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塑料中空容器成型技術的進步
隨著中空吹塑成型技術（擠吹、注吹、注拉吹）的進步，特別是大型中空成型設備、多層共擠中空成型工藝及設備的發(fā)展，帶動了其它中空成型技術的最新發(fā)展，它們包括氣體輔助注塑件成型、半殼注射技術（shell technology）、旋轉成型、吸塑成型技術等。 1、擠吹中空成型技術 擠吹中空塑料成型機是中空容器成型的主要設備，世界上80%～90%的中空容器是采用擠吹成型的。在我國中空塑料成型機的發(fā)展歷程中，擠吹中空塑料成型機是發(fā)展最快和最完善的機種。近幾年來，擠吹成型工藝技術的最新發(fā)展主要體現在三維（3D）吹塑復雜中空容器和大型包裝容器上。 (1) 三維（3D）吹塑成型工藝 三維（3D）吹塑成型也稱為少廢料或者無飛邊的吹塑成型。近年來，市場對復雜、曲折的輸送管材制件的需求推動了這一技術的進步。3D吹塑成型工藝通常是使用6～8軸的機械手來運送型坯并將其放置在吹塑注塑件模具內進行吹脹。 (2) 大型中空吹塑成型技術 大型中空吹塑成型技術屬于擠吹工藝。目前，采用大型吹塑機成型的容器主要是IBC桶（500～2000L）和200L雙L全塑桶。 大型中空吹塑機一般包括擠出機、機頭、合模裝置、吹脹裝置、型坯壁厚控制系統(tǒng)、制品取出裝置、液壓站和強弱電控制系統(tǒng)。一般的外輔設備包括混送料系統(tǒng)和余料粉碎回收系統(tǒng)等。按其擠出型坯的方式，大型中空機可分為儲料式和連續(xù)擠出式，而按型坯的結構又可分為單層或多層。目前，國內的200L雙L全塑桶絕大多數都采用單層儲料式中空機吹制，下面就以該類大型吹塑機為例，從其最為重要的幾個系統(tǒng)組成來介紹一下大型吹塑成型機的技術進展。 擠出機 大型中空機所加工的原料一般是HMWPE，所配置的擠出機若采用常規(guī)設計，則其塑化效率明顯不足。例如，使用國產的f150/25擠出機來加工HMWPE粉料，其塑化能力僅為250kg/h。因此，大型中空機應采用帶強迫喂料結構和強制冷卻段結構的單螺桿擠出機，即具有IKV結構的擠出機。這種擠出機在相同長徑比條件下，其塑化量較常規(guī)設計可提高50%以上，且擠出量穩(wěn)定，再加之合理的屏障段和混煉段設計，還能獲得很高的塑化質量。 儲料式機頭 儲料式機頭的流道主要有3種形式，即單層心形包絡流道、雙層心形包絡流道和雙層螺旋流道。 早期的中空機機頭較多采用單層心形包絡流道，這主要是因為當時對成型制品要求不高。而隨著用戶對容器質量要求不斷提高，尤其在大型容器方面，存在熔合縫強度不足的問題，于是又出現了雙層心形包絡流道和螺旋流道的設計。雙層心形包絡流道之所以使融合縫區(qū)的強度得以提高，是因為可使擠出的型坯被完整的熔料層所覆蓋，而不像單層心形包絡流道那樣會使型坯的圓周存在明顯的熔合縫區(qū)。雙層螺旋流道的優(yōu)勢則是內外層分別由兩臺擠出機供料，并同時儲料。特別是由于制品的內層可以使用非著色料，使這種流道非常有競爭力。 對儲料式中空機機頭而言，衡量其水平的一個重要方面就是其換料的速度。盡管使用者希望換料的速度越快越好，但實際上卻是很難實現的。即使是一個設計不錯的機頭，其換料時間也往往需要幾個小時。雖然近幾年出現了一種可提升流道的液壓裝置，通過它可實現外部清理，進而達到加速換料的目的，但該裝置同時帶來了機頭結構龐大、制造和裝配精度要求高以及實際清理時工人的勞動環(huán)境差等問題。因此，要想加快換料速度，首要任務是采用正確設計的流道，盡量減少滯留區(qū)域。 合模裝置 近年來，大型中空機的合模裝置逐步趨向于采用兩板銷鎖式機構。該裝置的移模運動是由油缸或伺服電機通過滾珠絲杠來實現的。由于采用了滾柱直線導軌，使其具有剛性高、運動精度高及運動輕快的優(yōu)點。這種兩板式合模裝置的合模力是由兩對或三對位置可調的銷鎖缸來實現的。為了方便注塑件模具安裝，這些銷鎖缸可以簡單地從模板上取下來，并通過沿軸向的調整來適應不同的注塑件模具厚度。與此相似的還有一種被稱為“胡氏機構”的鎖模裝置，它的原理同銷鎖式機構基本相同，只是可以用在要求鎖模力更大的合模機構上。在合模裝置的液壓控制方面，現在一般都采用比例液壓閥，以精確控制合模的速度，進而有利于制品的成型。 型坯壁厚控制 中空吹塑機機頭的型坯壁厚控制是中空成型的關鍵技術之一，其作用在全塑桶成型方面尤其顯著。型坯壁厚控制分為軸向控制（AWDS）和徑向控制（PWDS）兩種形式。目前的大型中空機一般都具有軸向型坯壁厚控制功能，其控制點從24點到256點不等。軸向壁厚控制的作用是使得注出的料坯根據制品不同的吹脹比沿軸向獲得不同的厚度，從而保證最終制品有比較均勻的壁厚分布。其原理是芯模根據預設位置作軸向運動，以改變模頭的開口量，從而達到改變坯厚的目的。 2、多層共擠中空成型技術 基于多層吹塑中空容器在食品、化學品、化妝品、醫(yī)療衛(wèi)生及其他工業(yè)包裝方面的廣泛應用，多層共擠中空成型技術得到了快速發(fā)展。 由于多層共擠中空成型機的復雜性，我國在這方面與先進國家相比還有較大的差距。雖然近幾年國內也有一些機種推出，但還很不完善，需要從以下幾個方面加強研究開發(fā)：研究適應一定范圍的共擠機頭（模頭），以滿足不同材料、不同層數及機頭直徑的要求；研究組合包裝系統(tǒng)，它能根據不同的原料特制出可能允許的組合數的機頭；研究基礎機械程序。 3、氣輔注塑件與水輔注塑件 氣體輔助注塑件技術（GIT）通過把厚壁的內部掏空，能夠成功地生產出厚壁、偏壁制品，在生產形狀復雜的介質導管方面具有一定的優(yōu)勢。由于氣輔技術可使制品的外觀表面性質優(yōu)異、內應力低、輕質高強，而且可節(jié)省材料、縮短生產周期，因此非常適合于家電、家具、汽車、辦公用品、日用品以及玩具等領域的制品，其中包括管道狀制件、大型扁平結構零件和由不同厚度截面組成的制件。 為了縮短冷卻時間并獲得較小的管子壁厚，用水代替氣體來成型中空結構的注塑件技術被稱為水輔注塑件（WAIM）。利用水輔注塑件的產品，壁厚更小，壁面更光滑。目前世界上有很多機構在進行與該項技術有關的研究開發(fā)。在水輔注塑件成型過程中，水像柱塞一樣推動熔體迅速向前移動，在這個過程中，要求水不能蒸發(fā)，水前面的熔體也不能凍結固化，因而要求水的流量要達到20～80L/min，甚至更高。剛開始注水時，為了避免水的流速過高和壓力過大（會在注水口附近產生漩渦而導致制品壁面缺陷），通常要對注水壓力實行分級控制，即剛開始時壓力較低，然后再把注水壓力迅速提高到所需的水平。 4、半殼注塑件技術 半殼注塑件技術實際上是兩種工藝過程的結合，即先用注塑件的方法生產兩個半殼，然后再將兩個半殼焊接起來而成為中空制品。為了保證這兩種工藝流程能夠很好的匹配，要求注塑件的兩個半殼的焊接面必須非常平整，毫無翹曲。一般要利用計算機輔助工程（CAE）設計軟件進行優(yōu)化設計，以盡量消除因制件冷卻不均勻而產生的內應力。 目前，使用半殼注塑件技術生產的中空產品有汽車儀表板上的各種氣管、發(fā)動機進氣管和汽車油箱等。 5、注塑件模具滑動注塑件成型 注塑件模具滑動注塑件成型法是由日本制鋼所開發(fā)的一種用于制造中空制品的兩步注塑件成型法。其原理是：首先將中空制品一分為二，對兩部分分別注射而形成半成品，然后將兩個半成品和注塑件模具滑動至對合位置。二次合模后，在制品兩部分結合縫處注入塑料熔體（第2次注射），最后得到完整的中空制品。與吹塑制品相比，該技術所成型的產品具有表面質量好、尺寸精度高、壁厚均勻且設計自由度大等優(yōu)點。 在制造形狀復雜的中空制品時，注塑件模具滑動注塑件成型法與超聲波焊接相比的優(yōu)點是：不需要將半成品從注塑件模具中取出，因而可以避免半成品在注塑件模具外因冷卻而造成制品形狀和精度的下降，此外還可以避免焊接工藝中因產生局部應力而引起的熔接強度的降低。 6、旋轉模塑 旋轉模塑是指注塑件模具在加熱的爐子內沿2個軸旋轉，裝在注塑件模具內的塑料熔結在注塑件模具表面，冷卻后即可以得到與注塑件模具形狀相仿的中空制品的技術。旋轉模塑的優(yōu)點是成型過程沒有壓力，從而使制品沒有內應力，壁厚比較均勻（與吹塑和熱成型相比），同時，注塑件模具也比較簡單。該技術特別適合于小批量生產大型中空制品。 最初用于旋轉模塑的主要材料是PVC糊塑料，目前則更多地使用聚乙烯、聚丙烯和尼龍。常見的旋轉模塑產品有玩具、功能性家具、容器和儲槽（最大容積可達80m3）、汽車零部件、體育休閑用品、交通隔離標志等。近幾年，旋轉模塑產品的增長速度較快，平均年增長率為20%，遠遠高于其他塑料制品的增長率。 旋轉模塑可適用的塑料品種很少，因為該技術要求塑料具有較好的熱穩(wěn)定性，同時，由于需要將塑料磨成粉，使材料價格有所提高。此外，很難用成型加強肋的方法提高產品的剛度。 7、熱成型工藝技術 熱成型是對擠出熱塑性片材通過一系列的成型或拉伸而得到制品的方法。具體來說就是通過加熱使片材軟化，然后借助真空或低壓使軟化的片材壓向整個模面，從而得到既簡單又經濟的制品。這種成型的優(yōu)點是注塑件模具費用低、注塑件模具研制周期短、注塑件加工房投資費用低、設備投資小且短時間里就可運轉。 普通熱成型 熱成型需要較多設備，包括烘箱、注塑件模具及串聯的輔助設備。真空輔助包模成型設備是其中最簡單的一種。在單級設備里，切好的片材被夾在一個框架上，通過幅射（紅外）加熱使其軟化。壓緊在框架中的熱片材被向下拉（預拉伸）到冷凸模上，上面受大氣壓，下面抽真空，軟化的片材受到強壓后就會緊貼冷凸模而成型。這種單級設備還可以進行帶額外壓力的熱成型，即使加熱的空氣穿過多孔板吹向片材，將片材壓向凹模里，片材受真空拉伸并緊貼向模壁，在此過程中空氣壓力可以高達1Mpa。在兩級設備里，加熱裝置在成型區(qū)的外面，熱片材夾在框架上進行來回輸送。在普通熱成型中，凸模通常比凹模有較大的拉伸度，但脫模較難，因而制件的外表面清晰度較差，而制件緊貼注塑件模具的內表面清晰度則相對較大。 雙片熱成型 雙片熱成型的特點是成型快、壁厚均勻，可以制作雙色和厚度不同的制品，甚至材料不同的制品。在工藝上可分為雙片壓力熱成型和雙片真空熱成型兩種。其中，雙片真空熱成型的工藝是：先分別在注塑件模具內真空成型出2個片材，再將2個注塑件模具合模，施壓使制品熔合成為中空制品，如有必要，甚至可以在空腔內放入其他構件。采用該方法成型的典型產品有沖浪板、油箱、小船、門、管道、玩具等。與吹塑工藝相比，用這種方法生產小型或中型產品時，效率更高。而與旋轉模塑相比，這種方法不僅生產效率更高，而且可以適用更多的塑料片材，包括多層共擠出片材。
