大規(guī)格防腐酸堿復(fù)合管道滾塑成型工藝與設(shè)備及其研究進展

1 大規(guī)格防腐酸堿復(fù)合管道成型工藝及其優(yōu)勢      

滾塑是中空塑料制品成型的一種工藝方法,，又稱旋轉(zhuǎn)成型、旋轉(zhuǎn)模塑或回轉(zhuǎn)成型,。滾塑過程是將塑料粉末加入模具中,，然后加熱模具并使之沿相互垂直的兩根軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，模具內(nèi)樹脂在重力和熱量的作用下逐漸均勻地涂布,、熔融黏附于模具內(nèi)表面上,，從而形成所需要的形狀，然后冷卻模具,，脫模得到制品,。      

滾塑成型起源于20世紀40年代的英國，50年代在歐洲得到很大發(fā)展,，之后傳人美國,、日本等地，隨著聚乙烯粉末化技術(shù)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,。近年來，滾塑工業(yè)以10～15％的年增長率持續(xù)發(fā)展，成為小批量中,、大型或超大型全封閉與半封閉的空心無縫容器的成型加工方法,。目前，旋轉(zhuǎn)模塑用樹脂消耗量已占到樹脂總產(chǎn)量的8％～9％,。        

滾塑成型工藝與傳統(tǒng)的中空塑料制品成型方法(如注塑,、吹塑、熱成型等)相比,，其zui顯著的特點就是樹脂加熱,、成型和冷卻過程都在無壓的模具內(nèi)進行。這樣的特點使之表現(xiàn)出一系列的優(yōu)點,。        

模具簡單,、成本低廉，適合成型大型塑料制品,。  

適合多品種,、小批量塑料制品的。  

適合成型形狀復(fù)雜的制品以及復(fù)合制品,。  

節(jié)約原材料,。  

制品壁厚均勻、無接縫,。  

制品無殘余力,，不易發(fā)生變形。  

換色容易,，當(dāng)要改變制品顏色時,，只需清洗成型模具即可。        

2  滾塑成型機        

2．1  幾種典型的滾塑機        

搖擺式滾塑機：具有能經(jīng)濟地體積大,、形狀簡單制品的優(yōu)點，不利因素在于系統(tǒng)自動化程度不高,，造成效率低下和操作繁重,。        

穿梭式滾塑機：擁有兩個梭機，能經(jīng)濟地大型儲存罐,、容器及小型制品,。操作簡單，維護費用低,，屬于入門級滾塑設(shè)備,。        

蛤殼式滾塑機：初始費用低，占地面積小,，手工勞動少和制品質(zhì)量好,。該機滾塑過程中雙軸旋轉(zhuǎn)由主、副軸變速齒輪電機提供。轉(zhuǎn)臂可直也可曲,，能處理小型或大型模具,。         垂直式滾塑機：三臂式和六臂式，其轉(zhuǎn)臂操作起來在同一個平面內(nèi),，有分開的加熱,、冷卻或裝／卸工位，zui大的模具擺幅通常限于 900～1200mm,，使制品的大小受到局限,。主要用于制作玩具娃娃部件、玩具,、球類和汽車部件等,。        

固定轉(zhuǎn)臂式滾塑機：該設(shè)備可以從小型的 1000mm擺幅到大型的3800mm擺幅，有加熱,、冷卻或裝／卸三個工位,，設(shè)備效率高、容易維護,，在滾塑領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位,。通常加熱是整個周期的關(guān)鍵因素，因此它成了設(shè)備運轉(zhuǎn)的控制因素,。  

獨立轉(zhuǎn)臂式滾塑機：是滾塑工業(yè)常用設(shè)備類型,，具有空氣循環(huán)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(zhuǎn)臂繞中心臺轉(zhuǎn)動,，而每臺轉(zhuǎn)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(xiàn)了獨立轉(zhuǎn)臂滾塑機的靈活性,。         蚌式滾塑機：該機為加拿大FSP公司的*產(chǎn)品。該機的熱箱也可作冷箱,，結(jié)構(gòu)分上下兩部分,，上部可開啟和關(guān)閉，形狀及開啟方式如蚌,。模具回轉(zhuǎn)直徑從1．2～3．6m,。        

2．2  國內(nèi)外旋轉(zhuǎn)模塑設(shè)備的發(fā)展狀況        

從滾塑的加熱方式來看，目前較常用的為直火加熱式和熱箱加熱式,。大型制品一般采用直火加熱式,，而小型的制品*的旋轉(zhuǎn)模塑較多采用熱室加熱三臂四工位和四臂五工位雙軸旋轉(zhuǎn)獨立轉(zhuǎn)臂設(shè)備。        

發(fā)達除了對滾塑設(shè)備構(gòu)型不斷改進外,，還大力提高設(shè)備的自動化控制水平,。如英國的Rotalog旋轉(zhuǎn)模塑控制系統(tǒng)包括測溫和控制顯示兩大部分。測溫部分密封安裝在模具架上的*緣盒內(nèi)，通過無線電信號把熱電偶測的模具內(nèi)溫度實時發(fā)送到加熱室外的監(jiān)控計算機上,，計算機顯示模具內(nèi)溫度／時間圖,。該圖與加熱室溫度／時間圖對比，可直觀的顯示滾塑設(shè)備中模具及其中物料受熱,、傳熱情況,。操作者可以利用Rotalog控制系統(tǒng)減少和優(yōu)化加熱，冷卻周期,，改進和保證制品質(zhì)量,，降低成本，還能準確評估模具和新材料,。

國外滾塑廠一般擁有多臺不同的滾塑設(shè)備,。如美國spincast公司有7臺滾塑機，模具zui大回轉(zhuǎn)直徑4m,，Dimond公司有9臺滾塑機,，模具zui大回轉(zhuǎn)直徑為4．3m，Amerikart公司有10臺滾塑機,，模具zui大回轉(zhuǎn)直徑為3．3m,。我國的滾塑設(shè)備和輔助技術(shù)與國外的良好水平相比還比較落后，目前還沒有性較強的滾塑設(shè)備廠,。就國內(nèi)的滾塑設(shè)備使用情況,，有以下幾個特點。        

1. 所使用的滾塑機以直火加熱為主,，還有少量的熱室加熱三臂四位獨立轉(zhuǎn)臂滾塑機,，其他的滾機很少。

(2)熱箱加熱獨立轉(zhuǎn)臂設(shè)備幾乎全是國外進口,，主要是美國,、意大利、德國和日本產(chǎn)品,，幾乎沒國產(chǎn)品,。而進口直火加熱搖擺機很少，所使用的直火加熱搖擺機絕大多數(shù)是國內(nèi)的仿制品,。

(3)國內(nèi)滾塑廠滾塑設(shè)備數(shù)量很少，滾塑廠規(guī)模較小,。         

3  滾塑成型模具        

3．1  概述        

模具是滾塑成型中*的重要裝備,。  滾塑模具簡單，為無壓成型模具,，因此壁薄,，輕質(zhì)。滾塑模具由上下兩半模組成，并用夾板固定,。為了排出模腔內(nèi)形成的氣體,，防止制品變形，模具上開設(shè)排氣孔,。        

在滾塑工業(yè)中,，模具的制作有三種常用方法：鋼板焊接、鋁合金鑄造和電鍍成型,。滾塑成型對模具材質(zhì)強度要求不高,，但必須具有良好的熱傳導(dǎo)性，并能抵擋頻繁加熱與冷卻過程中的應(yīng)力交替,。顯然低碳鋼,、鋁、不銹鋼等都是理想的制模材料,。選擇模具制作方法時通常要考慮以下三個方面：構(gòu)造的復(fù)雜程度,，模具的數(shù)量和制品表面質(zhì)量要求。而在這三個要求中,，制品的形狀和尺寸占主導(dǎo)地位,。我們可根據(jù)不同的情況選用不同的制作方法。同時,，在模具時,，成本是另外的一個重要因素。模具制作成本包括了制模材料,、模具厚度,、分型面的位置、模具數(shù)量和表面處理情況等等,。合理設(shè)計滾塑模具結(jié)構(gòu)和正確選用模具材料是獲取表面光潔無氣泡,、壁厚均勻無應(yīng)力的優(yōu)質(zhì)制品的要保證。        

模具殼體的壁厚設(shè)計按常壓容器的設(shè)計規(guī)范進行,，即從剛度計算出發(fā),，結(jié)合制品厚度、加熱方式及制模方法等綜合考慮,。一般較大型的模具采用鋼板,，其厚度為2—4mm，模具內(nèi)壁要拋光,。另外模具厚度取決于旋轉(zhuǎn)方向和加熱方式,，用于熱液體傳導(dǎo)加熱的模具，壁較厚些,，一般為7．9～12．7mm,，以保證傳熱均勻,，不發(fā)生熱點；而熱風(fēng)循環(huán)加熱的模具,，壁較薄些,，一般為5～7mm。        

3．2  鑄鋁模具        

用傳統(tǒng)的砂型鑄造的鑄件精度低,、制模周期長,，鑄件表面質(zhì)量更無法達到滾塑模的要求，鑄后還需人工打磨拋光,。因此,，滾塑用鑄鋁模就必須采用精密鑄造方法，同時引入快速制模技術(shù),，縮短模具的周期,。只有這樣，滾塑成型投資少,、見效快的優(yōu)勢才能得以充分顯示?，F(xiàn)代精密鑄造的工藝方法多種多樣，對于像滾塑模具這樣尺寸較大且形狀復(fù)雜的單件鑄件采用石膏型或陶瓷型鑄造是非常經(jīng)濟的,。如再配合采用熱模差壓澆注法,，使鑄鋁合金的流動性大大提高，進一步減小了滾塑模體的壁厚,，對加快滾塑成型中的熱量傳導(dǎo),、縮短成型周期是十分有利的。        

3．3  快速制模技術(shù)        

快速制模技術(shù)即運用快速造型技術(shù)RPM (Rapid Prototyping Moulding)制得的原型直接或間接地加工各種金屬模具的方法,，是集CAD／CAM,、化工、材料和精密機械等成就于一身的,。目前發(fā)展比較成熟的快速造型方法有激光造型法SLA,、薄板層積法LOM、熔絲沉積法FDM和選擇性激光燒結(jié)法SLS等,。在滾塑模中,，用經(jīng)過表面覆膜處理的LOM原型代替木模直接石膏型、陶瓷型(大件)或由原型經(jīng)硅橡膠模過渡轉(zhuǎn)換得到石膏型,、陶瓷型(小件),，再用石膏型、陶瓷型澆注出金屬模具的方法,，實現(xiàn)鑄鋁模的精密鑄造將是十分有利的,。         

4  滾塑成型制品質(zhì)量控制        

4．1  常見質(zhì)量問題      

簡單而實用是滾塑成型的一大優(yōu)點，但同時也給該技術(shù)帶來了一些先天不足的缺陷,。比如,，制品內(nèi)部易產(chǎn)生氣泡，而表面則易出現(xiàn)空洞,；制品易出現(xiàn)彎曲,、收縮、變色等,。這些現(xiàn)象不但影響了制品的外觀形象,，而且更重要的是嚴重損害了制品的力學(xué)性能。因此,，研究氣泡的形成與消失,，彎曲、收縮現(xiàn)象的形成與消失以及制品的沖擊強度對提高成型制品的質(zhì)量具有十分重要的意義,。
4．2氣泡與孔眼
氣泡的形成是因為當(dāng)粉末粒子熔化并粘結(jié)在一起的時候,，其間夾帶了空氣。在工業(yè)中,，常采用提高加熱溫度的方法來減少或消除制品中的氣泡,。因為當(dāng)提高加熱溫度、延長或消除制品中的氣泡時,，物料粘度減小,，氣泡擴散容易。同時因為有更多的時間使氣泡擴散更*,。這種方法對消除制品中的氣泡雖然有效,，但是也有副作用。比如增加熔融溫度將導(dǎo)致成型周期延長,，降低效率,；高溫下物料被氧化，致使制品的力學(xué)性能降低,，特別是沖擊強度尤為明顯,。
4．3沖擊強度
影響制品沖擊強度的因素較多，比如加熱溫度,、加熱時間,、冷卻速度、粒子尺寸,、模具材料等,，其中加熱溫度和加熱時間是影響沖擊強度的主要因素。溫度過低,，材料熔融不夠,，導(dǎo)致制品沖擊強度降低；溫度過高則會引起塑料產(chǎn)生降解,，同樣降低了制品的沖擊強度,。熔體流動數(shù)率MFI與其沖擊強度有直接的關(guān)聯(lián),，MFI隨著沖擊強度的下降而下降。因而MFI可以作為制品沖擊強度的指征,。

滾塑成型工藝的特大型聚乙烯儲罐

4．4收縮與變形

收縮,、變形也是塑料滾塑成型制品的另一大缺陷。收縮,、變形一般是由冷卻時形成的殘余應(yīng)力引起的,，試驗證明通過不同的冷卻方式交替進行冷卻可以減少制品的殘余應(yīng)力，或者在冷卻期間向模具內(nèi)充人壓縮空氣,，即通過壓縮空氣使已固化塑料緊緊貼在模具的內(nèi)壁,，阻止它脫離模壁或變形，一直到塑料*冷卻為止,，這樣便起到了冷卻定型的作用,。并且由于此法對于已固化塑料的內(nèi)表面同時冷卻，改變了冷卻機理,，從而減小了殘余應(yīng)力,，抑制了制品的收縮和變形。試驗證明,，大部分塑料冷卻時通入0．11MPa的壓縮空氣即基本上消除收縮,、變形現(xiàn)象。
5  滾塑成型研究進展
從國內(nèi)外情況看,，滾塑成型技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步,。研究工作者們?yōu)橥晟茲L塑成型工藝和提高制品質(zhì)量，近年來在加工過程的實驗研究及模擬仿真,、滾塑成型樹脂,、加工設(shè)備和模具的優(yōu)化設(shè)計、工藝條件的精確控制等方面開展了大量研究,。這些研究大多數(shù)是圍繞解決滾塑成型的兩個關(guān)鍵問題：1)滾塑成型對料要求苛刻,；2)滾塑成型加工時間長、耗能高,。
滾塑成型中,，人們希望聚合物能象石膏漿那樣具有良好的塑化涂模性能。在現(xiàn)行加熱方式下,，通過模具傳導(dǎo)給熱不足以使聚合物材料達到良好的塑化流動涂布效果,，而只能依靠粉料自身在重力作用下的運動來實現(xiàn)沿模腔內(nèi)壁均勻涂布，并一層層熔融成型,。由于旋轉(zhuǎn)速度慢,，這里離心力作用基本可以忽略(和金屬離心澆鑄存在較大差別)。粉料在模腔內(nèi)運動受熱熔融并涂布在模腔內(nèi)壁的過程十分復(fù)雜并且直接影響到制品的質(zhì)量,。下面一些研究動向值得關(guān)注,。

①國外學(xué)者比較深人地研究了滾塑成型中粉體流動規(guī)律及其對成型效果的影響,。研究結(jié)果表明，粉料在模腔內(nèi)的運動可歸結(jié)為三種類型：穩(wěn)態(tài)環(huán)流,、雪崩流和滑動流,。滾塑成型中的是穩(wěn)態(tài)環(huán)流，其次是雪崩流,，而滑動流則難以得到合格制品。決定這些粉體流動形式的因素主要是粉料與模腔內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)和粒子本身由團聚力和幾何形狀等決定的流動性能,。因此,，滾塑成型料除了要求耐熱時間長以外，還對粉末粒子的形狀和摩擦系數(shù)有嚴格要求,。
②在滾塑成型中,，本質(zhì)上都是通過外部熱源把模具加熱到塑料熔融溫度以上，然后由熱模具再將熱量傳導(dǎo)給內(nèi)部的粉料,。由于塑料導(dǎo)熱性差,，要使全部物料充分熔融塑化需要很長時間，而且也無法使用擠出和注射成型加工中常用的粒料,。滾塑成型中聚合物熔融凝結(jié),，是影響加工時間和制品質(zhì)量的重要因素。

③為了進行工藝和設(shè)備優(yōu)化以及提高制品質(zhì)量,，人們還利用滾塑加工過程的模型化和計算機仿真模擬等方面的研究,，深入了解滾塑成型主要工藝參數(shù)對成型周期的影響。