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達(dá)日什么是滾塑成型?

發(fā)表時(shí)間:2024-06-11 訪問量:47027

滾塑成型(rotational molding或rotomolding),亦稱旋轉(zhuǎn)成型(RM),滾塑工業(yè)是相對(duì)年輕的工業(yè),最早起始于20世紀(jì)50年代末PVC(聚氯乙烯)糊塑料滾塑成型,目前全世界已有相當(dāng)數(shù)量的滾塑加工廠,是一個(gè)已幾乎進(jìn)入所有應(yīng)用領(lǐng)域的塑料工業(yè)中的一個(gè)小分支工業(yè),是充滿生氣和社會(huì)需求增長速率高于塑料工業(yè)總體平均增長率的新興工業(yè)。

1、滾塑工業(yè)概況

滾塑工藝一般用于成型其他塑料加工成型方法無法成型的形狀復(fù)雜的中空制品,設(shè)計(jì)自由度大,無熔合縫,可成型大規(guī)格制品,包括從簡單的儲(chǔ)存罐到先進(jìn)、的汽車、醫(yī)療和航空航天部件。最終制品規(guī)格小者可小至兒童玩具頭部,大者可大到容量高達(dá)22000加侖(80000L)的特大型儲(chǔ)罐。具體為從家用箱桶到工業(yè)容器,從小型球形器皿到耐高腐蝕性材料桶罐;包裝用化工容器,其他工業(yè)運(yùn)輸設(shè)施殼體,軟化水槽和運(yùn)輸箱;兒童玩具部件;顯示數(shù)字;高爾夫球車、足球、運(yùn)動(dòng)場和運(yùn)動(dòng)比賽等體育設(shè)施,真空吸塵器、除塵器和除草器殼體;交通路障欄;顯示器罩;船身等。

滾塑成型能生產(chǎn)壁厚非常均勻的部件,特別適用于成型其他塑料加工方法不可能成型的表面積大、厚度均勻的平滑表面制品,成型時(shí)液體狀和粉料狀塑料容易進(jìn)入旋轉(zhuǎn)模具中的拐角和深處,然后通過模具壁傳導(dǎo)的熱量熔融。小規(guī)模生產(chǎn)大規(guī)格制品具有較高的性價(jià)比,成型過程中,模具不受壓力的影響,因此可以選用價(jià)格相對(duì)便宜的薄金屬板制造模具,也可以用輕質(zhì)鑄鋁和電鑄鎳制造,都是質(zhì)輕和成本低的材料。大型滾塑設(shè)備用價(jià)格不貴的燃?xì)馊紵驘釟饧訜釥t,旋轉(zhuǎn)設(shè)備質(zhì)輕,因此經(jīng)濟(jì)上有競爭優(yōu)勢(shì)。22000加侖的更大儲(chǔ)罐壁厚達(dá)1.5英寸 (38mm)。用去2.4t(5300磅)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)。整個(gè)生產(chǎn)過程需要3次充模,次充料約1.5t,第二次約0.45t,第三次約0.45t。

然而,滾塑工業(yè)仍處于發(fā)展時(shí)期,其生產(chǎn)工藝看起來簡單和低端的終端市場通常導(dǎo)致人們對(duì)它有些不夠重視?,F(xiàn)在塑料市場趨勢(shì)往往是要求生產(chǎn)一體化部件和縮短成型周期以及總生產(chǎn)數(shù)量少,因而提高了人們對(duì)滾塑成型的關(guān)注,重要的是這種市場關(guān)注吸引了大型樹脂材料供應(yīng)商的注意,并加強(qiáng)開發(fā)滾塑用材料,這是滾塑工業(yè)未來進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。

2、滾塑成型用樹脂和配混料

2.1滾塑用材料要求

為滿足滾塑成型工藝要求,美國賓夕法尼亞州工業(yè)咨詢家P.Nugent認(rèn)為,材料必須滿足以下性能要求。

(1)熱穩(wěn)定性。材料在滾塑成型的寬加工范圍內(nèi)有符合要求的熱穩(wěn)定性,并且能防止磨碎成粉料時(shí)性能降低。大部分滾塑材料用抗氧劑穩(wěn)定化,降低由于一般滾塑成型時(shí)長時(shí)間加熱對(duì)材料性能的負(fù)面影響。

(2)材料熔體粘度必須足夠低,已足以使材料浸漬模具內(nèi)表面,并熔融成均一體。衡量材料熔體流動(dòng)性的一般指標(biāo)是熔體熔體流動(dòng)速率(MFR),單位為g/10min。工業(yè)上最常用的滾塑用聚乙烯的MFR為2~8g/10min(2.16kg,190℃下),結(jié)構(gòu)復(fù)雜和細(xì)節(jié)豐富的達(dá)日滾塑制品要求材料有較高的熔體流動(dòng)速率。

(3)良好的沖擊強(qiáng)度。這是能否作為低溫用滾塑制品判別最常用指標(biāo),通常要求材料在低至-40℃下仍保持良好的抗沖擊性能。

(4)耐環(huán)境應(yīng)力開裂(ESCR)是材料長期耐與應(yīng)力開裂介質(zhì)接觸的能力,按照通用的測試方法,認(rèn)為可以接受的材料ESCR值一般應(yīng)超過1000h。

(5)足夠彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度,聚乙烯強(qiáng)度相對(duì)低,而尼龍和聚碳酸酯等工程塑料具有較高的強(qiáng)度。

(6)折斷(failure)伸長率應(yīng)高,以符合大部分的應(yīng)用要求。

(7)必須有優(yōu)良的流動(dòng)性和良好的傳熱性,使材料在成型加熱過程中均勻和快速分散開,不良的流動(dòng)性將嚴(yán)重影響成型部件的最終外觀。

最近已研究了材料流變行為和熱性能對(duì)燒結(jié)過程和脫除聚合物中氣泡的影響,這種開發(fā)技術(shù)是在成型前評(píng)價(jià)材料方法上取得的重大進(jìn)展,由此得到的結(jié)論表明,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(kuò)散是十分重要的。象線型低密度聚乙烯這樣的材料隨著粘度降低而熔融速度減慢,這樣在粒子相鄰的周圍形成三維粒子網(wǎng),攔截大量氣體。低粘度材料趨向于快速熔融,攔截氣體少,因而致密化快。

大部分滾塑成型樹脂是粉料,粒子尺寸35目(74~2000um),材料另一種狀態(tài)是液體,一些高流動(dòng)性樹脂,如尼龍,成型時(shí)要用小粒料。

2.2滾塑成型適用材料

適用于塑料加工的聚合物中,能容易滾塑成型的材料是相當(dāng)有限的,有以下兩個(gè)主要原因:(1)許多工程材料在被磨碎成流動(dòng)性好的粉料后不能在沒有壓力條件下重新成型為均一固體,(2)與作為滾塑基準(zhǔn)材料聚乙烯比,一些專用材料最初往往價(jià)格較貴,而市場需求低又抑制和阻礙對(duì)材料的開發(fā)熱情。

聚乙烯是世界最主要的滾塑用樹脂,按用量大小依次排序的滾塑樹脂為:聚乙烯(LDPE、LLDPE、HDPE、XLPE、mLLDPE、EVA)95%,聚氯乙烯3%,尼龍(尼龍6、尼龍66、尼龍11、尼龍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,還有一些在近30年中已成功滾塑成型的聚合物和小量用于特種應(yīng)用的聚合物有:聚甲醛、丙烯酸樹脂、苯乙烯/丁二烯/丙烯腈共聚物(ABS)、纖維素樹脂、環(huán)氧樹脂、離子型聚合物、酚醛樹脂、聚丁烯、聚酯、聚酯彈性體、聚苯乙烯、抗沖聚苯乙烯、聚氨酯、有機(jī)硅聚合物。

不同來源數(shù)據(jù)略有差異,根據(jù)美國塑料工程師協(xié)會(huì)(SPE)主辦的2005年美國滾塑會(huì)議論文提供的數(shù)據(jù),2002年滾塑用樹脂占有份額分別為: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%。最近報(bào)道稱,聚乙烯占全球滾塑材料的95%左右。

聚乙烯具有容易滾塑成型、良好的熱穩(wěn)定性和成本低等綜合優(yōu)勢(shì),因此一直在滾塑制品市場中,占主導(dǎo)地位,特別是最近聚合采用單中心催化劑,進(jìn)一步開發(fā)出適用于滾塑成型、容易加工和剛性高的聚乙烯牌號(hào),零剪切熔體粘度低,成型時(shí)間(周期)短,推動(dòng)和促進(jìn)了滾塑工業(yè)進(jìn)展。

3、滾塑制品和市場

3.1滾塑成型和制品優(yōu)缺點(diǎn)

滾塑成型和制品優(yōu)缺點(diǎn)與其應(yīng)用和市場密切相關(guān),是考慮選用滾塑成型的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù),也是擴(kuò)大應(yīng)用、開發(fā)市場的重要參考。最終制品的大小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、表面質(zhì)量、要生產(chǎn)的制品數(shù)量和適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)速度等是選擇加工成型方法的影響因素。

3.1.1滾塑成型優(yōu)點(diǎn)

滾塑成型優(yōu)點(diǎn)為:(1)可制得結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中空成型制品,設(shè)計(jì)自由度大;(2)最終制品殘留應(yīng)力?。?3)模具價(jià)格便宜、制作周期短,適合多品種、小批量生產(chǎn);(4)與吹塑成型比,制品壁厚均勻,拐角處壁厚度大;(5)容易切換原料和顏色,也有利于多品種、小批量生產(chǎn);(6)有可能實(shí)現(xiàn)廢料少的加工成型,有利于環(huán)境;(7)能同時(shí)成型不同形狀和顏色的制品,精細(xì)化制定生產(chǎn)計(jì)劃;(8)容易成型含發(fā)泡層的多層制品,(9)能成型有圖形的高性能制品;(10)容易成型具有大理石和紋理豐富外觀表面的制品。

另外,滾塑成型容易調(diào)整加工部件壁厚,僅需改變加入模具中物料質(zhì)量,不需更改模具,制品壁厚度范圍寬,1~25mm或更大,加工成型時(shí)可加入圖案和嵌件(金屬或非金屬)。

3.1.2滾塑成型缺點(diǎn)

滾塑加工工藝決定了它有以下缺點(diǎn):(1)成型周期長;(2)成型時(shí)需要多個(gè)能源;(3)一般難以成型面積大平表面的制品;(4)與模具不接觸的最終制品內(nèi)表面平滑度差;(5)用量更大的聚乙烯成型冷卻后收縮率大,尺寸穩(wěn)定性差。

3.1.3滾塑成型與其他中空成型方法比較

中空成型有吹塑、滾塑、熱成型和氣體輔助注塑成型法等多種方法,大型中空制品成型工藝有吹塑、滾塑和熱成型法。

滾塑適宜設(shè)計(jì)和加工復(fù)雜形狀和側(cè)面有孔的制品,多種內(nèi)表面可同時(shí)成型為主要特點(diǎn),發(fā)泡制品壁厚均勻性優(yōu)于吹塑成型法。吹塑成型法原料貴,制品尺寸穩(wěn)定性好,翹曲小,成型時(shí)間短,產(chǎn)量高,人力和能源成本低。熱成型(片材)法加工設(shè)備貴,而制品強(qiáng)度是3種方法中更高的。

3.2世界滾塑工業(yè)和原料消費(fèi)量

日本五十嵐敏郎據(jù)國際咨詢家P.Nugent在歐洲第三屆滾塑會(huì)議上提供的資料為基礎(chǔ)而整理的數(shù)據(jù),包括世界和各地滾塑加工廠、年原料(樹脂配混料)用量、人平均年消費(fèi)原料量和今后發(fā)展預(yù)計(jì),亞洲滾塑加工廠最多,大多為加工量小的小規(guī)模加工廠,按滾塑用樹脂配混料消費(fèi)量大小依次排序的地區(qū)為:北美,西歐,亞洲。人均滾塑用原料消費(fèi)更大的地區(qū)為澳大利亞和新西蘭,人均年消費(fèi)量為1.95kg,以下依次為北美0.82kg,西歐0.45kg,而包括東歐在內(nèi)的所有其他地區(qū)均小于0.1kg,日本也僅為0.07kg,屬于滾塑成型不發(fā)達(dá)地區(qū)。預(yù)計(jì)未來增長最快的地區(qū)則為亞洲、東歐和俄羅斯。世界滾塑用原料年消費(fèi)量為899kt。

根據(jù)P.Nugent提供的最新數(shù)據(jù),目前全球約有2000家滾塑加工廠,每年樹脂用量1000kt,約占世界塑料總用量的0.7%。

關(guān)于滾塑用原料報(bào)道不多,英國Bristol的世界塑料工業(yè)咨詢、研究和分析服務(wù)公司AMI(Applied MarketInformation)公司稱,要定量報(bào)道歐洲滾塑工業(yè)不是一件容易的任務(wù),該研究集團(tuán)公司2006年發(fā)表綜述:《英國引領(lǐng)滾塑市場》,報(bào)道稱歐洲每年滾塑成型約250kt聚合物,約有315家滾塑加工廠,大多數(shù)(200多家)為私人企業(yè),而P.Nugent估計(jì)歐洲有450家左右滾塑加工廠。英國和意大利是歐洲滾塑成型傳統(tǒng)代表,分別占?xì)W洲滾塑成型用塑料用量的19%和16%,分別有80家和78家滾塑加工廠。歐洲其他滾塑用塑料用量按大小依次為:法國13%,德國11%,比利時(shí)6%,西班牙5%,斯堪的納維亞9%。與其他塑料加工方法一致,歐洲滾塑加工成型也向包括中歐的東方轉(zhuǎn)移,現(xiàn)在中歐滾塑用塑料量占?xì)W洲總量的5%,波蘭有22家滾塑加工廠。

3.3滾塑成型制品和市場

如上所述,沒有關(guān)于世界滾塑工業(yè)總的統(tǒng)計(jì)資料,世界各地消費(fèi)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)有差異。

(1)與北美比,歐洲汽車和工業(yè)用滾塑制品占總市場中比例高,園林和道路應(yīng)用比例高,而玩具、娛樂方面應(yīng)用少;(2)日本以罐、桶和容器為主要應(yīng)用制品,占總量大部分,而玩具、汽車和其他工業(yè)用占有比例均低于北美和西歐。

AMI報(bào)告中分析指出,歐洲市場中英國鼓勵(lì)小批量生產(chǎn)大型儲(chǔ)罐采用滾塑成型法,故一直在歐洲居領(lǐng)先地位,法國和德國滾塑消費(fèi)聚合物量低于英國和意大利的原因是大型儲(chǔ)罐生產(chǎn)不采用滾塑成型法,德國歷史上一直強(qiáng)調(diào)制品生產(chǎn)速度,因而采用吹塑成型法,比利時(shí)和斯堪的那維亞分別占有歐洲6%和9%消費(fèi)份額,這是由于都有強(qiáng)勁的海上和船用應(yīng)用領(lǐng)域的需求,這也是滾塑成型傳統(tǒng)的一個(gè)有規(guī)模的市場,西班牙則是個(gè)制品設(shè)計(jì)活躍的,因而滾塑工業(yè)得到較好的發(fā)展,在歐洲中占有的比例接近比利時(shí)。意大利滾塑設(shè)備生產(chǎn)廠Persico公司銷售經(jīng)理Sergio Zilioli稱,水罐和化工應(yīng)用罐是意大利用量更大的滾塑制品,約占意大利滾塑用聚乙烯消費(fèi)量(45 kt)的25%,其次為花箱,占16%,城市設(shè)施占10%。

在柏林舉行的滾塑企業(yè)聯(lián)合會(huì)(ARMO)上,P.Nugent提出了許多未來滾塑產(chǎn)品發(fā)展機(jī)會(huì)和應(yīng)用領(lǐng)域,有水儲(chǔ)罐,廢水處理設(shè)施、雨棚和食品生產(chǎn)相關(guān)用品,取代木質(zhì)托盤也被認(rèn)為是一個(gè)重要領(lǐng)域。滾塑制品可回收性好,因此滾塑工業(yè)是“綠色行業(yè)”。

大多數(shù)工業(yè)制品應(yīng)用都分為初期進(jìn)入期、成長期、成熟期和衰退期幾個(gè)階段,以滾塑制品用量更大的儲(chǔ)罐和未來主要發(fā)展方向的工業(yè)應(yīng)用為例看滾塑的未來前景和動(dòng)向,北美和西歐的儲(chǔ)罐應(yīng)用已接近成熟期,而澳大利亞、非洲和亞洲等和地區(qū)則是處于成長期或剛進(jìn)入成長期。而關(guān)于工業(yè)應(yīng)用,北美和西歐才進(jìn)入成長期,亞洲等其他地區(qū)均處于初期進(jìn)入期,預(yù)計(jì)未來滾塑制品在清潔飲用水儲(chǔ)罐系統(tǒng)上有較大市場增長發(fā)展空間。

4、結(jié)語

滾塑成型是塑料加工工藝中歷史相對(duì)短、目前總體規(guī)模小的加工成型方法,滾塑工業(yè)已成為塑料工業(yè)中有活力的分支工業(yè)?,F(xiàn)在滾塑成型用塑料用量占世界塑料總用量的0.7%左右,總量約1000kt,經(jīng)濟(jì)和成本仍是其發(fā)展制約因素,滾塑成型加工方法特點(diǎn)限制了可用塑料(樹脂及樹脂配混料)種類和范圍。聚乙烯一直主導(dǎo)和控制滾塑用原料市場,占有份額高達(dá)95%左右。

滾塑成型適于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和大型中空容器類制品,與其他中空成型方法比,具有設(shè)計(jì)自由度大、最終制品壁厚均勻、拐角厚度大和殘余應(yīng)力小、模具成本低、容易切換和制作快等優(yōu)點(diǎn),是多品種、小批量生產(chǎn)加工方法的更佳選擇。各種罐、桶是滾塑成型用量更大的最終制品。在汽車和其他工業(yè)上應(yīng)用處于起步階段,以聚乙烯為原料的清潔飲用水儲(chǔ)罐應(yīng)用前景看好。

歐美和日本應(yīng)用結(jié)構(gòu)不全相同,北美和西歐滾塑成型和應(yīng)用處于領(lǐng)先地位,亞洲、非洲和東歐等地有巨大潛在市場空間。預(yù)計(jì)通過優(yōu)化最終制品設(shè)計(jì),開發(fā)新應(yīng)用領(lǐng)域和利用滾塑成型設(shè)備的進(jìn)展,設(shè)計(jì)自由度大的滾塑成型制品將進(jìn)入更多應(yīng)用行業(yè),滿足市場需求。


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