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从玻璃吹制到吹塑
作者:MICHAEL THIELEN    来源:KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
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吹塑机/中空成型机展厅
吹塑机, 吹瓶机, 中空成型机, ...
人类历史上,首次被吹制成中空器皿的材质就是玻璃。据迈耶百科辞典(Konversationslexikon)记载,Ben Hassan皇家墓穴壁上的浮雕展示了玻璃吹制加工的画面,而这幅浮雕可以追溯到公元前1800年。埃及最古老的玻璃制造工厂始于公元前14世纪,经历了一段漫长的历史道路,埃及玻璃吹制工艺发展成为现代工业吹塑中空塑料器皿的生产工艺,而新型廉价原材料的使用从本质上推动这一发展过程,新材料不仅能更好地满足生产加工的特殊需求,也不断拓展了产品适用范围。

美国成为行业先驱

1851年6月24日于美国注册的专利“古塔胶中空器皿制作工艺改良”,S. T. Armstrong描述由推向模壁中心的气流压力吹制而成的管状半成品,采用的原材料是古塔胶,这是一种橡胶制品,从同名的树木上取得。这项专利带来了吹塑工业用途的发展,随后是主要用于工艺产品和玩具加工的赛璐珞和橡胶(见图1),例如,圣诞树上挂的球状装饰物,是通过在两片赛璐珞膜之间吹气流使其软化,并形成其附着的模具形状,然后将赛璐珞膜的边缘密封。然而在当时,加工材料的种类是非常有限的。

直到20世纪30年代,吹塑工艺才有了进一步发展,随着美国玻璃制造行业开始使用PVC来制作器皿和包装,这种与玻璃易碎性截然不同的新型材质占领了市场,而美国也在玻璃制造市场成功地独占鳌头,这一局面一直持续到第二次世界大战结束。从1938年到1945年注册在案的大量吹塑专利,主要是由美国的玻璃制造行业获得。美国专利序号第2260750号名为“塑料中空器皿的机器制造方法”,由William H. Kopitke(Plax公司)注册于1938年,是一项尤为重要的专利,专利内容包括半成品的生产过程,以及使用首次加热的吹塑。Owens Illinois玻璃制造公司制造出了世界上第一个塑料瓶,从1939年到1946年为美国军队医疗队提供批量生产。当时采用的方法按照现在的划分标准,应该被归类为注坯吹塑。

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欧洲的独立发展

在吹塑工艺发展上,欧洲则稍逊于美国,直到20世纪40年代才出现吹塑工艺,主要应用发生于玻璃制造行业,许多塑料加工的新技术也是基于此产生。美国当时为了充分保护自己在玻璃制造行业的垄断地位,奉行了“塑料吹制”关门主义。因此可以说,欧洲在这一领域的发展进程是完全独立于美国的。一批德国工程师和企业家成为了当时吹塑领域的先驱者,主要有Reinold兄弟和Norbert Hagen (Kautex Werke, 约始于1948年,见图2),Stefan与 Rainer Fischer (Maschinenfabrik Johann Fischer, 约始于1957年), Horst Gottfried Mehnert (Bekum, 约始于1959年), M.Rudolf (Rudolf), 以及Erhard Langecker (Battenfeld)。

Kautex Werke公司创建于波恩,如今已经并入Kautex Maschinenbau有限公司以及塑料加工商Kautex Textron有限公司。

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Dynamit Nobel集团子公司位于距离波恩不远的Troisdorf,在塑料发展领域表现相当活跃。Alfred Nobel本人为了实现用橡胶、古塔胶及皮革来替代传统硝酸纤维素,进行了不计其数的试验。试验的成功,使现代高聚物化学和聚合物加工领域第一次出现了激动人心的飞跃,这对于Dynamit Nobel也有着影响极为深远的意义。1905年,其Troisdorf制造厂通过将硝酸纤维素这种易爆原材料转化为赛璐珞,首次生产出工业用塑料。1923年,世界首例注塑材料进入市场,由此开启了塑料铸型产品生产的篇章。1930年,Dynamit Nobel Kunststoff有限公司的前身,科隆Rheinisches Spritzguss-Werk有限公司(RSW)开始投入生产。

第一台挤出吹塑设备诞生

受到Dynamit Nobel发展的启发,Hagen兄弟使用塑料片制造出第一个注塑组件,其构造源自于金属片加工,并引入了弯曲和焊接的步骤。为了简化生产并提高生产效率,Hagen兄弟在1949年开发出了第一台挤出吹塑设备,能够使用塑料来高效生产瓶子、器皿和其它中空产品。这台设备独特的设计,例如气流阀门针,即使在现代也没有落伍,仍然使用在吹塑设备上。现在这台吹塑设备的复制品展示在波恩的Dr. Reinold Hagen Foundation科技中心,这家中心由Reinold Hagen博士于1988年用卖掉公司的收入创立。在随后的多年生产实践中,吹塑塑料包装因其不易碎,耐化学性且比金属或钢片更具加工灵活性的优越性能站稳了地位。

以德国为代表出品的挤出吹塑设备,很快获得了国际认可,在行业中获得了更深远的发展。大约在1955年,第一台Kautex全自动吹塑设备跨越大西洋来到美国,在美国得到了进一步改良提升。至20世纪60年代,现代市场以及吹塑技术的基础已经大部分奠定了。

美国和德国专利的清单可以在“中空塑料产品的吹塑”(Blasformen von Kunststoffhohlk?rpern)一书中找到。

专一聚焦发展叩开新市场大门

在原材料方面,聚烯烃和硬PVC很快成为吹塑材料的最佳选择。基于其加工系数(温控及流变),聚烯烃相对比较容易加工,而PVC最初则被其高热敏性和重复加工性所累。但国内及海外市场仍然对透明PVC食品包装有着强烈的需求,食用油、醋、饮料、调味品,以及药品和化妆品的容器等应用领域的蓬勃发展,无不折射出中空吹塑产品的光明前景。

随着中空吹塑产品的日益风靡,市场竞争与日俱增,同时也涌现出对聚焦在质量和性能上的专业人才和技术的需要,目标性聚焦发展及专业化在设备、工艺和适用技术多领域由此展开,这其间的典型如下所示:

■ 定制开口瓶颈的校准技术(见图3)。
■ 均一壁厚吹塑产品生产中的半成品壁厚控制。标准轴壁厚控制补偿产品周长的圆周差,在20世纪90年代由statically flexible die rings (SFDR)和部分壁厚控制(PWDS)补充。
■ 全自动模具内外抛光打磨的机械化工作流。
■ 采用多模设计大幅提升设备产能(见图4)。
■ 用于大型中空组件制造的设备设计,例如弹筒、鼓、10000升IBCs燃油罐。
■ 精密工业中空组件的生产制造;特别是在20世纪90年代,三维弧形中空管低废产品的3-D吹塑技术发展。
■ 多层中空组件生产,例如夹层为可循环材料的三层组件。
■ 6层连续双挤出技术的发展,用于EVOH阻隔层塑料燃料罐生产(见图5)。
■ 微处理控制的发展。

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这些多方向聚焦的百家争鸣,也催生出纷繁多样的设备类型。设备彼此间的不同点主要在于校准和充气构造、半成品和气流阀门间的模具运动以及溢料分离的不同类型。工业吹塑设备(见图6)本质上不同的是材料蓄力类型和蓄力器端口设计。螺旋往复蓄力器端口与融化蓄力器端口不同,特别是管状柱塞式蓄力器端口。前者的设计改良自注塑设备,尽管与原材料行业付出了巨大努力开展合作研发,但在实际生产中扔未能成型。目前只有顺序双挤出(3-D组件的“硬-软-硬”产品)仍然使用往复管状柱塞式蓄力器端口。尽管有很好的设计理念,但在注塑领域大获全胜的全自动设备,仍未能在吹塑生产中实际应用。

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原材料改良推动加工工艺发展

20世纪60年代,高分子聚乙烯进入市场。这种材料为注塑行业带来全新的发展推动力,也拓宽了大型注塑组件和工业组件的新用途。由于现存挤出设备、端口设计、机械钳力和吹塑模具的交错断裂边缘等方面,都已经不再能满足更精密的生产要求,这导致新材料的发展初期被重重困难所阻。多年发展下来,可以说,适用于更广泛生产适用范围和生产可能性的新材料,以及与之同步的加工工艺,都对生产设备的设计与改良起到了重大的推动作用。以下关键词在这一领域出现频率较高:

■ 引入压力传送挤出机设计,具备开槽冷却挤出给料区
■ 混合和剪刀组件的使用,作为均质化补救措施
■ 管状柱塞式蓄力器的最终突破点
■ 市场需求的觉醒,将吹塑组件作为上述燃油罐、塑料燃料罐和鼓来运输危险品
■ 半成品模具流道、心形重叠花纹、补偿蜘蛛形心轴的优化
■ 快速且精准的壁厚控制整合半成品长度控制
■ 半成品可控预吹制

原材料生产商、设备制造商和产品加工商三方的紧密合作,也为巨大发展成果起到了不可替代的重要作用。

结语

在历史的长河中,玻璃吹制的发展经历了1400年,自第一次尝试将这种技术来应用于热敏塑料仅仅有130年历史,而聚合物吹塑的工业用途才刚刚始于80年前。记录这些发展的编年纪要编撰者们在1979年眺望未来,期许2000年的编年纪要中能够增加进更多聚合物吹塑加工的发展成果。现在,今年的编年纪要应该能够圆他们这个心愿了。
文章内容仅供参考 (投稿) (12/26/2012)
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