塑料滚塑成型的应用与发展.docx

1、郑州轻院轻工职业学院毕业设计（论文）题 目 塑料滚塑成型的应用与发展塑料滚塑成型的应用与发展摘 要引言塑料及其复合材料的加工成型工艺有很多种，除了我们常见的挤出成型、注射成型、吹塑成型等工艺外，滚塑也是塑料制品的一种加工方法。过去，由于各种因素，如较慢的加工周期及所用材料的限制，使滚塑工艺发展速度低于其他塑料成型加工行业。在各类有关塑料加工成型的资料信息中涉及到滚塑成型的资讯寥寥无几。在世界十大图书馆之一的上海图书馆，输入主题词“滚塑” ，这方面的中文书籍竟然只有薄薄的一本，还是由陈昌杰、李惠康、刘汝范、张立旺于上世纪 90 年代编著的 塑料滚塑与搪塑 ，可见这方面资讯之匮乏。然而最近以来，发

2、展迄今已有 60 多年历史的滚塑成型工艺又开始活跃起来并越来越受到业界的重视。滚塑成型(rotational molding 或 rotomolding)，亦称旋转成型(RM)、旋转成型、旋转模塑、旋转铸塑、回转成型等。滚塑成型工艺是先将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热，使模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融粘附于模腔的整个表面上，成型为所需要的形状，再经冷却定型、脱模，最后获得制品。关键字 滚塑/儿童玩具/汽车塑料件/工程塑料制品/非标异型中空塑料制品风机外壳 电动车外壳目 录引言21.滚塑成型的应用11.1 实际应用11.1.1 容器类滚塑制件1

3、1.1.2 交通工具用滚塑制件11.1.3 体育器材、玩具、工艺品类滚塑制件11.1.4 各类大型或非标类滚塑制件11.2 滚塑成型工艺的应用21.2.1 热稳定性31.2.3 良好的冲击强度31.2.4 应力31.2.5 强度31.2.6 伸长率31.2.7 传热性32.生产过程 42.1 工艺流程43.滚塑成型适用材料54.滚 塑 市 场 及 发 展 趋 势 滚 54.1 设备64.2 原料 64.3 人才74.4 滚 塑 成 型 和 制 品 优 缺 点 74.4.1 滚 塑 成 型 优 点 74.4.2 滚 塑 成 型 缺 点 74.5 滚 塑 制 品 和 市 场 74.5.1 世 界

4、滚 塑 工 业 和 原 料 消 费 量 74.5.2 滚 塑 成 型 制 品 和 市 场 85.结 语 106.致 谢 117.参 考 文 献 121.滚塑成型的应用1.1 实际应用滚 塑 制 品 可 应 用 于 交 通 工 具 、 交 通 安 全 设 施 、 娱 乐 业 、 江 河 航 道 疏 浚 、 建 筑 业 、 水 处 理 、医 药 食 品 、 电 子 、 化 工 、 水 产 养 殖 、 纺 织 印 染 等 行 业 。1.1.1 容 器 类 滚 塑 制 件 这 类 塑 料 制 件 广 泛 用 于 储 存 和 供 料 箱 ， 贮 水 槽 、 各 种 工 业 用 化 学 品 储 存 和 运

5、 输 容 器 ，如 酸 、 碱 、 盐 、 化 学 肥 料 、 农 药 贮 槽 ， 化 工 企 业 、 工 业 涂 装 、 稀 土 制 取 中 的 洗 槽 、 反 应 罐 、周 转 箱 、 垃 圾 箱 、 化 粪 池 、 生 活 水 箱 等 等 。 1.1.2 交 通 工 具 用 滚 塑 制 件 主 要 是 应 用 聚 乙 烯 和 聚 氯 乙 烯 糊 树 脂 ， 滚 塑 各 种 汽 车 用 件 ， 如 空 调 弯 管 、 旋 涡 管 、 靠背 、 扶 手 、 油 箱 、 挡 泥 板 、 门 框 和 变 速 杆 盖 、 蓄 电 池 壳 体 ， 雪 上 汽 车 和 摩 托 的 燃 料 箱 、 飞机

6、 油 箱 、 游 艇 及 其 水 箱 、 小 船 以 及 船 和 船 坞 之 间 的 缓 冲 吸 震 器 等 。 1.1.3 体 育 器 材 、 玩 具 、 工 艺 品 类 滚 塑 制 件 主 要 有 聚 氯 乙 烯 糊 滚 塑 的 各 种 制 件 ， 如 水 球 、 浮 球 、 小 游 泳 池 、 娱 乐 艇 及 其 水 箱 、 自行 车 座 垫 、 滚 塑 码 垛 盘 、 冲 浪 板 等 等 。 玩 具 如 小 马 、 洋 娃 娃 、 玩 具 砂 箱 、 时 装 模 特 模 型 、工 艺 品 等 。 1.1.4 各 类 大 型 或 非 标 类 滚 塑 制 件 搁 物 架 、 机 器 外 壳

7、 、 防 护 罩 、 灯 罩 、 农 用 喷 雾 器 、 家 具 、 独 木 舟 、 野 营 车 辆 顶 篷 、 运动 场 装 置 、 种 植 机 、 浴 室 、 厕 所 、 电 话 间 、 广 告 展 示 牌 、 椅 子 、 公 路 隔 离 墩 、 交 通 锥 、 河海 浮 标 、 防 撞 桶 以 及 建 筑 施 工 屏 障 等 等 。 从 物 品 的 层 次 看 ， 滚 塑 制 品 已 经 从 普 通 的 民 用 品 向 关 键 工 业 品 发 展 ， 其 功 能 也 从 单 一的 容 器 性 能 向 结 构 性 能 转 变 。 随 着 滚 塑 设 备 及 模 具 的 发 展 ， 滚 塑

8、制 品 的 结 构 复 杂 程 度 已 经发 展 到 超 乎 想 象 的 地 步 ， 甚 至 可 以 说 注 塑 、 吹 塑 、 挤 塑 等 工 艺 无 法 完 成 的 制 品 ， 完 全 可 以通 过 滚 塑 来 完 成 ， 制 品 的 几 何 尺 寸 已 经 完 全 能 做 到 从 0.5L 到 50M3。 如 果 没 有 受 到 运 输条 件 的 限 制 ， 甚 至 可 以 做 到 更 大 。 从 产 品 的 分 类 看 ， 大 致 可 分 为 圆 柱 形 水 箱 （ 0.25M3 50 M3） 、 圆 台 形 敞 口 桶 （ 20L3000L） 、 方 形 敞 口 桶 （ 30L200

9、0L） ， 随 着 功 能 的 需 要 ，还 可 成 型 为 闭 口 式 的 各 类 容 器 ， 以 适 应 不 同 行 业 的 需 要 。 滚 塑 产 品 的 缺 点 是 ： 产 品 单 件 成本 高 、 生 产 效 率 低 ， 如 果 没 有 专 门 设 备 很 难 形 成 大 批 量 生 产 ， 并 且 由 于 重 量 轻 、 体 积 大 、运 输 成 本 较 高 。 中 国 滚 塑 行 业 存 在 的 问 题 同 国 外 滚 塑 业 相 比 ， 中 国 滚 塑 行 业 虽 然 发 展 势 头 猛 ， 但 总 体 规 模小 、 技 术 水 平 较 低 ， 要 做 大 必 须 突 破 三

10、大 “瓶 颈 ”玩具桶牙科前罩1.2 滚塑成型工艺的应用滚塑成型工艺自上世纪 30 年代问世以来，经过 60 多年的发展，其设备与工艺日趋完善。从小巧的儿童玩具到常见的汽车塑料件直至庞大的工程塑料制品，特别是超大型及非标异型中空塑料制品，由于其它塑料加工工艺本身特性的限制，现在还只能依靠滚塑成型工艺才能完成。目前，滚塑成型工艺已成为塑料成型加工工艺中的重要分支。滚 塑 成 型 技 术 的 研 究 虽 然 取 得 了 较 大 的 成 绩 ， 但 是 与 注 塑 、 挤 出 （ 中 空 吹 塑 ） 成 型 相比 还 存 在 很 多 不 足 。 滚 塑 成 型 的 发 展 趋 势 主 要 集 中 在

11、 以 下 几 个 方 面 ： 一 是 对 滚 塑 成 型 的 加热 和 冷 却 过 程 的 热 传 导 进 行 计 算 机 模 拟 ， 建 立 相 应 的 数 学 模 型 ， 用 自 动 化 技 术 对 各 项 工 艺参 数 进 行 精 密 控 制 ； 二 是 解 决 制 品 的 翘 曲 和 收 缩 ， 消 除 制 品 气 泡 ， 缩 短 加 工 周 期 。 较 有 效的 工 艺 改 进 是 选 择 适 当 的 时 间 给 模 内 充 压 （ 约 69kPa） ， 可 使 加 工 周 期 缩 短 25%， 同 时气 泡 大 大 减 少 ， 提 高 了 制 品 的 韧 性 。 此 外 ， 向 模

12、 内 通 入 流 动 空 气 ， 降 低 模 具 内 、 外 壁 与 塑料 制 品 之 间 的 温 度 梯 度 ， 从 而 在 加 强 冷 却 的 同 时 减 少 由 温 差 引 起 的 制 品 结 晶 结 构 的 差 异 而导 致 的 翘 曲 变 形 ； 三 是 开 发 新 技 术 、 新 材 料 、 新 装 备 。 国 外 的 一 些 公 司 在 滚 塑 成 型 用 树 脂 和 专 用 助 剂 的 研 发 上 已 取 得 了 进 展 。 新 开 发 的 树 脂流 动 性 及 韧 性 好 ， 耐 环 境 应 力 开 裂 可 达 1000h 以 上 。 滚 塑 发 泡 成 型 、 滚 塑 交

13、联 成 型 、 滚塑 多 层 复 合 成 型 技 术 也 得 到 了 开 发 。 滚 塑 成 型 是 生 产 大 型 中 空 塑 料 制 品 最 经 济 而 有 效 的 方 法 。 要 在 国 内 深 入 推 广 应 用 滚 塑成 型 ,就 必 须 吸 收 国 外 的 先 进 技 术 ,开 发 更 多 更 好 的 滚 塑 原 料 ,提 高 滚 塑 设 备 的 自 动 化 水平 ,缩 短 模 具 设 计 与 制 造 周 期 ， 使 滚 塑 与 注 塑 、 挤 塑 等 其 他 加 工 技 术 齐 头 并 进 。为满足滚塑成型工艺要求，美国宾夕法尼亚州工业咨询家 P.Nugent 认为，材料必须满足

14、以下性能要求。 1.2.1 热稳定性。材料在滚塑成型的宽加工范围内有符合要求的热稳定性，并且能防止磨碎成粉料时性能降低。大部分滚塑材料用抗氧剂稳定化，降低由于一般滚塑成型时长时间加热对材料性能的负面影响。 1.2.2 流动性。材料熔体粘度必须足够低，已足以使材料浸渍模具内表面，并熔融成均一体。衡量材料熔体流动性的一般指标是熔体熔体流动速率(MFR)，单位为 g10min。工业上最常用的滚塑用聚乙烯的 MFR 为 28g10min(2.16kg ，190下)，结构复杂和细节丰富的滚塑制品要求材料有较高的熔体流动速率。 1.2.3 良好的冲击强度。这是能否作为低温用滚塑制品判别最常用指标，通常要求

15、材料在低至-40 下仍保持良好的抗冲击性能。 1.2.4 应力。耐环境应力开裂(ESCR)是材料长期耐与应力开裂介质接触的能力，按照通用的测试方法，认为可以接受的材料 ESCR 值一般应超过 1000h。 1.2.5 强度。足够弯曲强度和拉伸强度，聚乙烯强度相对低，而尼龙和聚碳酸酯等工程塑料具有较高的强度。 1.2.6 伸长率。折断(failure)伸长率应高，以符合大部分的应用要求。 1.2.7 传热性。必须有优良的流动性和良好的传热性，使材料在成型加热过程中均匀和快速分散开，不良的流动性将严重影响成型部件的最终外观。 最近已研究了材料流变行为和热性能对烧结过程和脱除聚合物中气泡的影响，这种

16、开发技术是在成型前评价材料方法上取得的重大进展，由此得到的结论表明，熔体流变行为和表面张力在材料致密化初期起主要作用，而在致密化后期，拦阻气泡中气体的扩散是十分重要的。象线型低密度聚乙烯这样的材料随着粘度降低而熔融速度减慢，这样在粒子相邻的周围形成三维粒子网，拦截大量气体。低粘度材料趋向于快速熔融，拦截气体少，因而致密化快。大部分滚塑成型树脂是粉料，粒子尺寸35目(742000um )，材料另一种状态是液体，一些高流动性树脂，如尼龙，成型时要用小粒料。表1-1 部分滚塑材料性能及滚塑样品的力学性能项目 LLDPE PPPP/ PE共聚- 1PP/ PE共聚- 2EBA PC PVC熔体流动速率

17、（g/10min）5.21 352 132 202 7.51 1.13 *密度（ kg/m3） 932 900 900 900 924 1200 *共聚单体含量 ( mole %) _ _ 12.4 14.8 17 _ _零剪切粘度 ( Pa.s ,190 )2961 503 2654 1639 3179 68000 4885T m或T g ( ) 122 160 164 165 98 149(Tg)120 ( T g )174 ( Tm)结晶度 ( %) 44.2 58.9 47.6 40.8 10.4 _ _拉伸强度 ,MPa 24.038 31.823 24.719 18.098 10.

18、325 47.633 15.067断裂伸长率 , % 1271.5 14.6 19.3 35.4 988 47.8 518数据来源：1999 年 中国包装工业2.生产过程 滚塑成型的基本加工过程很简单，就是将粉末状或液状聚合物放在模具里，加热同时围绕两个垂直轴旋转（自转和公转），然后冷却。在加热阶段的最初，如果用的是粉末状材料，则先在模具表面形成多孔层，然后随循环过程渐渐熔融，最后形成均匀厚度的均相层；如果用的是液体材料，则先流动和涂覆在模具表面，当达到凝胶点时则完全停止流动。模具随后转入冷却工区，通过强制通风或喷水冷却，然后被放置于工作区，在这里，模具被打开，完成的制件被取走，接着再进行下一

19、轮循环。2.1 工艺流程( 1) 装料。将经过预先计量的塑料材料装入模腔内,模具安装在一条转臂上,转臂能在双轴方向上转动模具。然后转台合上模具,转动模具到加热箱中,并同时在两个方向上转动模具,将塑料材料均匀分布在模腔内表面上。( 2) 加热。加热箱提供的热量熔合(或烧结) 塑料材料成模腔具有形状。( 3) 冷却。随着不停地转动,模具被移入冷却室,在那里对模具和塑料制品进行冷却。( 4) 开模。转台将模具移动到开模位置,取出最终制品。然后, 重复上述过程加工下一个制品。 滚塑工艺流程3.滚塑成型适用材料 适用于塑料加工的聚合物中，能容易滚塑成型的材料是相当有限的，有以下两个主要原因：（1） 许多

20、工程材料在被磨碎成流动性好的粉料后不能在没有压力条件下重新成型为均一固体。 （2）与作为滚塑基准材料聚乙烯比，一些专用材料最初往往价格较贵，而市场需求低又抑制和阻碍对材料的开发热情。 聚乙烯是世界最主要的滚塑用树脂，按用量大小依次排序的滚塑树脂为：聚乙烯(LDPE、LLDPE、HDPE、XLPE、mLLDPE、EVA)95%，聚氯乙烯 3%，尼龙(尼龙 6、尼龙66、尼龙 11、尼龙 12)0.5%，聚丙烯0.5% ，聚碳酸酯0.2%：含氟聚合物(ETFE、ECTFE、PFA、 MFA、PVDF)0.1% 。 另外，还有一些在近 30 年中已成功滚塑成型的聚合物和小量用于特种应用的聚合物有：聚

21、甲醛、丙烯酸树脂、苯乙烯丁二烯丙烯腈共聚物(ABS)、纤维素树脂、环氧树脂、离子型聚合物、酚醛树脂、聚丁烯、聚酯、聚酯弹性体、聚苯乙烯、抗冲聚苯乙烯、聚氨酯、有机硅聚合物。 不同来源数据略有差异，根据美国塑料工程师协会(SPE)主办的 2005 年美国滚塑会议论文提供的数据，2002 年滚塑用树脂占有份额分别为：聚乙烯 93.3%，聚氯乙烯 3.2%，尼龙0.5%，聚碳酸酯 0.2%，含氟聚合物 0.1%，其他塑料 0.1%。最近报道称，聚乙烯占全球滚塑材料的 95%左右。 聚乙烯具有容易滚塑成型、良好的热稳定性和成本低等综合优势，因此一直在滚塑制品市场中，占绝对主导地位，特别是最近聚合采用单

22、中心催化剂，进一步开发出适用于滚塑成型、容易加工和刚性高的聚乙烯牌号，零剪切熔体粘度低，成型时间(周期)短，推动和促进了滚塑工业进展。4.滚 塑 市 场 及 发 展 趋 势 滚滚塑成型(rotational molding 或 rotomolding)，亦称旋转成型(RM )、旋转成型、旋转模塑、旋转铸塑、回转成型等。滚塑成型工艺是先将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热，使模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融粘附于模腔的整个表面上，成型为所需要的形状，再经冷却定型、脱模，最后获得制品。4.1 设备滚 塑 成 型 是 依 靠 模 具 高 速 旋 转 的

23、离 心 力 ， 使 原 料 均 匀 分 布 在 模 具 内 壁 ， 为 常 压 成 型 ，因 而 制 品 残 余 应 力 低 ， 不 会 产 生 翘 曲 等 缺 陷 ， 而 且 模 具 也 可 大 大 简 化 ， 从 而 显 著 降 低 制 造成 本 ， 成 为 生 产 中 型 、 大 型 或 超 大 型 全 封 闭 与 半 封 闭 空 心 无 缝 容 器 最 具 竞 争 力 的 方 法 。 滚 塑 成 型 方 法 最 大 的 优 点 是 模 具 简 单 ， 成 本 低 廉 。 它 用 得 最 多 的 是 生 产 大 型 中 空 制 品 ，但 相 应 需 要 较 大 型 生 产 设 备 和 设

24、 计 合 理 的 模 具 。 滚 塑 成 型 必 须 要 保 证 其 在 旋 转 过 程 中 模 具各 部 位 的 受 热 均 匀 ， 这 一 技 术 难 点 恰 恰 是 国 产 设 备 与 国 外 设 备 差 距 最 大 的 地 方 。 尤 其 是 在一 些 大 型 滚 塑 制 品 生 产 过 程 中 ， 受 热 不 匀 往 往 导 致 产 品 局 部 收 缩 不 同 ， 冲 击 强 度 减 弱 ， 使成 品 质 量 大 打 折 扣 。 在 模 具 设 计 方 面 ， 尽 管 滚 塑 由 于 压 力 小 而 对 模 具 压 力 要 求 较 低 ， 但 为了 保 证 原 料 良 好 的 流 动

25、 性 ， 模 具 设 计 需 要 合 理 简 洁 ， 而 国 内 塑 料 模 具 设 计 水 平 往 往 难 以 让人 满 意 。 由 于 这 些 原 因 ， 中 国 滚 塑 制 品 企 业 的 生 产 设 备 和 模 具 80%以 上 从 国 外 引 进 ， 这加 大 了 中 国 滚 塑 制 品 的 生 产 成 本 ， 使 滚 塑 设 备 成 本 低 的 优 点 难 以 显 现 ， 影 响 了 中 国 滚 塑 工艺 的 应 用 发 展 。滚塑设备一般由下边几个系统组成：旋转系统、传动系统、加热系统和冷却系统。旋转系统由臂杆、支座及模具支架组成,此系统使模具保持双轴向旋转。传动系统是由电动机驱动,包括齿轮、链条和轴。产品壁厚的均匀性取决于主副轴速比。大部分对称性制品, 主轴转速为 1012 转/分:。为使制品壁厚均匀,内壁光滑, 一般不设主副轴转速为整数, 这样物料每次的螺旋迹线就不会重复。加热系统,热空气对流式是应用最广泛的方法。热液体传导式 (喷射到模具上的是一种无机盐), 该法传热均匀而迅速。另外还有红外加热及开放式气体火焰加热法。冷却系统包括冷箱、鼓风机和喷水装置。图 滚塑成型装置简图4.2 原料