TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線介紹

楊衛(wèi)民 邱建成 賈 輝 朱建新 徐文良 何建領(lǐng) 馬建軍

(北京化工大學(xué) 蘇州同大機(jī)械有限公司)

一、微層吹塑技術(shù)簡介

在自然界和社會現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，許多性能優(yōu)異的材料大多采用層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，如樹木、竹、骨、貝殼、玻璃鋼、防彈衣、新型裝甲車外殼、阻隔包裝膜、消聲瓦等。但工業(yè)應(yīng)用的層狀結(jié)構(gòu)連接通常為機(jī)械連接、膠接連接和混合連接，難以實(shí)現(xiàn)微納米層厚，并且層數(shù)一般不超過10層。微層吹塑共擠出技術(shù)采用共擠出的形式，具有可連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)與目前常規(guī)應(yīng)用的共擠出技術(shù)存在本質(zhì)差別。三種高分子塑料原料分別投入三臺擠出機(jī)塑化擠出，在匯流處疊合成多層的片狀熔體材料，然后流經(jīng)特殊設(shè)計的分層疊加單元進(jìn)行切割分層，經(jīng)過多層復(fù)合材料經(jīng)轉(zhuǎn)換段形成管坯，再經(jīng)定型口模形成理想的復(fù)合管坯，最后在模腔內(nèi)吹塑成型。復(fù)合管坯的層數(shù)和層厚具有可設(shè)計性，分別由微層共擠系統(tǒng)中分層單元個數(shù)和三臺擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速比控制，層數(shù)可以達(dá)到千層以上，單層層厚可達(dá)微米甚至納米級。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是性質(zhì)不同的兩種高分子材料交替疊合，呈現(xiàn)出規(guī)整的雙連續(xù)結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上來看，類似于布鞋的千層底。此種結(jié)構(gòu)在力學(xué)、阻隔、和導(dǎo)電等性能方面顯示有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

微層共擠中空塑料成型使中空容器具有更優(yōu)異的阻隔性、阻氣性、防潮性、遮光性、保鮮性、健康性、無害性等綠色技術(shù)性能，微層厚度達(dá)到納米級別將可能應(yīng)用于航海、航空、航天等高新科技領(lǐng)域的新型復(fù)合材料。由于微層制品的這些特點(diǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)制品輕量化、資源節(jié)約化、廢棄物資源化的低碳革命、低碳經(jīng)濟(jì)、低碳包裝的可持續(xù)發(fā)展。

TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線包括擠出機(jī)、微層機(jī)頭、開合模機(jī)構(gòu)、機(jī)架、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、后冷卻自動去飛邊系統(tǒng)。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)最大容量為30升以下的制品。在目前的情況下，兩種聚合物比較容易實(shí)現(xiàn)16層，或是64層。三種聚合物比較容易實(shí)現(xiàn)24層，或是96層。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線其主機(jī)部分由三臺70mm擠出機(jī)同時向微層機(jī)頭供料(三種料進(jìn)料比例為1:1:1，可以通過調(diào)整擠出機(jī)速度調(diào)整各種原料的使用比例)，通過微層機(jī)頭實(shí)現(xiàn)疊層、成型塑料型坯，最后在模腔內(nèi)吹塑成型制品。設(shè)備基本布局和微層管坯示意如下兩圖:

二、微層吹塑成型技術(shù)路線

三、技術(shù)水平及創(chuàng)新

1、技術(shù)水平:依據(jù)查新報告，查新本產(chǎn)品未在國內(nèi)發(fā)現(xiàn)有類似產(chǎn)品，與國外同類型產(chǎn)品相比處于領(lǐng)先地位，居國際領(lǐng)先水平。

產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù):

A、微層技術(shù):是由多臺擠出機(jī)向機(jī)頭內(nèi)部供料，經(jīng)過流道形成一個多層型坯，多層型坯經(jīng)過多個疊層器進(jìn)行疊層，制成一個由交替微層材料構(gòu)成的疊層塑料型坯。這些微層可以是幾分之一毫米～幾十分之一毫米厚，它們是一種新型疊層倍增技術(shù)與獨(dú)特的模頭幾何結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用的結(jié)果，從而形成了具有更多層數(shù)的結(jié)構(gòu);理論上這種疊層可達(dá)到3072層以上;

B、采用微層共擠擠出吹塑技術(shù)成型的24～192層的帶透明線30L塑料桶制品，可較大的提高塑料制品的阻滲性能，可實(shí)現(xiàn)相同壁厚的塑料制品的情況下，力學(xué)強(qiáng)度較大幅度提高。此外還可以在此基礎(chǔ)上，采用三套微層擠出系統(tǒng)進(jìn)行堆層疊加。該疊層技術(shù)可使原來24層的微層擠出吹塑成型增加到96～192層的帶透明線的30L塑料桶或是塑料容器;

C、微層共擠擠出圓形料坯，經(jīng)過層疊器的料坯已經(jīng)達(dá)到微層結(jié)構(gòu)，微層料坯需經(jīng)過轉(zhuǎn)換器將片材型坯轉(zhuǎn)換成圓形料坯;

D、微層共擠擠出管坯技術(shù)的關(guān)鍵，在于對疊層的交錯搭接、形成熔接線的高度增強(qiáng)熔接，極大的增強(qiáng)了熔接線的強(qiáng)度，提高了塑料桶或是塑料容器的強(qiáng)度與力學(xué)性能;

E、微層共擠擠出吹塑成型技術(shù)，還特別適合需要特別增強(qiáng)的超強(qiáng)塑料容器制品生產(chǎn)，因?yàn)椴捎梦庸矓D擠出疊層吹塑技術(shù)，可采用多種不同組分的塑料原料與高度增強(qiáng)的塑料進(jìn)行微層吹塑成型，生產(chǎn)超高強(qiáng)度的塑料容器，滿足一些特別需要;

F、采用智能化后冷卻自動去飛邊系統(tǒng)，去飛邊效果更好，減少了操作人員。同時采用了獨(dú)立設(shè)計模式，自適應(yīng)性強(qiáng)，更好的滿足了系列內(nèi)多種規(guī)格產(chǎn)品去飛邊裝置快速更換的要求，為設(shè)備的技術(shù)改造和升級提供了一種嶄新的模式。

現(xiàn)今，采用共擠吹塑方法一般只能生產(chǎn)最多6～9層結(jié)構(gòu)的容器，用來增強(qiáng)容器的阻透性、強(qiáng)度、耐劃傷性、可印刷性和防靜電性能。中空吹塑多層制品的實(shí)現(xiàn)方式，目前以多臺擠出機(jī)加管套式機(jī)頭的形式為主。以汽車燃油箱為例無論國外制造商還是國內(nèi)制造商，燃油箱的一般為6層，同時需要6臺擠出機(jī)和復(fù)雜的擠出機(jī)頭。具有功能材料交替層的微層共擠容器可以獲得比傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)更高的性能。

2、技術(shù)比較

①、傳統(tǒng)的多層中空吹塑成型是采用幾臺擠出機(jī)將各自塑化的樹脂，同時擠入多層機(jī)頭，通過歧管形成同心的多層結(jié)構(gòu)，并通過芯棒成為多層型坯，然后再進(jìn)行吹塑。也有的是采用特殊的貯料缸機(jī)頭形成3-5層的多層型坯。在貯料缸內(nèi)各種塑化塑料是彼此分開的，各貯料缸的擠出可以分別進(jìn)行。然后采用環(huán)形活塞將各種塑料壓出，在機(jī)頭頂端各層塑料熔融粘結(jié)形成多層型坯。多層吹塑的關(guān)鍵是控制各層塑料間的熔接。有兩種粘結(jié)方式:一是至少在一層內(nèi)混入有粘結(jié)性的樹脂，這種方式層數(shù)較少，并能保持一定的強(qiáng)度，但成本較高?；烊胗姓辰Y(jié)性樹脂的量，需在不損害構(gòu)成各層樹脂的阻隔性和強(qiáng)度等性質(zhì)的范圍內(nèi)。二是增設(shè)粘結(jié)材料層，使粘結(jié)劑介于各層界面之間，要增加擠出粘結(jié)材料用的擠出機(jī)，使設(shè)備及操作變得復(fù)雜。

與傳統(tǒng)的多層中空吹塑成型相比較，TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線采用微層技術(shù)，共擠出工藝產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)層數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三層、六層，可以達(dá)到24層或96層，以下是部分技術(shù)優(yōu)點(diǎn):

◆改進(jìn)阻隔性能。產(chǎn)品中的阻隔層數(shù)量大幅度增加，使氣體和水分子的擴(kuò)散途徑更加“曲折艱難”;

◆節(jié)約高成本物料。聚合物的許多關(guān)鍵性質(zhì)不會隨著層厚的降低而成比例降低，因此采用微層技術(shù)后，可以節(jié)約高成本的高性能樹脂，同時性質(zhì)又能達(dá)到希望的水平;

◆新的性能組合。相同的聚合物，分散為一層或兩層，還是分散為許多超薄的層，對最終產(chǎn)品的性能有不同的影響。

②、目前將微層技術(shù)運(yùn)用中空擠出吹塑領(lǐng)域的美國陶氏化學(xué)公司，其加工出的350ml圓瓶，它具有1.25mm的均勻壁厚，包含33層 HDPE和LLDPE的交替層。陶氏微層技術(shù)，使材料在進(jìn)入模頭前，先被制成一個由交替微層材料構(gòu)成的堆層，堆層料再進(jìn)入心形側(cè)進(jìn)料機(jī)頭，在微層平面堆層成為一個管子時，其邊緣搭接，使它保持一個均勻的層結(jié)構(gòu)，在熔接線處沒有縫隙。

與陶氏技術(shù)相比較，TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線具有以下優(yōu)點(diǎn):

◆與傳統(tǒng)層倍增模具原理不同的層疊器，陶氏層疊技術(shù)在分層、層疊、展寬需要通過幾個功能模塊實(shí)現(xiàn)，TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線運(yùn)用的疊層技術(shù)采用北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授發(fā)明的疊層技術(shù);

◆陶氏350ml圓瓶，其層疊模塊和成型管坯的機(jī)頭是分開的，從其型坯的截面觀察，其中心和外側(cè)及搭接處分層不明顯，這是由于其本身的流道路徑所致。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線管坯成型技術(shù)為先將擠出機(jī)擠出的棒材料坯轉(zhuǎn)換成片材，將片材料坯重疊，經(jīng)過層疊器疊層復(fù)合片材，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器將復(fù)合片材轉(zhuǎn)換為半圓形料坯，通過搭接段形成理想的圓形管坯。這種工藝方法不用將疊層后的料坯再經(jīng)過心形機(jī)頭，從而保證了制品的一致性;

◆ 與陶氏試驗(yàn)的350ml小瓶相比，TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線可以生產(chǎn)容量30L以內(nèi)的工業(yè)使用制品，實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級的跨越，并可實(shí)現(xiàn)對塑料型坯的壁厚精確控制。

◆TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線具有后冷卻去飛邊系統(tǒng)，大大提高了制品合模線物理強(qiáng)度，同時提高了生產(chǎn)線的全自動化水平。

四、成本與需求

隨著微層技術(shù)在擠出吹塑行業(yè)的進(jìn)一步研究開發(fā)，微層技術(shù)必為這個行業(yè)帶來更加廣闊的應(yīng)用前景。以下從投資成本、潛在市場等方面進(jìn)一步說明。

1、設(shè)備成本降低

①、減少擠出機(jī)臺數(shù)。目前用于生產(chǎn)6層汽車用燃油箱的吹塑設(shè)備，都是有6臺擠出機(jī)供料。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線加工24層制品或96層制品都只需要三臺擠出機(jī)。

②、機(jī)頭形狀尺寸小。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)機(jī)頭無論是外形尺寸上還是重量方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相同容積6層燃油箱的吹塑設(shè)備機(jī)頭。

③、生產(chǎn)效率高。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線是雙工位連續(xù)生產(chǎn)。

④、智能化生產(chǎn)。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線能實(shí)現(xiàn)從進(jìn)料到制品成型、后冷卻去飛邊、廢料收集粉碎等制品生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

⑤、設(shè)備所占空間小。由于擠出機(jī)臺數(shù)減少、機(jī)頭尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，與6層燃油箱吹塑設(shè)備比，TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線空間利用率更高。

2、制品成本降低

①、增加回收料使用。微層技術(shù)能給在產(chǎn)品芯部使用消費(fèi)后回收材料的加工商帶來收益。將消費(fèi)后回收材料夾入內(nèi)層并且可實(shí)現(xiàn)每層交替使用新舊材料可以減少制品力學(xué)性能的損失，因?yàn)榛厥詹牧蠈釉谌我鈨蓚?cè)都連接有新料。

②、減少高成本塑料原料使用。三層共擠阻隔制品所需的材料費(fèi)比五層共擠阻隔制品所需的原材料費(fèi)要高約19%。微層共擠制品在相同厚度下，其強(qiáng)度等物理性能指標(biāo)明顯高于六層以下制品強(qiáng)度，因此采用微層技術(shù)的制品可以減少制品的厚度而物理力學(xué)等性能指標(biāo)得到提高，可減少材料的消耗。

③、能耗減少，單個制品能耗降低。因?yàn)門DB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線擠出機(jī)臺數(shù)減少，機(jī)頭尺寸減小，需要加熱的零部件減少，從而單個制品的耗電量大為減少。

從以上幾點(diǎn)可以看出，微層吹塑技術(shù)不僅僅在設(shè)備成本大為減低，對于制品生產(chǎn)廠家來說，在減少原材料使用的同時可生產(chǎn)出更高質(zhì)量的制品，從而取得更高的附加值。

3、未來技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)與市場分析

通過在塑料中添加碳纖維、玻璃纖維、石墨烯等高強(qiáng)度增強(qiáng)材料等，可達(dá)到增強(qiáng)塑料制品各種物理特性的目標(biāo)。多層技術(shù)就是利用某些層的特殊功能，并將多種特殊功能進(jìn)行組合。在微層技術(shù)中，各特殊功能復(fù)合層不僅僅是一層兩層往往能達(dá)到幾十層乃至幾百層。微層技術(shù)將塑料合金從概念推進(jìn)到實(shí)際運(yùn)用中。塑料質(zhì)輕，一般塑料的密度在0.9-2.3g/cm3之間，只有鋼鐵的1/8-1/4，而各種泡沫塑料的密度更低，約在0.01-0.5g/cm3。有些增強(qiáng)塑料的比強(qiáng)度甚至超過鋼鐵。復(fù)合塑料化學(xué)穩(wěn)定性高、耐磨性能好、透光及防護(hù)性能優(yōu)良、減振消音性能好等優(yōu)點(diǎn)。美國對纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的需求預(yù)計每年攀升4.7%，在2017年達(dá)到43億磅(19.5億公斤)，價值近230億美元。

①、在航空航天工業(yè)中復(fù)合材料的使用比例越來越高?？湛虯380飛機(jī)其結(jié)構(gòu)重量的25%為復(fù)合材料，波音787復(fù)合材料占其結(jié)構(gòu)重量的50%。歐洲的A400M屬于新一代大型軍用運(yùn)輸機(jī)，復(fù)合材料占其結(jié)構(gòu)重量的35%-40%，碳纖維復(fù)合材料占機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量的85%。這些復(fù)合材料工藝主要為粘接、模壓、樹脂傳遞模塑、纖維纏繞、拉擠等。塑料合金采用微層技術(shù)使高強(qiáng)度材料(碳纖維)和微層塑料復(fù)合的新型材料，其可塑性強(qiáng)，可將多個零件組合成一個零件而提升其品質(zhì)。

②、在軍事領(lǐng)域中坦克防護(hù)、單兵武器系統(tǒng)防護(hù)等方面運(yùn)用。近年來軍事科研領(lǐng)域研究者展開了高強(qiáng)聚乙烯纖維增強(qiáng)塑料層合板的抗彈性能研究。利用微層技術(shù)可以大大提升層合板的機(jī)械強(qiáng)度，減輕層合板的重量。

③、在船舶與海洋工程領(lǐng)域大型塑料制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。推進(jìn)船艇輕量化，我國船舶工業(yè)在復(fù)合材料研究和應(yīng)用方面的觀念、技術(shù)需要進(jìn)一步更新。突破船舶大型結(jié)構(gòu)件應(yīng)用符合材料制造的難題，提高復(fù)合材料產(chǎn)品裝船率。不飽和樹脂基玻纖增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的現(xiàn)代游艇、組合式復(fù)合塑料碼頭等等，利用微層中空成型技術(shù)可使這類大型、超大型高分子制品的加工制造工藝簡化，成本降低而性能更優(yōu)。

④、石油天然氣化工行業(yè)需要大量管道，輸送石油、天然氣、油氣混合物、腐蝕性物質(zhì)等。管道要求滿足耐腐蝕性能好、足夠的韌性和機(jī)械強(qiáng)度、便于運(yùn)輸安裝、阻力小能耗低、管材性能可靠、壽命長等等。目前比較先進(jìn)的產(chǎn)品有玻璃纖維增強(qiáng)連續(xù)塑料復(fù)合管、金屬骨架塑料復(fù)合管等無論是其加工工藝復(fù)雜、成本高，成為其廣泛推廣使用的阻力。微層成型管坯技術(shù)不僅成型工藝簡單、制品成本相對較低，并且突破了以前需要不同材料宏觀復(fù)合的瓶頸。

⑤、在汽車工業(yè)中復(fù)合塑料的運(yùn)用。為了節(jié)能降耗、提高車速、改進(jìn)外觀和舒適性達(dá)到降低成本的目的，汽車廠商越來越多地使用塑料及塑料復(fù)合材料來替代各種有色金屬和鋼材。隨著微層中空成型技術(shù)推廣，汽車發(fā)動機(jī)零件如進(jìn)氣歧管、空氣濾清器總成、燃油管、氣門蓋和發(fā)動機(jī)罩蓋等，復(fù)合塑料有取代鋁合金材料的趨勢。

⑥、在消防領(lǐng)域的運(yùn)用。Frontier Inc.公司在K2013展會上展出了世界上第一個熱塑性吹塑成型的滅火器。將微層技術(shù)運(yùn)用于這些潛在領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步降低材料成本，提高強(qiáng)度。

⑦、傳統(tǒng)的市場運(yùn)用，微層技術(shù)的高阻隔性能提升了食品藥品的安全性，可以用于飲料包裝，新鮮食品封裝運(yùn)輸?shù)鹊取?/p>

除各種潛在的市場領(lǐng)域外，微層中空成型技術(shù)在傳統(tǒng)吹塑領(lǐng)域?qū)砀锩缘母淖?。例如三?5升塑料桶，采用傳統(tǒng)的機(jī)頭成型的制品重量在1170克，而采用微層技術(shù)加工出的24層制品重量為原來的75%，96層制品重量為原來的70%。微層技術(shù)制品的阻透性、機(jī)械強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的吹塑工藝制品。TDB-30W微層吹塑中空成型機(jī)生產(chǎn)線如果需要用于燃油箱吹塑，使用6臺擠出機(jī)層數(shù)可以增加到48層或者192層。

隨著對微層吹塑技術(shù)研究的深入，采用這一高新技術(shù)進(jìn)行微層吹塑成型將是未來的發(fā)展趨勢，其市場需求與潛在市場需求將會極為巨大，微層吹塑的制品將可能年銷售達(dá)到數(shù)十億。