滾塑成型技術的研究現狀及其展望

張凱，夏天

（1.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江212013;2.常柴股份有限公司，江蘇常州 213002）

0 引言

滾塑作為一種塑料成型技術，開始時僅是注塑、吹塑的補充，但隨著聚乙烯粉末化技術的成熟，日益成為粉末塑料成型工藝中極有競爭力的成型方法，發展迅猛［1］。滾塑成型又稱旋轉模塑或旋轉成型，即將模具沿兩垂直軸不斷旋轉并使之加熱，模具型腔內的塑料在重力和熱的作用下熔融并粘附于型腔表面上，冷卻定型后獲得塑料制品。滾塑成型滾塑適于大型及特大型制件、各種復雜形狀的中空制件，在化工、機械、電子、輕工和軍工等行業均有廣泛應用，如車輛燃油箱、儲物箱、大中型容器、汽車零部件、包裝箱、運輸箱和耐腐蝕容器內膽等［2-7］。相比注塑和吹塑等成型方法，滾塑在中空件成型方面具有獨特優勢，但是也存在能耗大、成形周期長、制品尺寸精度不高等缺點。近幾年來，在北美、歐洲發達國家，滾塑行業發展很快，其發展速度高于整個塑料行業的平均發展速度。在國內，滾塑成型技術尚處于開發和研制階段，但近來已成為塑料領域的研究熱點。

1 滾塑成型原理

滾塑成型工藝原理如圖1所示。主要分為四步。

1）加料:塑料粉末均勻拌入色粉直接加入模具內，封閉模具。

圖1 滾塑成型工藝原理

2）加熱:加熱模具，圍繞兩垂直軸旋轉，使塑料粉末熔融并均勻涂布在模具內腔表面。

3）冷卻:采用水冷或風冷冷卻模具。

4）脫模:開模取件。

2 滾塑工藝的成型原料

為滿足滾塑成型工藝要求，材料應該滿足以下性能要求［8-13］。

1）熱穩定性;2）低熔體粘度必須足夠低，結構復雜和細節豐富的滾塑制品熔體流動速率可以較高;3）良好的沖擊強度;4）耐環境應力開裂（ESCR）;5）滿足功能需求的強度要求;6）折斷（failure）伸長率應高;7）良好的流動性和傳熱性。

目前有關于材料流變行為和熱性能對燒結過程和脫除聚合物中氣泡的影響研究，研究發現熔體流變行為和表面張力在材料致密化初期起主要作用，而在致密化后期，攔阻氣泡中氣體的擴散是十分重要的。L.Carrino對材料的形態做了分析，指出大部分滾塑成型樹脂是粉料，粒子尺寸35目（74～2 000 um），其他則是液體，如尼龍等高流動性樹脂，成型時要用小粒料［14］。

2.1 滾塑成型適用材料

適用于滾塑成型的材料相當有限，主要原因是:1）在無壓力情況下，粉料無法重新成型為均一固體;2）滾塑專用材料價格較貴。

美國塑料工程師協會（SPE）統計的2002年滾塑用樹脂占有份額如表1所示。

聚乙烯93.3%，聚氯乙烯3.2%，尼龍0.5%，聚碳酸酯0.2%，含氟聚合物0.1%，其他塑料0.1%。

表1 2002年滾塑用樹脂占有份額

由表1可看出聚乙烯占用率最大，處于主導，其原因是聚乙烯具有容易滾塑成型、良好的熱穩定性和成本低等綜合優勢。特別是最近采用單中心催化劑，進一步開發和推出適用于滾塑成型、容易加工和剛性高的聚乙烯牌號，零剪切熔體粘度低，成型時間（周期）短，推動和促進滾塑工業進展［15-16］。

雖然滾塑對原料的要求相對于注塑和吹塑來說比較苛刻，但是隨著聚乙烯粉末化技術的成熟，滾塑日益成為粉末塑料成型工藝中極有競爭力的成型方法［5］。近幾年來，在北美、歐洲發達國家，滾塑行業發展很快。我國必須整合滾塑相關企業群，形成一條有序規范的滾塑制造線。對于滾塑原料，應該增加一些研磨機制造廠、滾塑混料設備制造廠，以及滾塑專用原料供應廠等，并將其相關企業納入滾塑制造鏈中。

3 滾塑成型設備的發展

滾塑設備包括臂、熱箱和冷箱三大部分。臂用于夾持模具和動力的傳遞，熱箱用于加熱模具，冷箱用于冷卻模具。滾塑分類如表2所示。

其中最常用分類方法是按模具支撐臂的數目。由于滾塑工藝必須有加料、加熱、冷卻和脫模四道工序，工位多和模具支撐臂多的滾塑機相對能更好的利用熱能和時間，具有較高的生產效率［1］。下面介紹典型的滾塑機。

表2 滾塑分類

3.1 搖擺式滾塑機

搖擺式滾塑機出現較早，一軸作搖擺動作，另一與之垂直的軸作360°旋轉動作，如圖2所示［17］。搖擺式滾塑機常用直火式加熱方式，其溫控精度及溫度均勻性較差，自動化控制水平較低，但由于不受熱箱體積的限制，制品尺寸較大，價格較低，實際應用較多。

圖2 搖擺式滾塑機

3.2 穿梭式滾塑機

穿梭式滾塑機如圖3所示［18］。其擁有兩個梭機，該機的臂、模具和傳動機構都安裝在可移動架子或小車上，在小車的帶動下，模具依次通過熱箱、冷箱及脫模工位。該設備的特點是臂與軌道的移動方向平行，軌道在冷箱和熱箱內。穿梭式滾塑機可以通過熱箱、冷箱、脫模工位以及軌道的配合設計來提高生產效率。如果冷卻/服務時間與模具加熱時間相等，可以大大提高生產效率［6］。穿梭式滾塑機操作簡單，維護費用低，適用于大型儲存罐、容器及小型制品的成型。

圖3 穿梭式滾塑機

3.3 蚌式滾塑機

蚌式滾塑機由加拿大FSP公司獨有。該機熱箱也可作冷箱，上下結構形狀及開啟方式如“蚌”，如圖4［19］。此滾塑機可以提供完整的雙軸旋轉并且具有水平軸兩端都可以支撐的優勢。模具通過主軸和齒輪軸轉動的轉盤安裝在裝置內。當爐門關閉并且主軸旋轉時，通過齒輪軸與轉盤的速率比，帶動模具如摩天輪旋轉式的轉動。加熱的空氣通過內機箱將溫度傳到原料，直到原料溫度達到加工時必須的溫度然后冷卻時由內機箱散發冷卻空氣或水霧［5-6］。

圖4 蚌式滾塑機

由于該滾塑機的獨特優勢，加拿大FSP公司生產的6種型號的此類滾塑機在國際市場上居壟斷地位。根據對北美滾塑企業的調查資料，1998年北美地區23%的滾塑廠使用了該公司的蚌式滾塑機［1］。

3.4 固定轉臂式滾塑機

該設備是現代國外滾塑行業最常見的滾塑設備類型之一。該滾塑機最早的形式是有三個相距120°且在同一平面的臂，它們由一個簡單轉臺驅動。在同一時間，此三個臂分別在加熱箱、冷卻箱和修飾箱中工作。同樣也可以在此滾塑機上裝有4條臂，它們分別相距90°，見圖5［20］。當其他三個臂分別在加熱箱、冷卻箱和修飾箱中工作時，第四條臂在輔助冷卻箱工作［21］。

圖5 固定轉臂式滾塑機

固定轉臂式滾塑機體現了一種獨特的優勢，即每個臂內的不同材料能在同一時間同時加工。此設備效率高、容易維護，在滾塑領域中占統治地位。通常加熱是整個周期的關鍵因素，因此它成了設備運轉的控制因素。

3.5 獨立轉臂式滾塑機

固定轉臂式滾塑機有個明顯的缺陷就是它的所有臂必須同時移動。所以為了充分利用其優越性，成型工藝中的加熱、冷卻和修飾時間必須匹配。如果無法匹配的話，那么循環時間取決于三個過程中最慢的工藝時間，因而浪費了時間。獨立轉臂式滾塑機的發明在一定的程度上克服了這個缺點，見圖6［6］。此滾塑機中，如果加熱過程最先結束，則在加熱箱中的臂可以先移出加熱箱而繼續第二批原料的加熱。獨立轉臂式滾塑機是滾塑工業常用設備類型，具有空氣循環加熱室和空氣、水冷卻室，提供五個工位，包含一臺自動車架來控制每臺轉臂繞中心臺轉動，而每臺轉臂和車架之間是獨立的，提供更自動化和更完善的加工手段，充分體現了獨立轉臂滾塑機的靈活性［20-22］。

圖6 獨立轉臂式滾塑機

4 滾塑成型技術的發展前景及展望

近年來，滾塑在北美、歐洲發達國家發展很快，以10% ～15%的年增長率持續發展，成為小批量生產中、大型或超大型全封閉或半封閉的空心無縫容器最好的成型加工方法。全世界每年生產的滾塑制品產量已達到幾百萬噸［23］。雖然滾塑工藝有許多獨有的優點，但仍存在一些不容忽視的缺點:比如原料的精細程度在一定的程度上決定滾塑產品的品質，因此粉碎原料致使成本的提高，而且滾塑工藝可用的塑料原料品種較少，有待新型的更加優質更加實惠的原料的研發，最為重要的是滾塑成型和其他切塑料成型工藝相比其生產過程中能耗十分嚴重，在實施人類可持續發展戰略的進程中對此必須予以高度的關注。

我國滾塑成型設備的整體水平相對于歐美、日本等國家還有一定的差距。主要體現在規模小、品種少、技術落后。企業和研究者們應該從滾塑工藝技術的提高和新型材料的開發入手，改進、創新現有的滾塑設備，加強對滾塑模具的研究并且進一步提高過程控制水平和制品開發設計能力。學者們在吸收國外先進技術和設計思想、設計方法、測試方法等先進技術的同時自主創新積極研發適應市場需要及具有潛在發展前景的設備。國家可以大力投資創建集設備制造、模具設計、原料開發、工藝設計于一體的大型企業，不斷更新開發模式，適應市場快節奏的變化需求。

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