楊光威 王克儉

（北京化工大學(xué)）

引 言

隨著聚乙烯粉末化技術(shù)的成熟，各種滾塑專用料的開發(fā)、滾塑設(shè)備成本的下降，滾塑工藝逐漸成為塑料成型工藝中極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種成型方式，發(fā)展迅猛。滾塑成型適于大型及特大型制件、各種復(fù)雜形狀的中空制件，在化工、機(jī)械、電子、輕工和軍工等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用，如車輛燃油箱、儲(chǔ)物箱、大中型容器、汽車零部件、包裝箱、運(yùn)輸箱和耐腐蝕容器內(nèi)膽。交聯(lián)聚乙烯滾塑制品及工藝以其出色的特性在中、大型中空包裝容器中具有良好的應(yīng)用前景。

1.交聯(lián)聚乙烯滾塑包裝容器的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

目前包裝容器在總體的滾塑制品中所占比重為10%[1]，滾塑技術(shù)已經(jīng)成熟的應(yīng)用在生產(chǎn)包裝容器中。但是滾塑包裝容器在整體的塑料容器中所占的比重還比較低。其主要原因是滾塑加工技術(shù)相較于其他包裝容器主要用于大中型的形狀復(fù)雜的包裝容器中?，F(xiàn)在的滾塑工藝甚至可以完成注塑、吹塑、擠塑等工藝無法完成的包裝容器，容器的幾何尺寸已經(jīng)完全能做到從0.5L到50L。滾塑模具制造成本低，僅為注塑模具成本的1～3%[2]，且滾塑料可以實(shí)現(xiàn)多種、多層塑料共同滾塑。同時(shí)滾塑技術(shù)生產(chǎn)靈活，尤其適用于中小批量的中空包裝容器的生產(chǎn)。

在相較于普通的聚乙烯滾塑包裝容器，交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)使聚乙烯制品具有更突出的常溫沖擊性、低溫韌性、耐磨性、耐高溫蠕變性、耐腐蝕性、耐輻射老化性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性。內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)中，對(duì)交聯(lián)聚乙烯滾塑油箱和普通滾塑油箱進(jìn)行耐內(nèi)壓試驗(yàn)，交聯(lián)滾塑油箱試驗(yàn)壽命長(zhǎng)達(dá)3年，普通油箱僅4天就破壞失效[3]。14L的交聯(lián)聚乙烯儲(chǔ)罐在-25℃的條件下跌落6.1m還可以保持完整[4]。除此之外，交聯(lián)聚乙烯還具有記憶效應(yīng)，這一特性具有包裝領(lǐng)域的應(yīng)用前景，在包裝物體時(shí)，容器處于記憶狀態(tài)，取出物體后，回復(fù)到記憶前的折疊狀態(tài)，保證了包裝強(qiáng)度與整體性的同時(shí)又節(jié)省了空間。這些特性使得交聯(lián)聚乙烯包裝容器的應(yīng)用領(lǐng)域更加的廣泛，例如：燃油儲(chǔ)罐、化學(xué)藥品用包裝容器、核廢料容器、防摔運(yùn)輸包裝、軍用包裝箱等。

圖1 各類滾塑中空包裝容器

2.交聯(lián)聚乙烯包裝容器滾塑設(shè)備

滾塑設(shè)備包括模具機(jī)架、熱箱和冷箱三大部分。機(jī)架用于夾持模具和動(dòng)力的傳遞，熱箱用于加熱模具，冷箱用于冷卻模具。加熱方式與模具旋轉(zhuǎn)方式直接影響到滾塑包裝容器的品質(zhì)。加熱方式有直火加熱式、熱箱加熱式、夾套熱介質(zhì)加熱式、紅外加熱式、電加熱式等。選裝方式有單軸旋轉(zhuǎn)、雙軸旋轉(zhuǎn)和搖擺式等。

經(jīng)典的滾塑機(jī)有：搖擺式滾塑機(jī)、穿梭式滾塑機(jī)、蚌式滾塑機(jī)、轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)[5]。搖擺式滾塑機(jī)較為早期的滾塑設(shè)備，該設(shè)備一般多采用明火加熱，控溫能力差，但是設(shè)備成本低，在低端滾塑制品上仍有應(yīng)用，但并不適用于交聯(lián)聚乙烯中空容器滾塑。穿梭式滾塑機(jī)的特點(diǎn)一般有一個(gè)熱箱和兩個(gè)模具支架，兩個(gè)模具支架交替進(jìn)入熱箱，這有效的節(jié)約了設(shè)備成本，提高生產(chǎn)效率。蚌式滾塑機(jī)的特點(diǎn)是提供完整的雙軸旋轉(zhuǎn)和雙臂支撐，且熱箱也可以充當(dāng)冷箱使用。轉(zhuǎn)臂式滾塑機(jī)由多根在同一面的轉(zhuǎn)臂和各個(gè)工藝箱組成，運(yùn)作時(shí)轉(zhuǎn)臂平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，每個(gè)轉(zhuǎn)臂依次循環(huán)經(jīng)過不同的工藝箱，完成不同的工藝步驟。該設(shè)備的特點(diǎn)是效率高，但是設(shè)備成本一樣高且維護(hù)復(fù)雜。

交聯(lián)聚乙烯中空容器的滾塑相對(duì)于普通滾塑技術(shù)對(duì)工藝過程有更高的控制要求。而滾塑工藝的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、能耗高也阻礙滾塑容器進(jìn)一步應(yīng)用。所以近年來，精準(zhǔn)控制、自動(dòng)化、高效率、低能耗成為了滾塑設(shè)備的發(fā)展方向。隨著新技術(shù)、新設(shè)備的不斷發(fā)展，交聯(lián)聚乙烯滾塑中空容器也將進(jìn)一步發(fā)展。

圖2 各類滾塑設(shè)備

3.交聯(lián)聚乙烯包裝容器滾塑工藝

聚乙烯主要交聯(lián)方法有3種方法：一是熱熔法交聯(lián)；二是硅烷熱水法交聯(lián)；三是輻射交聯(lián)。輻射交聯(lián)成本高，輻射穿透厚度有限，操作復(fù)雜。硅烷熱水法交聯(lián)雖然投資少，但易混入雜質(zhì)，多用于低壓電纜的制造，而且硅烷接枝PE料的保質(zhì)期短，因此僅適合于小規(guī)模生產(chǎn)。熱熔法交聯(lián)加工操作簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，制品具有較高的交聯(lián)度和較好的使用性能，且PE料保質(zhì)期較長(zhǎng)，適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

過氧化物交聯(lián)是通過過氧化物高溫分解而引發(fā)自由基反應(yīng)，再有自由基引發(fā)烷基形成C-C鍵交聯(lián)，形成網(wǎng)狀聚乙烯分子結(jié)構(gòu)，其反應(yīng)如下：

交聯(lián)反應(yīng)在材料的熔點(diǎn)以上發(fā)生，交聯(lián)網(wǎng)格的產(chǎn)生限制了分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使分子鏈的規(guī)整排列變得困難，這對(duì)聚乙烯的結(jié)晶行為造成了影響，最終形成的晶體完整度下降，同時(shí)材料的密度下降，高密度聚乙烯經(jīng)過交聯(lián)后的密度可下降至0.935～0.940g/cm3。制品的力學(xué)性能發(fā)生改變，模量下降，沖擊強(qiáng)度上升，拉伸長(zhǎng)度上升。

在成型方面，交聯(lián)滾塑工藝對(duì)熱過程有較高的要求，滾塑時(shí)間太短，熔融、消泡、交聯(lián)不足，滾塑時(shí)間過長(zhǎng)則有可能使制品表面氧化、老化。有滾塑成型理論將加熱過程分為預(yù)熱區(qū)、熔化區(qū)和消泡區(qū)三個(gè)加熱過程[6]。預(yù)熱區(qū)是模具和樹脂被加熱到樹脂熔點(diǎn)的過程，融化區(qū)是粉料熔融并流動(dòng)于模具中的過程，消泡區(qū)是融體內(nèi)氣泡排出的過程。相較于普通的滾塑過程，交聯(lián)聚乙烯滾塑的關(guān)鍵在于設(shè)定合理的加熱時(shí)間和加熱溫度，在聚乙烯發(fā)生交聯(lián)前保證融體的均勻流動(dòng)和完成消泡。在王曉樂等[7]的研究中指出，滾塑成型加熱階段存在時(shí)溫等效性，加熱溫度升高10℃與加熱時(shí)間延長(zhǎng)1min產(chǎn)生的效果幾乎相同。但是交聯(lián)溫度過高又會(huì)導(dǎo)致提前交聯(lián)，融體流動(dòng)不均勻，制品厚度不均，內(nèi)表面還可能發(fā)生氧化；而滾塑溫度過低，融體流動(dòng)性差，加熱時(shí)間長(zhǎng)，交聯(lián)不充分。

氣泡是滾塑包裝容器的典型缺陷，交聯(lián)聚乙烯滾塑也不例外?？s短消泡時(shí)間可以降低能耗，提高加工效率，同時(shí)還可以更好的控制滾塑制品的質(zhì)量。浙江瑞堂塑料科技有限公司的研究[8]指出，加工溫度是影響滾塑制品表面氣孔的顯著因素。除了控制加工溫度外，在滾塑原料中加入成核劑、潤(rùn)滑劑、吸氣性粉末也可以起到提高排氣速率降低氣泡尺寸的作用[9]。

交聯(lián)滾塑包裝容器往往有顯著的翹曲現(xiàn)象，翹曲的主要原因是加熱與冷卻過程中制品內(nèi)外表面的受熱與散熱不同引起的。溫原[10]的研究也得出了相同的觀點(diǎn)。因此，保持冷卻過程中滾塑制品內(nèi)外表面的冷卻的同步性，再根據(jù)模具外形采取局部冷卻、局部再加熱等手段是緩解翹曲的有效途徑。在實(shí)際應(yīng)用上，“MPG”裝置可以控制模腔內(nèi)的空氣流動(dòng)并保持壓力，較好的緩解了翹曲現(xiàn)象。

結(jié)束語

隨著滾塑行業(yè)的不斷壯大，交聯(lián)聚乙烯滾塑技術(shù)也日臻成熟，同時(shí)國(guó)內(nèi)外技術(shù)差距也在不斷減小。滾塑交聯(lián)聚乙烯容器相較于注塑、吹塑以及普通聚乙烯滾塑容器具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。而交聯(lián)聚乙烯滾塑包裝容器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的應(yīng)用范圍和規(guī)模還較小，有很大的發(fā)展?jié)摿?。滾塑包裝容器市場(chǎng)還需要不斷的拓展，交聯(lián)聚乙烯滾塑包裝容器還需要通過更多的實(shí)際應(yīng)用以獲得市場(chǎng)的肯定。同時(shí)滾塑行業(yè)也需要不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本。包裝行業(yè)對(duì)包裝要求的不斷提高也為對(duì)滾塑行業(yè)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。