)，若有問題則再對工藝進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(chǎn)結(jié)構(gòu)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(jīng)取得了較大的發(fā)展，主要是用來生產(chǎn)容器類品、該工藝生產(chǎn)結(jié)構(gòu)泡沫塑料的新工藝在工業(yè)上的應(yīng)用還有待進一步開發(fā)。