滚塑成型工艺进展

1、誓。中国国际滚塑论坛论文集司滚塑成型工艺进展程志凌（中国石化齐鲁股份有限公司树脂研究所）滚塑工艺简介滚塑又称旋转成型或回转成型，是一种已有较长历史的塑料成型技术。滚塑工艺源于英国，年第一项滚塑专利问世，年制造出第一台商用滚塑机。年代在欧洲得到很大发展，以后逐步传人美国、日本等地。开始它只是注塑、吹塑的一个补充。随着聚乙烯粉末化技术的成熟，日益成为粉末塑料成型工艺中极具竞争力的成型方法。从此以后，滚塑工艺在全世界不断发展。近年来，在北美、欧洲发达国家，滚塑行业的发展很快，其发展速度高于整个塑料行业的平均发展速度。整个滚塑行业的发展也比较完善，除了滚塑机制造厂和滚担制品生产厂外，还有相当数量的其它

2、专业辅助厂，如滚塑模具制造厂、脱模剂生产厂、滚塑专用颜料及复合颜料生产厂、研磨机制造厂、嵌件制造厂以及适合于滚塑的混料设备制造厂，还有众多的滚塑专用原料供应厂等等。发达国家制造的滚塑设备也越来越精良，不断向着自动化控制水平越来越高的方向发展。目前用滚塑设备不仅可生产结构简单、单层的小制品。而且还可生产结构复杂、多层、大型和超大型制品。滚塑可生产各种容器类制品（化学品贮罐、厂内及厂外运输罐、化学反应器、地下污水罐、地上及地下储油罐、食品用罐等其它类似形状的制品），也可生产汽车用品（油箱、保险杠、仪表杠、空气歧管、车身等）、飞机配件（波音客机上使用了数百个滚塑件）、军工用品（战车油箱、导弹外护壳、

3、靶船等）、船类（游艇、小舢板、深海网浮、水上导航灯），除此以外，还有一些机器外壳、交通路障、人体代用器官等等。滚塑制品颜色也多种多样，非常美观。滚塑工业的迅速发展是和该工艺特点分不开的，采用滚塑工艺的主要优点如下：（）设计灵活。与其它塑料成型工艺比较，滚塑成型可以提供壁厚均一的制品。可以成型双壁结构。滚塑制品的外角较厚，可以增强制品。设计者可以比较容易的添加模内插件、加强筋、凹槽等。图滚塑成型与吹塑成形成本比较中国滚塑网（）节约成本。滚塑是一种低压成型过程，主要生产外形固定的薄壁中空制件，因此与其它工艺相比，在模具投资上要低很多。如图所示，在生产制品数量低于个的情况下，滚塑成型的投资要比吹塑成

4、型低很多。尤其是在生产数量少于个的情况下。每个制品的制造成本可以节约到美元。（）壁厚一致性。制品壁厚变化量可以维持在，其公差比吹塑工艺要严格得多。滚塑制品的外角要厚一些，可以增加制品的强度。而吹塑工艺或其他热成型工艺中，外角往往较薄。滚塑工艺可以制造壁厚在到范围内的制品。（）经济性。滚塑工艺采用塑料做原料，因此要比金属制品便宜得多。同时还可将大量组和零件集中到单个塑料制品中，可节约大量组装时间和成本。（）无应力、低压工艺。滚塑成型是一种低压工艺，对模具强度的要求较低。因此机器设备和模具费用低。与其它高压工艺相比，低压过程可以让制品内部应力较小。这对于生产大型的、承压制品比较重要。（）较短的制造

5、周期。滚塑工艺从设计到开始生产需要花费大约个月的时间，而注塑或吹塑工艺至少要花费个月的时间。因此采用滚塑工艺可以提高产品上市速度，并且与其它工艺相比更经济。聚乙烯滚塑工艺的彤响因素【目前滚塑原料主要是聚乙烯，因此对聚乙烯滚塑工艺的影响因素做一下简单总结。基础树脂性能的影响表征聚乙烯树脂性能的重要指标有熔体质量流动速率以及密度。随着熔体质量流动速率的降低，树脂的低温冲击性能、耐环境应力开裂性能、拉伸强度、耐蠕变性能得到改善，熔体粘度增加，从而使加工性能变差。随着树脂密度的增加，树脂的屈服应力、软化温度、耐磨性能、耐蠕变性能以及硬度都能增大，但是低温冲击性能、耐环境应力开裂性能下降。粉末特点的影响

6、滚塑工艺要求树脂必须研磨成粉末后才能使用。树脂粉末的大小、形状及均匀性都能影响制品的质量。理想的聚乙烯粉末应该是光滑的立方体，边角应有较大的曲率半径，并且粒子尺寸分布要窄。有这种特点的粉末能充满模具的各个角落，可以用最少的时间和热量成型。滚塑粉末的性质可以采用测试粒子尺寸分布、堆积密度、干粉流动性来确定。聚乙烯粉末粒子尺寸的分布以及总体粒子尺寸的大小与研磨速度、喂料速度、研磨温度、切刀尺寸以及间距等有关，粒子尺寸可用过筛的方法测试。采用较粗的粒子（大于目）可能会节约研磨环节的费用，但是在成型过程中就需要额外的热量和更长的成型时间，这会导致树脂氧化降解以及制品机械性能的下降。粒子尺寸分布也能影响

7、粉末的流动和熔接。虽然控制粒子尺寸分布比较困难，但是研磨过程中还是要控制较粗和较细部分的含量。粉末过细部分指的是可以通过目筛子的树脂，较粗的部分是指不通过目筛子的树脂。过细的部分如果超过，就可能会导致树脂在熔接过程中结块，不易掭满角落部分。堆积密度及干粉流动性指标，可以表征树脂在模具中流动和填充性能。这两个指标主要受两个因素影响一粒子形状及粒子尺寸分布。研磨过程控制不好会形成丝状或尾状树脂，不规则形状的粒子加上大量过细的粒子会导致树脂堆积密度降低，干粉流动性下降。这样的树脂会导致制品内表面不平整，在尖锐的边角产生架桥。为了得到壁厚均匀的制品，应该使用密实、可以自由流动、尽可能不带尾丝并且过细粉

8、末含量不超过的粉末树脂。粒子尺寸以及分布可以采用进行检测，允许粉末通过的最小筛子尺寸即为粒子尺寸。将每层筛子上粉末残余量做图就可得到粒子尺寸分布。公司有自动筛分设备出售，使用自动设备可以提高检测结果的精确度和再现性。堆积密度可按进行检测，通过测量给定体积树脂的重量得到堆积密度。堆积密度低意味着粒子尺寸分布较差或存在带尾丝的粒子。典型的堆积密度应在。干粉流动性可按检测，通过测量粉末在无外力帮助下通过规定尺寸漏斗的时问确定。干粉流动时间应该小于秒。加工变量的影响滚塑是一个不稳定传热过程。粉末、熔融树脂以及模具的温度在整个过程中一直处于升高或降低的状态，没有达到平衡的阶段。加热过程中传热的均匀性影响

9、制品的壁厚，冷却的均匀性可以防止不均匀的收缩和翘曲。最佳的滚塑条件取决于很多相互关联的因素。中国滚塑网炉内停留时间炉内停留时间包括两部分，模具和粉末升温到树脂熔点（大约在。）的这一段时间称之为“引发时间”，这时树脂不发生熔接；此后到树脂完全熔接所需时间称为“熔接时问”。炉内停留时间是滚塑工艺中操作时间最长的一部分。它的长短取决于许多相关联的因素。在每一阶段各因素的大致影响程度见表。表影响程度炉内停留时间中各加工变量的影响熔接时间制品壁厚炉温引发时间传热介质主要炉温树脂熔点加热介质的速度次要加热介质的速度传热介质模具表面积和体积之比模具传热能力粒子尺寸模具表面积和体积之比模具传热能力模具中树脂的

10、重量粒子尺寸较小传热介质引发时间的长短主要取决于向模具的热传导率，因此传热介质对该阶段影响较大。但是传热介质对熔接时间的长短影响较小。常用的加热方式有热空气加热或直火加热。这两种方式各有优点。热空气加热方式清洁安全，适合用于薄壁模具。直火加热适合于制作大型、形状简单的制品，由于缺少控制手段，可能会导致制品厚薄不均，并且加工条件再现性差。炉温炉温对两个阶段都有较大影响。一般热空气加热方式的操作温度范围在。炉温升高可以缩短成型时间，提高产率。但是并不是成型时间越短越好。成型时间越短，模具和设备的维护成本越高，同时在熔接完成之前树脂可能会发生氧化降解，这会使制品变黄或内表面不平、有酸味。制品的物理性

11、能如低温冲击性能、应力开裂性能以及使用寿命都会受到不利影响。传热介质速度一般传热介质的速度在选定设备型号时就已经决定了，应该不是一个变量。但是它可以通过放大炉温的影响程度间接影响引发时间。在其它条件都相同的情况下，采用热空气加热的两个设备由于采用不同速度，引发时间之比可达：。传热介质的速度对熔接时问影响较小，尤其是在高炉温情况它的影响被炉温的影响所掩盖。模具表而积和体积之比模具表面积和体积之比是由制品的尺寸与形状决定的。在设计新制品时必须考虑这个比例因为它会影响炉内停留时间。一般而言，表面积和体积之比增加可以缩短引发时间和熔接时间。在高炉温情况下或表面积和体积之比在到之间时，它的影响程度下降。

12、一般对于较大制品，表面积和体积之比在到：比较合适。制品壁厚制品壁厚是决定熔接时间的主要因素。在其它因素一定的情况下，壁厚增加一倍。熔接时间也增加一倍。模具传热能力模具的传热能力对引发时间影响较大。从模具到树脂的传热比率是确定加热周期的决定因素。因此模具必须是热的良导体。模具的传热能力对熔接时问影响较小。一旦树脂熔融在模具内表面模具温度随后就不再需要升高很多了。粒子尺寸粒子尺寸对熔接时间的影响与树脂的熔体流动行为有关，因此较难预测。随着粒子尺寸增加，要得到平滑的内表面就需要更多时间。此外大粒子需要更多的热量进行熔融和熔接。，最佳停留时问的确定中国滚塑网停留时间的确定要经过反复试验。测试各种成型时

13、间下制品的性能加上目测，可以确定最佳停留时间。最实用的测试包括检测制品的低温冲击性能和目测。处理恰当的制品应该具有较好的低温冲击强度以及应力开裂性能。制品应该充满模具。内表面平整且与外表面颜色一致。不同处理时间的目测现象及结果见表。表样品处理时间过短滚塑样品的目测现象及结果结果目测检查现象内表面非常不平，有很多气泡内表面光滑，内表面有少量气泡集中出现。内表面光滑，无刺鼻气味，很少有气泡。有刺鼻酸味，内表面有光泽，受热时有些粘，可能有不易觉察的变色。内表面变色，冲击性能、应力开裂性能、拉伸性能差。可以达到以上的最佳物理性能。处理时间稍短处理时间合适处理时间稍长处理时间过长可达到最佳物理性能。低温

14、冲击性能、应力开裂性能下降，耐候性能略有下降。有刺鼻酸味，内表面极有光泽，受热时发粘。低温冲击性能大幅度下降。冷却时间冷却时间可以控制制品的收缩或翘曲，改善制品物理性能。风冷和水冷结合或空气夹带水珠的冷却方式可以改善制品、尤其是高密度聚乙烯制品的尺寸稳定性及物理性能。迅速冷却可以降低树脂的结晶度，这会降低制品密度，降低弯曲性能和拉伸性能。如果冷却过快，制品的一部分与模具内壁过早分离，从而使整个制品的冷却速率不一致，导致制品翘曲，物理性能下降。慢速冷却可以提高树脂结晶度。这会提高制品密度，提高弯曲性能和拉伸性能。但是，这可能会使制品变脆。旋转速度和速比滚塑不是一个离心浇铸过程。模具的各个表面在安

15、装时通常与旋转中心不等距。主轴和辅轴的转速都很慢，一般不超过，以防止产生离心力使熔融树脂过多流入边角，引起壁厚的较大变化。速比取决于模具形状以及模具的安装方式。如果模具的最长部分与主轴平行，那么主辅轴的速比在：时就可以成功进行大部分通常形状的制品的生产。如果模具的最长部分与主轴垂直，那么速比就正好相反，一般在：。生产不规则形状制品的速比可在：到：之间。最佳速比要通过试验和经验确定。滚塑原料的新进展在年，还没有适合滚塑成型的塑料原料，所幸的是，橡胶工业发现了这项技术的用途，并在塑料工业还在试图开发某种适用树脂时，逐步发展完善了这项技术。联合碳化物公司于年推出了液态聚氯乙烯（增塑糊），给塑料工业提

16、供了第一种非常适台于滚塑成型加工的大宗材料。在当今的滚塑成型生产中，增塑糊仍然是用量仅次于聚乙烯的原料。能用于滚塑成型的聚乙烯细粉是在年由美国化学品（公司（现在的石化公司）开发的。聚乙烯正是一种滚塑加工业所一直期待的材料。它易于加工、耐长期循环加热，而且成本低、耐化学品范围广，非常适合于滚塑成型工艺。这些综合优点使滚塑加工业的最大需求过去是、将来依然是储存与运输容器、罐槽。从那时起，滚塑加工业经历了一个稳定的增长阶段。目前，滚塑工艺使用的原料已经多样化，包括聚氯乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、交联聚乙烯、聚丙烯、茂金属聚乙烯、液态尼龙、粉末尼龙、尼龙、尼龙等等

17、。同时，各国滚塑行业还不断在传统原料中添加不同助剂，以获得所需要的制品性能。在传统原料中添加助剂众所周知，在塑料的高压成型过程中，原料中添加玻纤、滑石粉、碳酸钙等，可以增加制品的硬度。但是在滚塑工艺中，如果采用传统的增强填料。在成型过程中，随着模具内粉末树脂的转动，填料会与树脂分层，从而达不到预期的要求，同时还会导致制品表面粗糙。等考察了云母在滚塑聚乙烯中的应用，试验采用的高密度聚乙烯树脂作为偶联剂，在滚塑树脂中添加不同比例的云母，使用单螺杆造粒后再研磨成粉末。试验结果表明随着云母添加量的增加，制品成型周期缩短，这是由于被云母增强的导热性和刚性增大改善了加热炉向模具内的传热速率。云中国滚塑网母

18、添加量在时，制品收缩率可以降低，这是由于云母增加了复合物的硬度并降低了它的热膨胀系数。但是添加量超过后，收缩率反而开始增加，但仍然小于纯聚乙烯的收缩率。随着云母添加量的增加，制品的硬度和强度增大，但拉伸强度、冲击性能下降。在滚塑过程中引入压力可改进拉伸强度。目前，国外有人采用聚合物和纳米粘土复合物作为滚塑工艺的增强剂，已经在实验室获得了一定的进展【】。聚合物一粘土纳米复合物有望成为滚塑工艺的新成员。此外，有人还尝试在聚乙烯的滚塑工艺中采用了木粉作为填充剂”】。聚丙烯聚丙烯有聚乙烯难以比拟的优点。比如聚丙烯的热变形温度要比聚乙烯高因此，聚丙烯制品可以在蒸汽灭菌、高压灭菌的场合使用。虽然聚丙烯已经

19、用于多种加工工艺，但传统的滚塑工艺中不使用聚丙烯，这是由于大多数聚丙烯与线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯相比冲击性能差，加工过程不易控制造成的。随着技术的进步，新型催化剂的出现，出现了适合于滚塑工艺的抗冲聚丙烯共聚物。推出的滚塑用聚丙烯牌号为。这种聚丙烯熔体质量流动速率在。根据经验，滚塑用聚丙烯的熔体质量流动速率应该大于，这是由滚塑工艺的特点决定的。滚塑是一个低剪切过程，因此树脂的低剪切速率下的粘度决定了滚塑过程中树脂熔体的流动方式以及制品的表面性能。一是在聚合过程中采用了气相反应器，在微相结构中引入了乙一丙橡胶结构，因此在保持刚韧平衡的同时，加工性能也较好，所得制品内外表面光滑，耐环境应力开裂

20、性能较好，同时又比聚乙烯耐腐蚀，因此适合用于盛放润滑油、柴油、酒精、酸等。影响一的加工条件主要有模具的设计、滚塑设备的型号以及制品的尺寸。该树脂的推荐加工温度在。，循环时间为分钟。茂金属催化剂聚烯烃滚塑市场发展极为迅速，为了满足市场需要，国外公司开发出了茂金属催化剂生产的新一代聚乙烯滚塑树脂。茂金属催化剂合成的乙烯和一烯烃共聚物具有组成均一、分子量分布极窄的特点。与传统聚乙烯相比，它具有如下特点：（）机械性能更好，尤其是抗冲击性能和耐环境应力开裂性能好；（）流动性能好，加工效率高；（）树脂只需简单处理，因此减少了生产的复杂性；（）可以用更少的树脂生产出合格制品，从而节约原料；（）表面更好；（）

21、制品壁内气泡更少，从而使制品性能更好。目前北欧化工公司的系列树脂是茂金属催化剂生产的线性聚乙烯树脂，包括本色、黑色的粒料或粉料。该系列树脂的熔体质量流动速率为，基础树脂的密度为，适合于做厚壁容器、埋地部件、储油罐、水罐等等。化学公司也有用于滚塑的茂金属催化剂聚烯烃（），牌号为，适合于制作高弹性路障或玩具。公司利用提供的茂金属技术生产出了性能良好的可交联滚塑用树脂。由于茂金属催化剂具有单反应活性中心，使得产品的分子量均一性比传统催化剂要高很多，这改善了树脂的加工性和交联能力。公司就传统齐格勒催化剂和茂金属催化剂生产可交联滚塑用树脂进行了多次对比试验。试验结果表明茂金属树脂具有如下优势】：（）茂金

22、属催化剂产品凝胶形成早而且凝胶率高。凝胶形成速度快使得滚塑过程中制品的柔性增加。（）在发生交联化学反应的过程中会有废气生成。茂金属树脂加工过程中废气生成量可减少左右。此外由于废气减少使得制品气泡减少，尤其是制品内表面和合模线部分。（）茂金属树脂产品冲击强度大。加工过程中受热时间增加不会对制品冲击性能造成破坏。这与传统有显著不同。“准用传统齐格勒催化剂树脂时，残留的催化剂会导致制品颜色变化。茂金属催化荆树脂中催化剂残余量很少，因此树脂具有更好的颜色。滚塑工艺进展工艺中国滚塑网同。移年月，北美最大的滚塑厂家公司宣布，该公司将投资，美元兴建一条新的高科技滚塑生产线以及相关的配套实验室。这项新技术被称

23、之为“滚塑阴离子聚合”（）。该技术将提供更为有效的方式进行尼龙的滚塑成型，可以将较低成本的原材料与较快的生产过程结合，制品要比不锈钢制品廉价的多。工艺是将含有催化剂及触媒的液态己内酰胺注入铝模中，模具在炉内连续旋转，模内发生化学反应将原料变为尼龙。这种工艺比熔融尼龙树脂粉末要快得多。此外，采用液态原料还能增加设计的灵活性。这种工艺的制品可以生产汽车油箱。模内图形成型技术国外厂家采用模内图形成型技术（），在生产过程中直接在制品相应的部位形成商标、数字代码、标识语以及其他装饰图形。采用这项技术后，制品图形部分不脱落、耐刮擦、不易褪色，可增加制品寿命。图产品示例一步法生产发泡滚塑制品将树脂经过材料以

24、及粒子尺寸的设计，造成混合物的每种组分的熔融行为都有所不同，从而实现用一步法，将多种树脂滚塑形成外层是坚硬皮层、内部是发泡聚乙烯的结构。有资料报道，虽然滚塑过程中皮层、发泡层在任何旋转速度下都会出现。但是制品的质量还是和工艺有极大的关系，其中最重要的影响因素有摇臂速度。随着摇臂速度的增加，原料和模壁接触的时间缩短。与发泡树脂相比，皮层树脂需要较少的热量就可以熔融。因此与模壁接触的时间缩短后皮层树脂也可以熔融，这就使得发泡树脂更多进入制品的中心部位，随后熔融发泡。此外，改善模具设计也可以提高制品质量。增加边角曲率半径可以防止发泡树脂进入皮层。球面较多的制品可以在较低的旋转速度下成型。另外，较低温度、较长的成型时间可以减缓熔融过程，增加树脂的分离程度。成型时间的增加可以使皮层树脂在发泡树脂固定之前得到充分熔融。大型管材及容器的防腐衬里采用滚塑工艺为小型金属容器和管材内衬聚合物的方法已被普遍采用。现在国外已经可以通过滚塑，在直径，长的多孔管件内部衬一层厚的交联聚乙烯（如图），这大概需要使用的聚合物。图内衬聚乙烯的大型管材中国滚塑网国内情况滚塑工艺是从上个世纪年代开始引入我国的，主要制品包括空心球、交通标志、大型储罐、儿童玩具及教具、防腐衬里等等。最近又有厂家开发了滚塑成型的全塑组合式离子交换柱