沼氣發(fā)酵罐滾塑加工工藝參數(shù)的確定

季慶祥，朱桂英，楊志偉，秦翰，赫蘭剛，李雷雷，岳星宇

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，大慶 163319）

沼氣發(fā)酵罐滾塑加工工藝參數(shù)的確定

季慶祥，朱桂英，楊志偉，秦翰，赫蘭剛，李雷雷，岳星宇

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，大慶 163319）

為保證常壓下沼氣發(fā)酵罐滾塑加工的質(zhì)量要求，研究制造沼氣發(fā)酵罐過程中的主要滾塑工藝參數(shù)，對滾塑加工的塑化程度、壁厚不均勻度的影響因素進(jìn)行研究。結(jié)果顯示：利用滾塑機(jī)生產(chǎn)沼氣發(fā)酵罐的工藝優(yōu)化參數(shù)為：主副軸轉(zhuǎn)速比1∶6、保溫箱溫度200℃，滾塑時(shí)間為35 min，模具內(nèi)部溫度150℃，脫模劑硬脂酸鋅用量為10 g·kg-1。可為沼氣發(fā)酵罐的批量制造提供參考。

沼氣；發(fā)酵罐；滾塑；襯塑；樹脂；拐點(diǎn)

滾塑成型（Rotational Moulding）又稱旋塑、旋轉(zhuǎn)成型、回轉(zhuǎn)成型、旋轉(zhuǎn)鑄塑等。滾塑加工在常壓下進(jìn)行，是一種開口加工的工藝，僅有外模具，沒有與其對稱的內(nèi)模具，生產(chǎn)中與大氣相通，模具內(nèi)外無壓差，可以生產(chǎn)中空的容器，特別適合生產(chǎn)容器類大型儲(chǔ)罐和用于存放酸堿鹽等腐蝕性物質(zhì)的容超大型器[1]。滾塑工藝主要以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等高分子熱塑性樹脂（塑料）為原料[2-10]。滾塑作為一種塑料成型技術(shù)，已有較長的歷史。滾塑工藝最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，而在聚氯乙烯糊狀樹脂滾塑制品和聚乙烯滾塑制品工業(yè)化之后，滾塑工藝開始作為一個(gè)實(shí)用的工藝技術(shù)成為塑料工業(yè)舞臺(tái)上的活躍分子，并且越來越引起人們的關(guān)注。近年來，滾塑工藝發(fā)展很快，滾塑制品的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，滾塑制品不僅有結(jié)構(gòu)簡單、單層的小制品，而且還有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多層、大型和超大型制品。目前已經(jīng)出現(xiàn)了滾塑成型的汽車用品、飛機(jī)配件、皮劃艇、一些機(jī)器外殼、交通路障、人體代用器官等。滾塑制品的顏色也是多種多樣的，非常美觀。

滾塑工藝所能使用的樹脂種類也有了很大的發(fā)展，除了聚氯乙烯、聚乙烯外，尼龍、聚丙烯、聚碳酸酯、氟塑料等多種塑料也用于滾塑工藝。滾塑成型已成為當(dāng)今社會(huì)一種極具生命力的塑料制品成型工藝。

沼氣發(fā)酵罐作為沼氣系統(tǒng)中最為重要的組成部分，必須具有體積大、密封性好、開口多且適應(yīng)多種尺寸、耐腐蝕性高、耐多種腐蝕性且壽命長等特點(diǎn)，而目前使用的沼氣發(fā)酵罐多為混凝土結(jié)構(gòu)或不銹鋼結(jié)構(gòu)，此種發(fā)酵罐經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、漏氣、腐蝕、老化和成本高等問題，而這些問題塑料制品可以較好的解決，因此用滾塑加工來生產(chǎn)沼氣發(fā)酵罐是一項(xiàng)不錯(cuò)的選擇，用滾塑工藝生產(chǎn)的沼氣發(fā)酵罐，配用塑料管道、閥門、器具，性能超過不銹鋼結(jié)構(gòu)，而且成本可大大降低，且工期極短、構(gòu)造簡單、安裝靈活、系統(tǒng)改裝容易。但目前國內(nèi)研究滾塑沼氣發(fā)酵罐的企業(yè)及科研部門較少，因此有必要對滾塑加工沼氣發(fā)酵罐的工藝及優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行深入研究和探討。

為了保證在常壓下利用滾塑設(shè)備和工藝生產(chǎn)沼氣發(fā)酵罐的質(zhì)量，研究對滾塑加工的塑化程度進(jìn)行溫度和時(shí)間影響的正交試驗(yàn)，對壁厚不均勻度進(jìn)行主副軸轉(zhuǎn)速比的單因素試驗(yàn)及模具內(nèi)部溫度對塑化情況的影響和脫模劑用量的試驗(yàn)。

1 原理

滾塑加工工藝的原理比較簡單，就是把粉末狀塑料顆粒原料加入中空的模具中，在模具旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)的同時(shí)對模具加熱，使得塑料逐漸融化，涂敷在模具內(nèi)表面上。塑料完全融化后，停止加熱，待冷卻后，停止模具旋轉(zhuǎn)。打開模具，卸下已經(jīng)成形的塑料，就是所要加工的塑料產(chǎn)品，滾塑生產(chǎn)過程如圖1所示。

圖1 滾塑加工過程示意圖Fig.1 Rotomolding process schematic

滾塑沒有外部攪拌動(dòng)力，塑料顆粒的移動(dòng)，完全依賴重力作用下的流動(dòng)以及與熔融塑料層的黏滯、吸附，因而對于模具局部溫度、形狀，非常敏感。

對于需要加厚、增強(qiáng)的法蘭部位，采用向外凸起，增加塑料堆積的方式增加塑料厚度。對于強(qiáng)度要求較低的頂部，局部加熱溫度降低，壁厚可以減小。

對于強(qiáng)度要求高的滾塑件，采用鋼襯塑結(jié)構(gòu)，此時(shí)鋼制外殼與塑料不脫離，保持為一體，沒有專用的模具，稱為鋼襯塑。鋼襯塑是滾塑工藝中的特殊情形，工藝參數(shù)與滾塑相同，但不添加任何脫模劑，原料采用鋼襯塑專用料。

研究中設(shè)計(jì)的滾塑沼氣發(fā)酵罐如圖2所示，該發(fā)酵罐裝載料液7 m3左右，采用多罐串聯(lián)使用可組成小型工業(yè)化沼氣發(fā)酵系統(tǒng)。其進(jìn)料和出料可采用液力溢流方式進(jìn)行，也可采用料液輸送泵輸送方式。多罐組成的沼氣發(fā)生系統(tǒng)可采用先進(jìn)的兩段式厭氧發(fā)酵工藝，即酸化階段與產(chǎn)氣階段分別進(jìn)行，并且還可方便的進(jìn)行污泥回流作業(yè)，以更好的提高厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的效率。

圖2 滾塑沼氣發(fā)酵罐示意圖Fig.2 Diagram of rotational molding biogas fermenter

這種滾塑沼氣發(fā)酵罐耐腐蝕性強(qiáng)，其強(qiáng)度達(dá)到5 mm以上時(shí)（選擇塑料拉伸強(qiáng)度值12～19 MPa的低位置12 MPa計(jì)算）也符合要求。研究中通過滾塑工藝加工的發(fā)酵罐使用3年后，發(fā)酵罐沼液滲透率為零，塑料剖面無雜質(zhì)侵入，其耐腐蝕性符合預(yù)期效果。經(jīng)1 m水頭（10 kPa）加壓試驗(yàn)，罐體無永久性變形、無滲漏，其強(qiáng)度也符合預(yù)期效果。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為30目的線性低密度聚乙烯（LLDPE）粉末狀顆粒，該塑料顆粒不僅具有極好的流動(dòng)性和熱穩(wěn)定性，而且沖擊強(qiáng)度或韌性較好。

2.2 試驗(yàn)方法

針對滾塑加工的主要工藝參數(shù)，對滾塑加工的塑化程度進(jìn)行了溫度和時(shí)間影響的正交試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上對壁厚不均勻度進(jìn)行了主副軸轉(zhuǎn)速比的單因素試驗(yàn)及模具內(nèi)部溫度對塑化情況的影響和脫模劑用量的試驗(yàn)。

2.3 主要工藝參數(shù)

2.3.1 罐壁厚度

模具在滾塑機(jī)中被熱氣流加熱而升溫，塑料堆與模具接觸的部分先行軟化、附著、熔融。模具各個(gè)位置所能附著、熔融的塑料厚度，即罐壁厚度，主要取決于該處在單位時(shí)間內(nèi)塑料堆流過的次數(shù)。塑料堆流過次數(shù)多的地方，罐壁厚度就大。通過控制塑料堆的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以調(diào)節(jié)罐壁厚度，使之均勻或者加厚，以獲得所需要的產(chǎn)品。不適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速、速度比，導(dǎo)致壁厚不均，過厚的部位浪費(fèi)原料，過薄的部位強(qiáng)度不夠，甚至破裂、漏氣、漏水，形成廢品。

2.3.2 塑化溫度

塑料原料須經(jīng)歷加熱、熔化、冷卻定型，才能制造出產(chǎn)品。加熱溫度太低，或者加熱時(shí)間太短，會(huì)發(fā)生塑化不足，塑料結(jié)晶未完成，不能形成連續(xù)的高分子結(jié)構(gòu)，達(dá)不到塑料本身應(yīng)該具有的物理性能。塑化不足時(shí)，塑料雖然沒有分解，但是由于沒有形成合理的結(jié)晶，形成的厚壁結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度差、氣密性不好，不但脆弱，也會(huì)漏氣、漏水，形成廢品。加熱溫度太高，或者加熱時(shí)間太長，雖能保證塑化充足，但是因?yàn)樗芰先菀追纸狻⒆冑|(zhì)，產(chǎn)品性能下降、機(jī)械強(qiáng)度差，甚至產(chǎn)生廢品。

2.3.3 主軸與副軸轉(zhuǎn)速

主軸與副軸轉(zhuǎn)速直接影響單位時(shí)間內(nèi)塑料堆流過模具內(nèi)表面的次數(shù)，從而影響罐壁厚度。

2.3.4 保溫箱溫度與加熱時(shí)間

塑料原料LLDPE（UR644）的維卡點(diǎn)為124℃，分解溫度為230℃，耐熱時(shí)間為50 min。為防止塑料分解，模具溫度控制在160～180℃之間、加熱時(shí)間控制在20～50 min之間。

保溫箱溫度提高，有利于熱量向模具的熱傳導(dǎo)，但過高的溫度，會(huì)引起模具局部受熱過度、超溫，因此，保溫箱溫度控制在180～220℃區(qū)間。

2.3.5 脫模劑

脫模劑的種類，滾塑能用的極少，基本沒有選擇。外脫模劑采用硅油，內(nèi)脫模劑采用硬脂酸鋅。硬脂酸鋅的用量要合適，用量太多、太少都會(huì)影響生產(chǎn)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 主軸與副軸轉(zhuǎn)速及其比例

模具直徑D=2 200 mm，長度L=2 300 mm，塑料罐（沼氣發(fā)酵罐）壁厚H=5 mm，計(jì)算理論轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)速比。塑料原料的密度為λ=0.94 g·cm-3，L1=1 500 mm，罐體裝料按90%計(jì)算，則質(zhì)量M為

實(shí)際加入100 kg塑料，以保證罐壁足夠的厚度。粒度堆積角α=30°，如圖3。

設(shè)塑料堆底面直徑為d，塑料體積為V，則V=M/λ

圖3 塑料堆Fig.3 Plastic heap

當(dāng)模具的轉(zhuǎn)速等于、高于臨界離心轉(zhuǎn)速時(shí)，塑料顆粒將發(fā)生不利于滾塑成型的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)計(jì)算副軸（自轉(zhuǎn)軸）發(fā)生臨界離心運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速V1（r·min-1），如圖4所示。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院黨委書記楊培嶺以《節(jié)水灌溉技術(shù)的未來發(fā)展方向和趨勢》為題進(jìn)行了精彩演講，他呼吁要深入基礎(chǔ)理論研究，加快節(jié)水灌溉科研成果的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)的創(chuàng)新。要推廣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，加強(qiáng)節(jié)水灌溉設(shè)備質(zhì)量的監(jiān)管控制，加強(qiáng)水資源管理，合理確定水價(jià)，建立健全節(jié)水灌溉體系服務(wù)。

離心力，F(xiàn)=Mω2r，r=D/2，發(fā)生離心運(yùn)動(dòng)時(shí)，離心力等于重力G，則

圖4 副軸發(fā)生臨界離心運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速Fig.4 Speed of countershaft at critical eccentric exercise

計(jì)算主軸（搖擺軸）保證塑料軌跡均勻掃過模具每一個(gè)部分的轉(zhuǎn)速V2（r·min-1）：模具以速度V1自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)n周，塑料軌跡構(gòu)成的總寬度為j=nd，時(shí)間t=n/V1=j/（d·V1）。主軸（搖擺軸）最多轉(zhuǎn)動(dòng)半周，可以保證塑料軌跡均勻掃過模具每一個(gè)部分，即j=L，時(shí)間t=（1/2）/V2，則存在

滾塑生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)速不能超過上述計(jì)算出的V1和V22個(gè)最大值，一般取計(jì)算值的1/2～2/3。

選擇3個(gè)樣品實(shí)際試驗(yàn)，采用了不同的轉(zhuǎn)速，并對樣品的對稱位置解剖分析，結(jié)果如表1所示（滾塑罐厚度設(shè)定為加工5 mm）。

主軸與副軸轉(zhuǎn)速比為

表1 主副軸轉(zhuǎn)速比試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)Table 1 Experiment data of spindle and countershaft’s speed ratio

3.2 保溫箱溫度與加熱時(shí)間的確定

試驗(yàn)因素與水平見表2。

選用L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用了不同的溫度、加熱時(shí)間，測試樣品的力學(xué)性能，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of experiment

表3 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Program and result of orthogonal test

表4 正交試驗(yàn)極差分析表Table 4 Range analysis of orthogonal experiments

表5 正交試驗(yàn)方差分析表Table 5 Analysis of variance of orthogonal experiments

3.3 模具內(nèi)部溫度曲線與工位轉(zhuǎn)換拐點(diǎn)

塑化完成不僅與模具溫度有關(guān)，還與結(jié)束加熱過程的時(shí)機(jī)有關(guān)，即與工位轉(zhuǎn)換的拐點(diǎn)有關(guān)。

圖5 模具內(nèi)部溫度曲線Fig.5 Temperature curve inside the mold

圖5是滾塑沼氣發(fā)酵罐的滾塑時(shí)的模具內(nèi)部溫度曲線的計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。其中：

1.電池電壓 2.模內(nèi) 3.桶蓋 4.桶邊 5.桶身6.保溫箱

A點(diǎn)，塑料開始軟化、熔融，溫度因?yàn)槿刍鼰岫Ｖ股仙?/p>

B點(diǎn)，塑料完全熔化，不再吸熱，溫度繼續(xù)上升，塑料進(jìn)入玻璃態(tài)，有利于冷卻時(shí)候結(jié)晶。

C點(diǎn)，塑料完全進(jìn)入玻璃態(tài)，溫度繼續(xù)上升減慢。

D點(diǎn)，結(jié)束加熱，塑料從玻璃態(tài)開始結(jié)晶，構(gòu)造新的塑料結(jié)構(gòu)。

選擇3個(gè)樣品實(shí)際試驗(yàn)，采用了不同的時(shí)機(jī)停止加熱，并對樣品的對稱位置解剖分析，結(jié)果見表6。

表6 不同保溫箱溫度和模具內(nèi)部溫度的塑化程度Table 6 Different cncubators temperature and probe temperature of plasticizing degree

因此確定正式生產(chǎn)選用序號(hào)2的模具內(nèi)部溫度停止加熱。

3.4 內(nèi)脫模劑品種與用量確定

選擇3個(gè)樣品實(shí)際試驗(yàn)，采用了不同用量的硬脂酸鋅，并對樣品分析，結(jié)果見表7。

表7 內(nèi)脫模劑品種與用量確定試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Varieties and dosage of internal release agent

3.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1試驗(yàn)可知主軸轉(zhuǎn)速增高，設(shè)備抖動(dòng)加大，塑料表面產(chǎn)生波浪紋，但壁厚不均勻度并沒有減小。由此可見主副軸轉(zhuǎn)速比為1∶6為較優(yōu)值。

由表5，顯著性水平α=0.01，可知保溫箱溫度、加熱時(shí)間對拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響極顯著，可以通過改變保溫箱溫度和加熱時(shí)間來影響拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率越大越好，在保證完全結(jié)晶的狀況下，應(yīng)選取拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的較高值，由表4中各因素的極差可知，各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度從大到小為：加熱時(shí)間、保溫箱溫度，較優(yōu)參數(shù)組保溫箱溫度為200℃，加熱時(shí)間為35 min，此時(shí)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率為最好。

由表6可知試驗(yàn)序號(hào)2的塑料分解及塑化程度符合要求，可見保溫箱溫度為200℃，模具內(nèi)部溫度為150℃時(shí)為較優(yōu)值。

由表7可知試驗(yàn)序號(hào)2的塑料表面的光潔程度符合要求，可見硬脂酸鋅用量為10 g·kg-1時(shí)為較優(yōu)值。

4 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，從強(qiáng)度、氣密性、滲透率方面的檢測可知利用滾塑工藝生產(chǎn)沼氣發(fā)酵罐的工藝可行，其優(yōu)化的工藝參數(shù)為：主副軸轉(zhuǎn)速比1∶6、保溫箱溫度200℃，模具內(nèi)部溫度150℃，脫模劑硬脂酸鋅用量為10 g·kg-1，滾塑時(shí)間為35 min。

（2）滾塑成型過程中，塑性塑料在升溫過程中存在著工位轉(zhuǎn)換拐點(diǎn)，這是實(shí)現(xiàn)工藝過程自動(dòng)控制的物理?xiàng)l件，并且此特征點(diǎn)的參數(shù)是穩(wěn)定且變化明顯的。

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Determination on Technological Parameters of Rotational Molding for Biogas Fermenter

Ji Qingxiang，Zhu Guiying，Yang Zhiwei，Qin Han，He Langang，Li Leilei，Yue Xingyu
（College of Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

To ensure the quality of rotational molding for biogas fermenter at atmospheric pressure，the main technical parameters of rotational molding in the process of manufacturing biogas fermenter were investigated.Plasticizing degree of rotational molding and influential factors on the uneven degree of wall thickness were studied.The test results indicated that the technology of rotational molding for biogas fermenter was feasible.A set of optimized parameters were obtained，the speed ratio of spindle and countershaft was 1∶6，abrasives temperature was 150℃，the temperature of the incubator was 200℃，molding time was 35 min and the amount of mold discharging agent（zinc stearate）was 10 g·kg-1.

biogas；fermenter；rotational molding；lined with plastic；resin；inflection point

S24

A

1002-2090（2017）02-0108-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.02.021

2016-03-20

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510223017）；大慶指導(dǎo)項(xiàng)目（zd-2016-132）。

季慶祥（1992-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院2010級(jí)本科生。

朱桂英，女，副教授，E-mail：zhuguiying197211@163.com。