高密度聚乙烯滾塑皮劃艇變形的解決方案

溫原，陳郭偉，杜章外，陸國峰，鄧正勇，陳海垠（.浙江瑞堂塑料科技有限公司，浙江寧波 3533； .杭州溫妮皮劃艇制造有限公司，杭州 37）

高密度聚乙烯滾塑皮劃艇變形的解決方案

溫原1，陳郭偉2，杜章外2，陸國峰2，鄧正勇1，陳海垠1
（1.浙江瑞堂塑料科技有限公司，浙江寧波 315323； 2.杭州溫妮皮劃艇制造有限公司，杭州 311227）

針對高密度聚乙烯滾塑皮劃艇的變形問題，對皮劃艇的滾塑工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壁厚均勻度差、壁內(nèi)存在大量氣孔和模內(nèi)溫度不均勻是造成皮劃艇變形的重要因素。首先通過增加預(yù)熱程序以及延長搖擺停留時(shí)間來提高壁厚的均勻度；然后通過預(yù)熱及提高加熱室溫度來調(diào)節(jié)模內(nèi)溫度，達(dá)到消除壁內(nèi)氣孔的目的；最后，通過采用自然冷卻并在冷卻階段再次加熱等手段，進(jìn)一步平衡模內(nèi)溫度。經(jīng)過上述工藝的調(diào)整和改進(jìn)，最終解決了皮劃艇的變形問題，獲得了合格的皮劃艇產(chǎn)品。

滾塑；高密度聚乙烯；皮劃艇；變形；工藝

皮劃艇運(yùn)動在國外涉海國家被廣泛接受，國內(nèi)在近幾年也逐步興起。作為休閑運(yùn)動和極限運(yùn)動用品，皮劃艇要求輕便、剛度好，抗沖擊和高耐候。使用滾塑工藝一體成型制作休閑皮劃艇是行業(yè)內(nèi)被大范圍使用的加工工藝［1］，目前國內(nèi)使用的材料主要為線型低密度聚乙烯（PE-LLD），這也是目前國內(nèi)滾塑行業(yè)使用最多的聚乙烯材料［2-4］，但從表1國內(nèi)外一些制造商生產(chǎn)的滾塑皮劃艇用PE-LLD和高密度聚乙烯（PE-HD）材料的性能看，總體上PE-HD 比PE-LLD具有更加優(yōu)異的強(qiáng)度、剛度和韌性，在同等強(qiáng)度和剛度的要求下，使用PE-HD可以在減輕質(zhì)量的情況下達(dá)到制品的要求，從而節(jié)約了原材料，可以制造更加輕便的產(chǎn)品，因此使用PE-HD制造皮劃艇成為該行業(yè)的發(fā)展方向。

使用滾塑工藝加工皮劃艇，均使用烘箱式搖擺滾塑機(jī)，皮劃艇模具在烘箱內(nèi)沿水平軸轉(zhuǎn)動，同時(shí)進(jìn)行上下?lián)u擺，模具內(nèi)粉末在重力的作用下均勻分布、粘附在模具內(nèi)表面并形成空腔后將模具從烘箱內(nèi)取出，進(jìn)行冷卻定型，最后進(jìn)行脫模形成皮劃艇產(chǎn)品。

由于PE-HD結(jié)晶度高，結(jié)晶速度快，對溫度的不均勻性更加敏感，和PE-LLD相比，其在冷卻過程中更容易產(chǎn)生不均勻的內(nèi)應(yīng)力誘導(dǎo)產(chǎn)品變形，最終造成產(chǎn)品報(bào)廢。如圖1所示，使用PE-HD HD228P材料生產(chǎn)5.0 m長的皮劃艇時(shí)，在初始工藝下，出現(xiàn)了5個(gè)部位的嚴(yán)重變形。

圖1　PE-HD滾塑皮劃艇變形情況

目前業(yè)內(nèi)對滾塑制品變形情況的研究較少，僅有少量文獻(xiàn)指出滾塑制品變形原理［5-6］，部分研究人員從制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料等角度進(jìn)行了變形研究［7-9］，至今為止國內(nèi)尚未從工藝角度給出具體的解決案例。

表1　國內(nèi)外制造商生產(chǎn)的滾塑皮劃艇用PE-LLD和PE-HD材料的性能

通過實(shí)驗(yàn)，筆者對皮劃艇的滾塑加工過程進(jìn)行了監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)了該產(chǎn)品形狀和現(xiàn)有滾塑設(shè)備、模具不能完美匹配。圖2為現(xiàn)有的皮劃艇滾塑設(shè)備與模具示意圖。如圖2所示，由于模具和設(shè)備型腔的距離是漸變的，而燃燒機(jī)火焰加熱是直線加熱，造成在加熱過程中，A點(diǎn)的溫度最高，B點(diǎn)次之，C點(diǎn)最低。而在冷卻過程中，A點(diǎn)處模具截面積最大，儲熱最多，同時(shí)冷卻空間最小，造成A點(diǎn)冷卻慢，B點(diǎn)次之，C點(diǎn)冷卻最快，引發(fā)工藝缺陷，為此對工藝進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以求解決PE-HD滾塑皮劃艇產(chǎn)品的變形問題，為同類產(chǎn)品的滾塑成型工藝設(shè)計(jì)提供參考。

圖2　皮劃艇滾塑設(shè)備與模具示意圖

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

滾塑級PE-HD粉末：HD228P，浙江瑞堂塑料科技有限公司。

1.2主要設(shè)備及儀器

烘箱式搖擺滾塑機(jī)：6000型，杭州溫妮皮劃艇制造有限公司；

模內(nèi)測溫儀：iBOO-4型，蘇州奇兵電子科技有限公司；

ARM沖擊試驗(yàn)機(jī)：LC-300B型，承德精密儀器制造有限公司。

1.3試樣制備

將滾塑級PE-HD粉末按預(yù)定質(zhì)量投入皮劃艇模具中，在皮劃艇模具內(nèi)部的前部、中部、后部分別安置模內(nèi)測溫儀探頭以測量模內(nèi)空氣溫度，在模具外部的中部安置測溫儀探頭以測量烘箱爐體溫度，按表2的滾塑工藝進(jìn)行生產(chǎn)，表2中的工藝1為初始工藝參數(shù)，工藝2和工藝3為調(diào)整后的工藝參數(shù)。

表2　皮劃艇滾塑加工工藝參數(shù)

1.4測試與表征

壁厚測試：將皮劃艇沿水平面切開，使用分度值為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測量其壁厚；

皮劃艇沖擊強(qiáng)度測試：在皮劃艇不同部位截取12.7 mm×12.7 mm的樣片，按照ARMI Version 4.0 -July 2003 《滾塑成型低溫沖擊試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，在室溫下進(jìn)行沖擊測試。

2　結(jié)果及其討論

2.1壁厚的調(diào)整

塑料制品壁厚不均勻，會造成局部收縮率不一致，導(dǎo)致變形［10］。將使用工藝1加工成型的皮劃艇切開進(jìn)行壁厚測量，發(fā)現(xiàn)壁厚嚴(yán)重不均勻，中間厚（A點(diǎn)），兩邊?。–點(diǎn)）。這和實(shí)際觀察到的變形部位相吻合。

皮劃艇這一壁厚不均現(xiàn)象，分析認(rèn)為是由于在加熱過程中，A點(diǎn)溫度高，上料多，C點(diǎn)溫度低，上料少導(dǎo)致的。因此使用了工藝2對其進(jìn)行重新加工。和工藝1相比，工藝2增加了對皮劃艇模具兩端進(jìn)行預(yù)加熱的程序，以增加上料量，同時(shí)延長了搖擺停留時(shí)間，使材料更多地在兩端停留，以增加上料幾率。

表3為工藝調(diào)整前后皮劃艇壁厚的變化以及不同部位的變形情況，其中部位1，2，3，4，5分別為圖1中標(biāo)注的5個(gè)部位，下同。如表3所示，由工藝2生產(chǎn)的皮劃艇壁厚較為均一，產(chǎn)品的變形也有所緩解。由于皮劃艇中部需坐人承重，中部厚度應(yīng)適當(dāng)大一些，因此未再對厚度作進(jìn)一步的調(diào)整。

表3　工藝調(diào)整前后皮劃艇壁厚的變化以及不同部位的變形情況

2.2模內(nèi)溫度的調(diào)整

滾塑加工中，如果溫度偏低，皮劃艇產(chǎn)品中會殘留大量氣泡，進(jìn)而影響其內(nèi)部材料的密度和收縮。有氣泡的區(qū)域和無氣泡的區(qū)域冷卻過程會有差異，從而產(chǎn)生不均勻的收縮率，誘導(dǎo)產(chǎn)生變形。同時(shí)壁內(nèi)氣孔也會造成產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度的下降，引起皮劃艇抗沖擊能力的不足。

在原工藝1的條件下，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，皮劃艇中部模內(nèi)溫度比兩端溫度高20℃左右，在模內(nèi)溫度達(dá)到200℃后，產(chǎn)品中部壁內(nèi)無氣孔，但其兩邊溫度低，壁內(nèi)有很多氣孔。經(jīng)沖擊試驗(yàn)，也證明了這個(gè)問題。

使用工藝2，主要通過提高加熱室溫度并增加預(yù)熱程序來使調(diào)整模內(nèi)溫度趨于一致，由于將加熱溫度由300℃提升至350℃，加熱時(shí)間可以相應(yīng)縮短。在工藝2下，由測溫軟件導(dǎo)出的皮劃艇不同部位模內(nèi)溫度測量曲線圖如圖3所示。

圖3　工藝2下皮劃艇不同部位的模內(nèi)溫度測量曲線圖

由圖3可以看出，皮劃艇前部、中部和后部的模內(nèi)溫度相差不大，基本趨于一致。對工藝調(diào)整前后皮劃艇前、中、后部的氣孔進(jìn)行檢測，并對中部和前部進(jìn)行沖擊測試，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，將加熱室溫度由300℃提升至350℃并增加預(yù)熱程序后，不同部位的氣孔基本消失，中前部的沖擊強(qiáng)度有所提升，且之間的差異減少。

表4　溫度和預(yù)熱對氣孔和沖擊強(qiáng)度的影響

2.3冷卻工藝的調(diào)整

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在工藝1的條件下，冷卻過程中模內(nèi)溫度在不同部位有很大差異，皮劃艇前后部的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中部的溫度，溫差可達(dá)到40～50℃，從而引起皮劃艇前后部位先結(jié)晶凝固，中部后結(jié)晶凝固，這是造成變形的重要因素。

這一問題的產(chǎn)生，主要是由皮劃艇中部空腔大、儲熱能力大、冷卻較慢，前后部位空腔小、儲熱能力小、冷卻較快造成的。同時(shí)模具和設(shè)備內(nèi)壁之間的空隙，中間最小、散熱慢，兩邊大、散熱快，這也加重了冷卻不均一的現(xiàn)象。

從圖3可看到，采用工藝2，使用自然冷卻的方式，皮劃艇不同部位的溫差減少到30℃左右，變形有所緩解，但尚不能完全消除變形，尚需對冷卻工藝進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，以進(jìn)一步平衡模內(nèi)溫度，從而消除變形。

采用工藝3中的冷卻方式，當(dāng)模具前后部位的外部溫度冷卻到120℃時(shí)（此時(shí)模內(nèi)溫度約在140℃，材料進(jìn)入凝固期），對模具兩端進(jìn)行補(bǔ)火（再加熱），當(dāng)加熱到超出中部溫度20～30℃后再進(jìn)行自然冷卻。另外，為了更好地消除氣孔，提高制品的沖擊強(qiáng)度，將加熱時(shí)間延長到28 min，由于冷卻階段進(jìn)行了補(bǔ)火，冷卻速度變慢，因此冷卻時(shí)間從30 min延長到50 min，以保證脫模溫度的一致性。

圖4為工藝3下由測溫軟件導(dǎo)出的皮劃艇不同部位模內(nèi)溫度測量曲線圖。由圖4可以看出，在工藝3下，皮劃艇不同部位的模內(nèi)溫度曲線基本趨于一致，相比于圖3，其模內(nèi)空氣溫度由200℃提升到了218℃。在工藝3下，成型的皮劃艇基本沒有變形，達(dá)到了A級合格產(chǎn)品的要求。

圖4　工藝3下皮劃艇不同部位的模內(nèi)溫度測量曲線圖

3　結(jié)論

（1）壁厚不均、壁內(nèi)存在大量氣孔和模內(nèi)溫度不均是造成PE-HD滾塑皮劃艇變形的主要因素，首先應(yīng)通過增加預(yù)熱程序以及延長搖擺停留時(shí)間來提高壁厚的均勻度，然后通過預(yù)熱和提升加熱溫度來調(diào)節(jié)模內(nèi)溫度，從而達(dá)到消除壁內(nèi)氣孔的目的。

（2）應(yīng)充分考慮冷卻過程的控制，在冷卻過程中，由于模內(nèi)溫度不均勻，產(chǎn)品不同部位的溫度存在較大差異，是產(chǎn)生變形的主要因素。保持溫度均一下降，是緩解變形的控制要點(diǎn)，在這一過程中，不能采用可能擴(kuò)大溫差的手段，如全面強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷等，而應(yīng)根據(jù)模具外部的實(shí)際溫度情況，采用局部風(fēng)冷、局部再次加熱等手段。

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Solution on Deformation of High Density Polyethylene Kayak/Canoe Prepared by Rotational Molding

Wen Yuan1， Chen Guowei2， Du Zhangwai2， Lu Guofeng2， Deng Zhengyong1， Chen Haiyin1
（1. Zhejiang Rotoun Plastic Technology Co. Ltd.， Ningbo 315323， China； 2. Hangzhou Winner Kayak Manufacturing Co. Ltd.， Hangzhou 311227， China）

According to the deformation problems of high density polyethylene kayak/canoe product prepared by rotational molding，the rotational molding process of the product was studied，it is found that the bad evenness of the product wall thickness，a large number of pores in the product wall and the nonuniform temperature in mould are the key factors which cause the product deformation. Firstly，the evenness of the wall thickness is improved through adding the preheating procedure and extending the swing residence time. Then，the temperature in mould is adjusted by preheating and improving the heating chamber temperature for achieving the purpose of eliminating the pores in wall. Lastly，the temperature in mould is balanced further with using natural cooling and heating once more in the cooling stage etc.. Through the adjustment and improvement of the rotational molding process mentioned above，the deformation problems of kayak/canoe were solved finally and the qualified kayak/canoe products were gained.

rotational molding；high density polyethylene；kayak/canoe；deformation；technology

TQ325.1

A

1001-3539（2016）08-0065-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.014

聯(lián)系人：溫原，高級工程師，主要從事滾塑專用料的研究

2016-05-24