滾塑PE發(fā)泡技術(shù)研究及其應(yīng)用

江財(cái)明

(上海心爾新材料科技股份有限公司，上海 201405)

滾塑成型工藝主要應(yīng)用于大型復(fù)雜中空塑料制品的生產(chǎn)，例如：海綿城市大型雨水收集儲(chǔ)罐、化工儲(chǔ)罐、保溫箱、軍用包裝箱、導(dǎo)彈箱、浮箱、汽車外殼、中小型船艇等。在追求輕量化的同時(shí)，有些制品對(duì)機(jī)械性能[1]、抗沖擊性能、隔熱保溫性能等提出了更高的要求。為滿足不同制品在性能的特殊要求，滾塑領(lǐng)域常用的發(fā)泡材料有EPS、PU、PE等。各發(fā)泡材料的應(yīng)用領(lǐng)域及區(qū)別如表1所示。

表1 EPS、PU、PE發(fā)泡材料的應(yīng)用及區(qū)別

EPS和PU發(fā)泡是在產(chǎn)品完成后，將產(chǎn)品固定在發(fā)泡夾具內(nèi)，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部中空部位進(jìn)行填充發(fā)泡料，發(fā)泡材料經(jīng)過物理或化學(xué)反應(yīng)發(fā)生膨脹，在夾具的定型作用下，完成制品內(nèi)部中空的發(fā)泡填充，其生產(chǎn)工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用也比較成熟。但PE發(fā)泡需要在滾塑成型過程中完成，因此，加工性相對(duì)復(fù)雜，對(duì)滾塑設(shè)備的要求較高，尤其是對(duì)制品的成型溫度控制要求非常嚴(yán)格。在滾塑行業(yè)內(nèi)，很多原料供應(yīng)商介紹PE發(fā)泡材料是采用一步法進(jìn)行生產(chǎn)的，但是，實(shí)際情況卻存在一定的差異。因此，本文主要介紹的是PE發(fā)泡技術(shù)，包括PE發(fā)泡材料選擇、生產(chǎn)工藝流程及其在不同滾塑制品方面的應(yīng)用。

1 PE發(fā)泡材料選擇

目前PE發(fā)泡材料已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有上海心爾新材料科技股份有限公司、北京低碳新材料科技有限公司、道達(dá)爾公司等。對(duì)于生產(chǎn)廠家來說，一般應(yīng)選用發(fā)泡后無刺鼻性氣味的發(fā)泡材料，如果發(fā)泡后含有刺鼻性氣味，說明該發(fā)泡料使用的發(fā)泡劑較差，對(duì)發(fā)泡后的泡孔均勻性及產(chǎn)品的整體性能有一定的影響。

除此之外，在使用PE發(fā)泡材料時(shí)，還需考慮發(fā)泡材料的發(fā)泡倍率。發(fā)泡倍率越小，其成型越容易控制，發(fā)泡也會(huì)越均勻。對(duì)于大型的儲(chǔ)罐或中小型船艇，一般選擇的發(fā)泡倍率為4～6倍率，因?yàn)楫a(chǎn)品尺寸較大，產(chǎn)品整體的溫度均勻性控制越困難。如果選擇高倍率的發(fā)泡料，將導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部PE發(fā)泡壁厚嚴(yán)重不均勻，影響制品的收縮率，會(huì)引起制品變形，同時(shí)對(duì)制品的機(jī)械性能也有較大的影響。對(duì)于雙層結(jié)構(gòu)的制品，內(nèi)外壁間距不大的，例如大型包裝箱，一般要求其內(nèi)部空間需填充滿發(fā)泡材料，所以在選擇PE發(fā)泡材料時(shí)，一般選擇6～8倍率的發(fā)泡材料，否則難以填充滿泡沫。

發(fā)泡材料的顆粒大小以1～2 mm圓球形的最佳，但是這種顆粒大小的PE發(fā)泡料對(duì)供應(yīng)商來說加工難度較大，需要對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)。大多數(shù)企業(yè)都是使用大顆粒的發(fā)泡粒子進(jìn)行磨粉，然后再進(jìn)行發(fā)泡加工。從國(guó)外進(jìn)口的發(fā)泡料有些是已經(jīng)磨好粉的，發(fā)泡料的磨粉粒度一般為10～30目。

2 PE發(fā)泡生產(chǎn)工藝流程及注意事項(xiàng)

很多文獻(xiàn)中都介紹了PE發(fā)泡成型技術(shù)，尤其是一步法滾塑發(fā)泡成型技術(shù)[2～3]，也介紹了其成型的工藝過程及其成型設(shè)備，但絕大多數(shù)都是停留在理論研究或?qū)嶒?yàn)階段，并沒有結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況（批量化生產(chǎn)）進(jìn)行闡述。PE一步法發(fā)泡成型技術(shù)確實(shí)是可以做到的，但并不適合于全部的滾塑制品。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸較小的滾塑制品，采用一步法滾塑成型完全可以達(dá)到要求，如圖1所示。但在產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)中應(yīng)用很少采用，其生產(chǎn)工藝要求非常嚴(yán)格，制品的合格率低。但對(duì)于大型制品或形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的制品，采用一步法滾塑成型

圖1 一步法滾塑成型效果

容易造成發(fā)泡料沖破制品的外層料擠到產(chǎn)品表面或?qū)е庐a(chǎn)品內(nèi)部形成較大泡孔等，造成產(chǎn)品發(fā)泡不均，影響制品的收縮率，導(dǎo)致產(chǎn)品外表面變形，如圖2所示。

圖2 一次投料發(fā)泡缺陷

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)及經(jīng)過多款產(chǎn)品的量產(chǎn)摸索，對(duì)于PE發(fā)泡成型，目前最適合采用二次投料法進(jìn)行成型加工。產(chǎn)品的加工工藝流程如下：

外層料投料→合模→加熱→發(fā)泡料進(jìn)行二次投料→繼續(xù)加熱→冷卻定型→開模→取制品

二次投料法進(jìn)行PE發(fā)泡加工需關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1） 由于模具溫度較高，PE二次投料盡量選擇自動(dòng)二次投料裝置（如圖3所示），避免在二次投料時(shí)燙傷，采用自動(dòng)二次投料裝置既可以提高生產(chǎn)效率，又可以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

（2） 滾塑制品如果采用常規(guī)的聚乙烯（非交聯(lián)聚乙烯）生產(chǎn)的時(shí)候，當(dāng)模內(nèi)溫度（并非模具或外層塑料的溫度）達(dá)到125～135℃時(shí)，應(yīng)開始對(duì)發(fā)泡料進(jìn)行二次投料。如果投發(fā)泡料時(shí)的溫度過高，將導(dǎo)致制品內(nèi)表面發(fā)泡不均。

（3） 完成二次投料后，對(duì)模具的加熱溫度應(yīng)降低10～20℃，確保發(fā)泡料充分均勻的到達(dá)產(chǎn)品內(nèi)表面的任何一個(gè)部位，然后進(jìn)行均勻發(fā)泡。

（4） 當(dāng)模內(nèi)溫度達(dá)到175～180℃時(shí)，應(yīng)停止對(duì)模具加熱，進(jìn)入保溫階段或進(jìn)入冷卻階段。

（5） 發(fā)泡過程中，需注意保證模具的排氣孔暢通，避免因排氣孔堵塞造成模具變形甚至爆炸。

相比PE發(fā)泡一步法成型技術(shù)，采用二次投料法發(fā)泡生產(chǎn)的滾塑制品，外層料和發(fā)泡層往往界線比較清晰，產(chǎn)品每層的壁厚比較均勻，如圖4所示。

圖3 自動(dòng)二次投料裝置

圖4 二次投料發(fā)泡效果圖

3 PE發(fā)泡技術(shù)的應(yīng)用情況

PE發(fā)泡在滾塑行業(yè)實(shí)際應(yīng)用有以下幾種情況：

（1）在大型儲(chǔ)罐方面的應(yīng)用

對(duì)于大型儲(chǔ)罐，產(chǎn)品要承受較大的液體靜壓力，如果采用單層壁厚，產(chǎn)品的厚度會(huì)加厚，增加產(chǎn)品的重量。壁厚越厚，對(duì)產(chǎn)品來說加工越困難。一般情況下，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)為三層壁結(jié)構(gòu)，即第一層和第三層為PE實(shí)心層，第二層為PE發(fā)泡層。如圖5所示。

（2）在大型包裝箱方面的應(yīng)用

目前來說，對(duì)于大型軍用包裝箱[4]（如圖6所示），尺寸超過3 m的大多數(shù)都采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充滿PE發(fā)泡，保證產(chǎn)品的剛性和強(qiáng)度，進(jìn)而保證箱體的密封性能。

圖5 三層結(jié)構(gòu)

圖6 大型軍用包裝箱

（3）滾塑新材料環(huán)保船艇方面的應(yīng)用

上海心爾新材料科技股份有限公司自2013年開始研發(fā)滾塑新材料環(huán)保船艇，并于2013年生產(chǎn)出了中國(guó)第一艘永不沉沒的游艇，如圖7所示。目前，公司生產(chǎn)的所有高速船艇都采用A+B+A三明治結(jié)構(gòu)，即外層和內(nèi)層采用高強(qiáng)度聚乙烯合金材料，中間層采用PE發(fā)泡材料。

圖7 滾塑新材料環(huán)保船艇

4 總結(jié)

對(duì)于滾塑生產(chǎn)廠家，當(dāng)遇到單層結(jié)構(gòu)的滾塑制品未能滿足產(chǎn)品的性能要求的時(shí)候，可以考慮采用PE發(fā)泡技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)改善。但并不是任何情況下都可以通過PE發(fā)泡技術(shù)進(jìn)行改善，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師需要結(jié)合制品的結(jié)構(gòu)，需要計(jì)算單層壁厚時(shí)制品的強(qiáng)度和剛性，以及通過計(jì)算添加不同比例的發(fā)泡材料時(shí)產(chǎn)品的性能，找到最合理的產(chǎn)品壁厚解決方案。這樣，PE發(fā)泡技術(shù)才可以起到增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)械性能的作用。對(duì)于生產(chǎn)加工工藝來說，當(dāng)前的PE發(fā)泡技術(shù)還是應(yīng)該考慮采用二次投料方式進(jìn)行，但是生產(chǎn)操作方面會(huì)相對(duì)復(fù)雜。隨著滾塑原料供應(yīng)商對(duì)PE發(fā)泡料的進(jìn)一步完善，以及滾塑設(shè)備溫度控制性能的提高，一步法滾塑PE發(fā)泡技術(shù)將會(huì)逐步廣泛應(yīng)用于滾塑制品的生產(chǎn)。