滚塑工艺介绍.doc

滚塑工艺介绍一、滚塑塑料及其复合材料的成型工艺有很多种，包括压缩模塑、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（又叫旋塑、回转成型）等等。在各类有关塑料及其复合材料的成型工艺的书籍中，对除滚塑以外的工艺介绍较多，而对于滚塑工艺，至今只能在极少数的书中见到不足几页的描述。二、滚塑的发展在国外，滚塑已经是一个广泛采用的塑料成型工艺之一。在本世纪40年代，开始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。50年代，开发了以低密度聚乙烯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、ABS等多种塑料也相继采用滚塑工艺成型，到70年代初，滚塑已成为一个颇具规模的塑料成型工艺。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。70年代初、英国已能提供可生产容量达18000L的容器的滚塑机；荷兰则己生产出直径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(2400加仑)；拥有的滚塑机所能生产的最大塑料制件为4.6X4.6X2.1m。60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PEP-320，RaychenlFlanlolin 771等聚乙烯树脂。FEP-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；Raychelm Flamolin 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。菲力浦公司的着名的滚塑级交联聚乙烯树脂MarlexCl-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，60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McNeilAuronismodd 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，占地面积小的夹套式滚塑机也在这段时间设计、制造出来。我国滚塑的开发研究亦可追溯到60年代，到60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；上塑三厂已成功地试制出容积200L和1500L的滚塑聚乙烯容器；70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80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高塑全塑游艇等大型塑料制品。三、滚塑制品的应用范围随着滚塑成型工艺的发展滚塑制品的应用范围不断扩大，到现在滚塑制品的应用面已很广泛，一些具有代表性的应用可举例如下。1、容器类滚塑制件这类塑料制件广泛用于贮水槽、各种液态化学药品的贮槽(如酸、碱、盐、化学肥料、等)，汽油用容器(汽油贮槽及汽车、飞机用油箱)，蓄电池的壳体等等。2、汽车用滚塑制件主要是应用聚乙烯和聚氯乙烯糊树脂，滚塑各种管件，如空调弯管、靠背、扶手等。3、体育器材及各种代用品主要有聚氯乙烯糊滚塑的各种制件，如水球、浮球、自行车座垫，小船以及船和船坞之间的缓冲吸震器等。利用菲力浦公司的滚塑级交联聚乙烯树脂“Maricxcl100”制得的滚塑交联聚乙烯桶，可以同金属桶相竞争，而且它耐化学腐蚀性好，维修保养费用低。滚塑码垛盘，在70年代初，在美国、日本等国已商业化；冲浪板、小船等亦是文献中常常提到的滚塑制件。4、玩具、模特儿、工艺品等由于滚塑模具可以采用精密浇注、电铸等工艺制造；滚塑制件表面对模具型腔表面的精细结构“复制”效果很好，因此滚塑法可以使制品作得相当精致美观，故常用于制取具有较：大观赏价值的产品，特别是玩具、模特儿、工艺品等。5、除上述外，滚塑制品应用较多的还有各种箱体、壳体、大型管材等制件，如周转箱、垃圾箱、机器外壳、防护罩、灯罩、浴室、厕所以及电话间、游艇等等。滚塑产品在液态化学品贮运，化工企业、工业涂装、稀土制取中的洗槽、反应罐等，还有河海浮标、生活水箱等领域使用已有广泛影响。四、滚塑的主要优点1、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(压强)之下，比如应用极为广泛的注塑、压缩模塑，挤出吐塑等，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，机模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闭模力，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，机模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。而生产这样大的塑料容器，如采用吐塑成型，不用十分昂贵而庞大的吹塑设备是不可能的。2、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，因此滚塑成型工艺较之其他成型方法有更大的机动性。3、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。4、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。5、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。滚塑成型工艺与设备及其研究进展1 滚塑成型工艺及其优势滚塑是中空塑料制品成型的一种工艺方法，又称旋转成型、旋转模塑或回转成型。滚塑过程是将塑料粉末加入模具中，然后加热模具并使之沿相互垂直的两根轴连续旋转，模具内树脂在重力和热量的作用下逐渐均匀地涂布、熔融黏附于模具内表面上，从而形成所需要的形状，然后冷却模具，脱模得到制品。滚塑成型起源于20世纪40年代的英国，50年代在欧洲得到很大发展，之后传人美国、日本等地，随着聚乙烯粉末化技术的成熟，日益成为粉末塑料成型工艺中极有竞争力的成型方法。近年来，滚塑工业以1015的年增长率持续发展，成为小批量生产中、大型或超大型全封闭与半封闭的空心无缝容器最好的成型加工方法。目前，全球旋转模塑用树脂消耗量已占到树脂总产量的89。滚塑成型工艺与传统的中空塑料制品成型方法(如注塑、吹塑、热成型等)相比，其最显著的特点就是树脂加热、成型和冷却过程都在无压的模具内进行。这样的特点使之表现出一系列的优点。模具简单、成本低廉，适合成型大型塑料制品。适合多品种、小批量塑料制品的生产。适合成型形状复杂的制品以及复合制品。节约原材料。制品壁厚均匀、无接缝。制品无残余力，不易发生变形。换色容易，当要改变制品颜色时，只需清洗成型模具即可。2 滚塑成型机21 几种典型的滚塑机摇摆式滚塑机：具有能经济地生产体积大、形状简单制品的优点，不利因素在于系统自动化程度不高，造成效率低下和操作繁重。穿梭式滚塑机：拥有两个梭机，能经济地生产大型储存罐、容器及小型制品。操作简单，维护费用低，属于入门级滚塑设备。蛤壳式滚塑机：初始费用低，占地面积小，手工劳动少和制品质量好。该机滚塑过程中双轴旋转由主、副轴变速齿轮电机提供。转臂可直也可曲，能处理小型或大型模具。垂直式滚塑机：三臂式和六臂式，其转臂操作起来在同一个平面内，有分开的加热、冷却或装卸工位，最大的模具摆幅通常限于 9001200mm，使制品的大小受到局限。主要用于制作玩具娃娃部件、玩具、球类和汽车部件等。固定转臂式滚塑机：该设备可以从小型的 1000mm摆幅到大型的3800mm摆幅，有加热、冷却或装卸三个工位，设备效率高、容易维护，在滚塑领域中占统治地位。通常加热是整个周期的关键因素，因此它成了设备运转的控制因素。独立转臂式滚塑机：是滚塑工业常用设备类型，具有空气循环加热室和空气水冷却室，提供五个工位，包含一台自动车架来控制每台转臂绕中心台转动，而每台转臂和车架之间是独立的，提供更自动化和更完善的加工手段，充分体现了独立转臂滚塑机的灵活性。蚌式滚塑机：该机为加拿大FSP公司的独家产品。该机的热箱也可作冷箱，结构分上下两部分，上部可开启和关闭，形状及开启方式如蚌。模具回转直径从1236m。22 国内外旋转模塑设备的发展状况从滚塑的加热方式来看，目前较常用的为直火加热式和热箱加热式。生产大型制品一般采用直火加热式，而生产小型的制品国外先进的旋转模塑厂家较多采用热室加热三臂四工位和四臂五工位双轴旋转独立转臂设备。发达国家除了对滚塑设备构型不断改进外，还大力提高设备的自动化控制水平。如英国开发的Rotalog旋转模塑控制系统包括测温和控制显示两大部分。测温部分密封安装在模具架上的一绝缘盒内，通过无线电信号把热电偶测的模具内温度实时发送到加热室外的监控计算机上，计算机显示模具内温度时间图。该图与加热室温度时间图对比，可直观的显示滚塑设备中模具及其中物料受热、传热情况。操作者可以利用Rotalog控制系统减少和优化加热，冷却周期，改进和保证制品质量，降低生产成本，还能准确评估模具和新材料。国外滚塑厂一般拥有多台不同的滚塑设备。如美国spincast公司有7台滚塑机，模具最大回转直径4m，Dimond公司有9台滚塑机，模具最大回转直径为43m，Amerikart公司有10台滚塑机，模具最大回转直径为33m。我国的滚塑设备制造和辅助技术与国外的先进水平相比还比较落后，目前还没有专业性较强的滚塑设备制造厂。就国内的滚塑设备使用情况，有以下几个特点。(1)所使用的滚塑机以直火加热为主，还有少量的热室加热三臂四位独立转臂滚塑机，其他的滚机很少。(2)热箱加热独立转臂设备几乎全是国外进口，主要是美国、意大利、德国和日本产品，几乎没国产品。而进口直火加热摇摆机很少，所使用的直火加热摇摆机绝大多数是国内厂家的仿制品。(3)国内滚塑厂滚塑设备数量很少，滚塑厂规模较小。3 滚塑成型模具31 概述模具是滚塑成型中不可缺少的重要装备。滚塑模具简单，为无压成型模具，因此壁薄，轻质。滚塑模具由上下两半模组成，并用夹板固定。为了排出模腔内形成的气体，防止制品变形，模具上开设排气孔。在滚塑工业中，模具的制作有三种常用方法：钢板焊接、铝合金铸造和电镀成型。滚塑成型对模具材质强度要求不高，但必须具有良好的热传导性，并能抵挡频繁加热与冷却过程中的应力交替。显然低碳钢、铝、不锈钢等都是理想的制模材料。选择模具制作方法时通常要考虑以下三个方面：构造的复杂程度，模具的数量和制品表面质量要求。而在这三个要求中，制品的形状和尺寸占主导地位。我们可根据不同的情况选用不同的制作方法。同时，在制造模具时，成本是另外的一个重要因素。模具制作成本包括了制模材料、模具厚度、分型面的位置、模具数量和表面处理情况等等。合理设计滚塑模具结构和正确选用模具材料是获取表面光洁无气泡、壁厚均匀无应力的优质制品的首要保证。模具壳体的壁厚设计按常压容器的设计规范进行，即从刚度计算出发，结合制品厚度、加热方式及制模方法等综合考虑。一般较大型的模具采用钢板，其厚度为24mm，模具内壁要抛光。另外模具厚度取决于旋转方向和加热方式，用于热液体传导加热的模具，壁较厚些，一般为79127mm，以保证传热均匀，不发生热点；而热风循环加热的模具，壁较薄些，一般为57mm。32 铸铝模具用传统的砂型铸造生产的铸件精度低、制模周期长，铸件表面质量更无法达到滚塑模的要求，铸后还需人工打磨抛光。因此，生产滚塑用铸铝模就必须采用精密铸造方法，同时引入快速制模技术，缩短模具的制造周期。只有这样，滚塑成型投资少、见效快的优势才能得以充分显示。现代精密铸造的工艺方法多种多样，对于像滚塑模具这样尺寸较大且形状复杂的单件铸件采用石膏型或陶瓷型铸造是非常经济的。如再配合采用热模差压浇注法，使铸铝合金的流动性大大提高，进一步减小了滚塑模体的壁厚，对加快滚塑成型中的热量传导、缩短成型周期是十分有利的。33 快速制模技术快速制模技术即运用快速造型技术RPM (Rapid Prototyping Moulding)制得的原型直接或间接地加工各种金属模具的方法，是集CADCAM、化工、材料和精密机械等最新成就于一身的高新技术。目前发展比较成熟的快速造型方法有激光造型法SLA、薄板层积法LOM、熔丝沉积法FDM和选择性激光烧结法SLS等。在滚塑模制造中，用经过表面覆膜处理的LOM原型代替木模直接制造石膏型、陶瓷型(大件)或由原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型、陶瓷型(小件)，再用石膏型、陶瓷型浇注出金属模具的方法，实现铸铝模的精密铸造将是十分有利的。4 滚塑成型制品质量控制41 常见质量问题简单而实用是滚塑成型的一大优点，但同时也给该技术带来了一些先天不足的缺陷。比如，制品内部易产生气泡，而表面则易出现空洞；制品易出现弯曲、收缩、变色等。这些现象不但影响了制品的外观形象，而且更重要的是严重损害了制品的力学性能。因此，研究气泡的形成与消失，弯曲、收缩现象的形成与消失以及制品的冲击强度对提高成型制品的质量具有十分重要的意义。42 气泡与孔眼气泡的形成是因为当粉末粒子熔化并粘结在一起的时候，其间夹带了空气。在工业生产中，常采用提高加热温度的方法来减少或消除制品中的气泡。因为当提高加热温度、延长或消除制品中的气泡时，物料粘度减小，气泡扩散容易。同时因为有更多的时间使气泡扩散更彻底。这种方法对消除制品中的气泡虽然有效，但是也有副作用。比如增加熔融温度将导致成型周期延长，降低生产效率；高温下物料被氧化，致使制品的力学性能降低，特别是冲击强度尤为明显。43 冲击强度影响制品冲击强度的因素较多，比如加热温度、加热时间、冷却速度、粒子尺寸、模具材料等，其中加热温度和加热时间是影响冲击强度的主要因素。温度过低，材料熔融不够，导致制品冲击强度降低；温度过高则会引起塑料产生降解，同样降低了制品的冲击强度。熔体流动数率MFI与其冲击强度有直接的关联， MFI随着冲击强度的下降而下降。因而MFI可以作为制品冲击强度的指征。44 收缩与变形收缩、变形也是塑料滚塑成型制品的另一大缺陷。收缩、变形一般是由冷却时形成的残余应力引起的，试验证明通过不同的冷却方式交替进行冷却可以减少制品的残余应力，或者在冷却期间向模具内充人压缩空气，即通过压缩空气使已固化塑料紧紧贴在模具的内壁，阻止它脱离模壁或变形，一直到塑料完全冷却为止，这样便起到了冷却定型的作用。并且由于此法对于已固化塑料的内表面同时冷却，改变了冷却机理，从而减小了残余应力，抑制了制品的收缩和变形。试验证明，大部分塑料冷却时通入011MPa的压缩空气即基本上消除收缩、变形现象。5 滚塑成型研究进展从国内外情况看，滚塑成型技术已经取得了很大的进步。研究工作者