滚塑成型技术

作者：济南兵器工业53所 张玉龙

欢迎访问e展厅 展厅 10 其它塑料机械展厅 滚塑机, 复合机, 压延机, 塑料拉丝机, 覆膜机, ... 滚塑成型的基本原理 滚塑成型技术又称旋转或回转成型技术。它是将塑料粉料装入模具中，使粉料在模具中绕两个相互垂直的轴，一边加热一边转动。由于在旋转过程中，粉料不断翻动，彼此间相互摩擦及其模具表面对粉料的拖拽，使粉料不断向模具壁上方运动，直到其运动作用力足以克服粉料所受重力作用时，粉料才能越过粉料池达到对面模壁，粉料随模具做360度转动。 经过反复受热旋转动作的重复，粉料便发生熔融并均匀地黏附在模具内壁上熔结成一体，达到所需厚度后则冷却定型，从模具中取出中空制品即可。 与传统的中空塑料制品成型方法比较，滚塑成型在设备投资成本及制造周期、工艺灵活性方面具有不可比拟的优势，成为小批量生产中型、大型或超大型全封闭或半封闭的空心无缝容器的最理想、最经济、最有效的方法。 滚塑成型工艺特点突出。滚塑工艺设备投资少，模具加工费用低，生产同体积的制品综合成本低。节省原料，几乎100％的物料都可转换为制品。模具内无流道、浇口等，不会产生废料，且制品壁厚均匀，倒角处稍加厚些，能充分发挥物料效能。 滚塑工艺适合于生产大型和超大型制品，适于成型各种复杂形状的中空制件。在回转成型过程中，物料逐步涂覆于模具表面上，对于模腔表面上的花纹等精细结构有很强的复制能力，同时由于模具在整个成型过程中不受压力作用，可以直接采用精密浇铸等方法制成各种精细而复杂的模具以成型诸如玩具、动物模型等各种树脂基复合材料制品。 滚塑工艺还适于生产多层材质的树脂基复合材料制品。滚塑成型多层制品，只需将合理匹配的、不同熔点的树脂装入到模具中，成型过程中熔融温度较低的物料先受热熔化，粘附到模腔壁上，形成制件的外层。在此以后熔融温度较高的物料再熔化，附着于外层物料上形成内层，或者先将外层树脂装入模具中，回转成型为制件的外层，然后再加入内层树脂，制得多层回转成型制件。 滚塑成型制得的产品无内应力，几乎无取向性或残余应变，也不致发生凹陷、变形和开裂等问题。 滚塑成型适于多品种、小批量树脂基复合材料制品的生产，且极易变换复合材料的颜色。另外，该工艺成型简单，适应性强，模具更换方便。设备，棋具结构简单，加工制造方便、迅速、价格低廉，因此对于变换产品十分有利。一部回转成型机，在生产过程中，还可以同时成型大小及形状极不相同的制品。 滚塑成型也有一定的缺点，如能耗较大、成型周期较长、成型制品尺寸精度较差、劳动强度较大等。 设备与模具 滚塑成型设备一般由传动系统、加热系统、冷却系统和控制系统等组成。传统的滚塑成型机为单臂双轴(相互垂直)旋转，单工位(也有2～4工位)。传动系统由电机、调速器、主、副旋转轴等组成。加热系统由加热炉、燃烧器、点火装置等组成。加热介质有液化石油气、煤气、柴油等。冷却系统由供水管及喷嘴组成。加热后的模具经空气、水雾、喷水，使其均匀冷却。滚塑成型设备的特点是结构简单、价格低廉、传动平稳、对制品的适应性强，可满足中、小批量生产。 与注塑、中空吹塑等塑料成型模具相比，滚塑用模具结构简单、体积大、质量轻的特点，因而制作简单，价格低廉。滚塑用模具采用普通低碳钢(也可用铝板)焊接加工，分为两个半模，使用卡具固定连接。为防止制品变形，模具须开设排气孔。在不影响强度和变形的前提下，模具厚度越薄越好，一般采用3～6mm的钢板为宜。制品平直部分大于400mm时，模具应考虑加强筋或相应结构的设计。 成型用树脂 滚塑用树脂常需预加工。例如，固态粒料树脂常需要预先粉碎成粉状物料，因而使树脂价格上升。但滚塑成型工艺废料少，树脂价格上升部分可因而得到补偿。可用于滚塑成型的树脂有聚烯烃、尼龙、聚碳酸酯、聚酯、EVA、ABS、PS和热固性树脂等，20世纪60年代开发的粉料聚乙烯给滚塑加工业的发展注入了活力，直到今天90％的滚塑用原料仍为各种牌号的聚乙烯树脂。 由于滚塑成型工艺的特殊性，给选择原料带来了特殊要求。首先由于是无压成型，所用原料须具有良好的流动性，因此树脂颗粒大小一般为100～500μm，熔体流动速率在4～8g／10min为宜。由于成型周期较长，原料需承受较高的温度，因此其热稳定性要好。冲击强度和韧性在选择树脂时也是一个非常重要的因素，线性低密度聚乙烯能满足这一要求，因而被广泛采用。近年来，茂金属催化剂合成聚乙烯为滚塑成型提供了优良的原料。 滚塑成型工艺 滚塑成型的工艺流程为：配料、装入模具、模具旋转与加热、模具旋转与冷却、脱模。 滚塑成型的加热方式有热风循环和直接火焰加热、熔盐加热、介质加热以及红外辐射加热。热风循环是将被加热的循环空气作为磨具热量来源。直接火焰加热法是将燃料火焰直接喷射到旋转模具上。这两种方法被广泛采用，加热温度为200℃～500℃。热风循环一般用煤气发生炉加热。直接火焰加热采用煤气、液化气、重油、煤等燃料。熔盐加热是将加热熔化的200℃～300℃左右的熔盐直接喷吹在旋转模具外表面上。此法加热均匀，传热快，所以生产周期短。介质加热用于结构较复杂滚塑成型模具，加热周期短，温度易控制，热利用率高。红外辐射加热方法先进，加热不需要任何传热介质，操作方便，升温速度快，无污染，该法在日本已有采用。总之，滚塑成型加热方法是多种多样的，应该根据本地区、本部门的具体条件来确定加热方式。 滚塑成型的冷却方法和冷却速度对旋转模塑制品质量有很大影响，它不仅关系到制品尺寸稳定性和外观质量，而且直接影响产品的内在性能，所以，必须严格控制。 滚塑成型工艺参数是指成型温度、时间、冷却速度等。由于旋转形式和加热方式的不同，工艺参数差别很大。特别由于使用直接火焰加热时更是这样，温度一般控制在250℃～350℃左右。加热时间随制品厚度、大小而异，通常是25～50min，冷却采用冷空气和水冷结合的方法，一般在25～40min左右。 滚塑成型应注意的工艺要点有： ●滚塑成型与滚塑材料粉末的粒径分布有密切关系。 ●滚塑工艺对成型产品的性能影响较大，在加工过程中，选择合适的工艺参数是十分重要的。 ●采用合适的加热温度、延长加热时间有利于改善材料的冲击性能。 ●在加热温度较高、加热时间较长的条件下，材料的内表面主要发生交联反应。 ●不同工艺所生产的产品交联度（结晶度）差别不明显。 热固性树脂基复合材料的滚塑成型 热固性复合材料的滚塑有两种方法：即预混合法和预成型法。 下面以不饱和聚酯为例说明预混合法操作步骤： （1）配制树脂体系：按照热固性复合材料常规配方，在不饱和聚酯树脂胶液中加入适量的固化剂、催化剂、调料或颜料等助剂，然后将其搅拌混合均匀。 （2）浸渍纤维增强材料：将短切纤维加入树脂体系之中，进行充分搅拌，混合均匀后便制得旋转成型用物料，此物料为短纤维状。应该注意，短切纤维加入前，应对纤维进行表面处理。不然会造成树脂/纤维界面质量不高。 （3）将混合好的物料加入旋转磨具内，按不饱和聚酯成型工艺条件加热，使其旋转成型，待物料均匀地附在腔上，再经树脂凝胶、固化反应完成后再进行冷却。 （4）待冷却至室温，便可开模，取出制品。 （5）将制品进行后加工处理，如除去飞边，毛刺等，在进行后烘热处理，便可装箱或投入使用。 此成型方法工序简单，劳动强度低，生产环境良好，但制品中玻纤含量低，一般都不超过20%，玻璃纤维的长度也小于25mm。所以造成制品力学强度偏低，不能制造承力结构制品。 此法适用于制备那些利用中空吹塑难以成型的中空制品，如油箱、罐及其他容器。 预成型法生产流程分两步，第一步先用玻纤与热塑性树脂混合成型坯件，然后再加入不饱和聚酯混合体系，再进行二次滚塑成型制得制品。其具体操作步骤： （1）选用长度为25mm的经表面处理的玻纤，或按照制品大小或长度决定玻纤长度。 （2）选用粘接性能优良的热塑性树脂，如ABS、丙烯酸、聚苯乙烯、聚氨酯或其他树脂。这种热塑性树脂不仅与玻纤有优良的粘接性，而且对不饱和聚酯也具有良好的相容性。 （3）将备好的玻纤以30％含量加入型腔，再将热塑性树脂加入型腔，并将其混合5~10min，混合均匀即可。 （4）根据所选热塑性树脂工艺条件，将混合物加热，加热时间为10~15min。 （5）预成型坯件厚度达3~5mm时，即可冷却使其定型，冷却时间为3~5min，待用热固性树脂浸渍。 （6）选用粘度为0.6Pa·s的不饱和聚酯、添加适量的催化剂，室温固化选用过氧化甲乙酮，加热固化则选用过氧化苯甲酰，混合3~5min后均匀加入装有预成型坯件的型腔内。 （7）旋转使不饱和聚酯胶液浸渍并固化15~20min。 （8）将制品充分固化后再冷却脱模，取出制品，整个成型周期约45~60min。 （9）将制品置于120℃~160℃下热处理6~24h。 （10）清理模具，备好进行下一次旋转成型。 预成型的主要优点有： ●可采用长25mm以上的纤维，纤维含量可提高到40％~50％，纤维分布均匀，无取向性、制品性能可与喷涂成型和手糊成型制品相媲美。 ●可成型大型和形状复杂的制品。 ●生产环境良好，劳动强度偏低，工作场所无有害气体和玻纤飞扬。 ●制品可采用加热固化，缩短其成型周期。 ●滚塑成型的中空制品、大型容器等力学性能、尺寸稳定性均好于吹塑制品，可用作承力结构件。 滚塑发泡成型技术 连续滚塑发泡成型一般分为两步法、多步法和—步法。 1、两步法 两步法滚塑发泡成型技术是在间歇滚塑发泡成型的基础上发展起来的。大部分的两步法成型工艺是在滚塑模具内放置一个预先装入发泡树脂粉末的投入箱。当模具内的非发泡树脂粉末开始熔融覆盖住模具内壁后，打开投入箱，释放出发泡树脂粉末，就能在致密的非发泡层上形成发泡内芯了。操作者也可以利用高熔点的热塑性塑料制成投入袋，在投入袋中预先装入发泡树脂粉末，当模具内的温度达到热塑性塑料袋的熔融温度时，投入袋熔融破裂，释放出树脂粉末。 两步法虽然不用中断加工，但是如何准确地打开投入箱或如何准确地控制温度使得投入袋完全破裂、充分释放非发泡树脂是该方法的难点所在。同时，加工制造投入箱或投人袋无疑会增加加工成本，并且对设备的控制系统提出了较高的要求。 2、多步法 多步法一般是用于生产多层制品，其工作原理和两步法类似。如果在发泡内壁上还有一层非发泡层，则使用第二个投入箱或多个热塑性投入袋，在已经形成的发泡内芯层表面释放非发泡树脂，形成非发泡层。 两步法和多步法仍然存在设备复杂、需要对旧有的滚塑设备进行大量改造、工艺条件控制困难等问题。为了能够最大限度地利用原有的滚塑设备，人们开发出了一步法滚塑发泡成型技术。 3、一步法 一步法滚塑发泡成型基本上能够直接使用传统的滚塑成型设备，无需进行额外的设备改造，生产工艺相对简单。和传统的滚塑设备相比，一步法滚塑发泡设备无需进行大型改造，但对其加热、冷却等温度控制系统则提出了更高的要求。要求温度控制精确、热传导效率高等。目前，由于一步法滚塑发泡成型技术在设备、工艺和制品质量等方面具有明显优势，近年来发展迅速，将会成为今后最重要、最具有发展应用前景的滚塑发泡成型技术。 为了获得致密的非发泡外壳和发泡内芯，目前一步法滚塑发泡主要是利用发泡树脂和非发泡树脂的密度不同、热容不同、颗粒尺寸不同的特点进行制品加工生产。目前主要有3种工艺路线及成型方法： ●利用非发泡树脂粉末和发泡树脂粉末密度不同的特性获得非发泡外壳和发泡内芯。 该方法所选用的非发泡树脂的密度比发泡树脂的大，在加料的时候同时加入这两种树脂。模具旋转送入加热炉后，由于树脂的密度不同，在离心力的作用下密度较大的非发泡树脂离模腔内壁最近，最先受热开始熔融，形成非发泡层。然后在非发泡层的内壁上发泡树脂开始熔融，发泡剂释放气体，形成发泡层。但是，如果非发泡树脂和发泡树脂的密度差别不大的话，发泡层和非发泡层之间的区别就不是十分明显。目前常用的几种热塑性塑料的密度相差不是太大，因此要获得足够的离心力，模具必须高速旋转。但在滚塑成型工艺中，模具的旋转速度一般较低，以保证树脂粉末能够很好地覆盖住模具的内表面，得到外形合格的制品。 ●利用非发泡树脂粉末和发泡树脂粉末热容不同的特性获得非发泡外壳和发泡内芯。 该方法所选用的非发泡树脂的热容比发泡树脂粉末的热容小，在加料的时候同时加入这两种树脂。模具送入加热炉后，由于非发泡树脂的热容较小，首先开始熔融，粘附在模具的内壁上。与此同时，发泡树脂的热容较大，在非发泡树脂开始熔融的时候，发泡树脂还是颗粒状，随着模具的旋转而运动，逐渐聚集在模具的中间，随着模具温度不断升高，发泡树脂开始熔融，发泡剂开始分解释放气体，这样就在非发泡层的内壁上形成了发泡层。但是这种方法对加工条件和温度控制系统要求较高。 ●利用非发泡树脂粉末和发泡树脂粉末颗粒尺寸不同的特性获得非发泡外壳和发泡内芯。该方法所选用的非发泡树脂的尺寸明显比发泡树脂的尺寸小。发泡树脂预先和发泡剂混合均匀，制备成较大的颗粒。加料的时候同时加入这两种树脂。模具被送人加热炉后，由于非发泡树脂的尺寸较小，离加热炉壁较近，最先受热开始熔融，形成非发泡层。然后在非发泡层的内壁上发泡树脂开始熔融，发泡剂释放气体，形成发泡层。 目前，滚塑发泡成型的一个重要研究方面就是发泡树脂的研究开发，要求所选用的聚合物树脂有一定的熔体弹性，必须能够抵抗气泡内气体压力。如果熔体弹性太小，气泡就会破裂。并且，在树脂研磨成粉末前就要将发泡剂和树脂混好，以保证发泡剂粉末能够均匀分散在聚合物粉末中。现在，大多是将树脂密度、热容、树脂尺寸及化学发泡剂等因素相结合，开发出适用于滚塑发泡成型的发泡树脂原料。 理论上，任何类型的热塑性塑料都可用于滚塑发泡成型，但由于其工艺的特殊性，选择原料时有一些特殊的要求。首先，由于是无压成型，滚塑发泡原料必须具有良好的流动性，使之能够像液体一样平稳地流人模腔的各个角落，获得壁厚均匀的制品。其次，由于滚塑发泡成型的周期较长，原料需承受较高的温度，因此它的热稳定性要好。最后，为了能够抵抗气泡内的气体压力，塑料原料要求有一定的熔体弹性。如果熔体弹性过小，气泡就会破裂，影响气泡质量． 冲击强度或韧性在选择材料时是一个非常重要的考虑因素，也是对滚塑发泡制品的主要要求。线性低密度聚乙烯能满足这一要求，因而被广泛用于滚塑发泡工艺。PVC增塑粉料、醋酸乙烯共聚物(EVA)、乙烯-丁基丙烯酸酯共聚物(EBA)及尼龙、ABS、乙烯-三氟乙烯共聚物(ECTFE)等也用于特殊应用领域。具有开发前景的原料还包括聚苯醚(PPO)、ABS-聚碳酸酯合金、PEEK、PPS和玻璃纤维增强尼龙等。近年来，茂金属催化剂合成聚乙烯为滚塑发泡提供了优良聚乙烯原料。 —般来说，发泡剂有物理发泡剂和化学发泡剂。但是，由于滚塑发泡成型基本上是无压成型，不采用物理发泡剂。因为使用物理发泡剂就要提高模具内的压力，这将大大提高设备成本，因此在滚塑发泡成型中一般使用化学发泡剂。化学发泡剂在特定的温度范围内开始分解产生气体。使用化学发泡剂需要注意的是发泡剂的分解温度范围必须高于聚合物熔融温度。如果发泡剂已经开始分解而聚合物熔体的熔融阶段才刚刚开始，气体就很容易溢出，不能在熔体内形成气泡。除了发泡剂的分解温度以外，还要注意发泡剂的分解串、产生或吸收能量的能力、气体产量。因为最终的发泡结构都和这些因素有关，选择合适的发泡剂是聚合物发泡成型的关键，目前通常使用的发泡剂有CelogenOT、AZ。 除了发泡剂以外，还需要考虑其他的各种助剂。需要注意的是某些着色剂，尤其是碳黑或氧化铁颜料。这些助剂可能会吸收发泡剂所产生的气体，或者会和化学发泡剂发生反应，降低发泡剂的效率，有时会带来严重的后果。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/22/2009)