郑州大学：塑料成型工艺学 郑国强(模具方向)――第七章 中空成型

第七章中空成型7.1概述7.2中空吹塑装备7.3挤出吹塑工艺过程及控制因素7.4注射吹塑7.5拉伸吹塑7.6多层吹塑7.7大型中空吹塑中空吹塑产品7.1概述成型过程：中空吹塑是将挤出或注射成型所得的管坯置于模具中，在管坯中通入压缩空气将其吹胀，使之紧贴于模腔壁上，再经冷却脱模得到中空制品的成型方法。它主要借鉴历史悠久的玻璃容器的吹制工艺。分类：◆根据管坯成型方法不同分类：–挤出吹塑：生产方法简单，产量高，精度低，应用较多–注射吹塑：精度高，质量好，价高，适于大批量生产◆根据成型工艺不同分类：–普通吹塑–拉伸吹塑：产品经拉伸，强度高，气密性好•挤出—拉伸—吹塑(简称挤—拉—吹)•注射—拉伸—吹塑(简称注—拉—吹)◆根据管坯层数不同分类：–单层吹塑–多层吹塑：综合性能好，生产复杂，适于包装要求高的产品包装。应用：吹塑成型方法可生产瓶、壶、桶等各种包装容器，包括办公用品、文化娱乐用品、汽车工业用零件、日常用品和儿童玩具等。—用于中空吹塑的塑料品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、线形聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、醋酸纤维素和聚缩醛树脂等。—其中高密度聚乙烯的消耗量占首位。它广泛应用于食品、化工和处理液体的包装。高分子量聚乙烯适用于制造大型燃料罐和桶等。—聚氯乙烯因为有较好的透明度和气密性，所以在化妆品和洗涤剂的包装方面得到普遍应用。随着无毒聚氯乙烯树脂和助剂的开发，以及拉伸吹塑技术的发展，聚氯乙烯容器在食品包装方面的用量迅速增加，并且已经开始用于啤酒和其它含有二氧化碳气体饮料的包装。—线形聚酯材料是近几年进入中空吹塑领域的新型材料。由于其制品具有光泽的外观、优良的透明性、较高的力学强度和容器内物品保存性较好，废弃物焚烧处理时不污染环境等方面的优点，所以在包装瓶方面发展很快，尤其在耐压塑料食品容器方面的使用最为广泛。—聚丙烯由于其气密性、耐冲击强度差早期应用不广，因树脂的改性和加工技术的进步，如双轴拉伸吹塑工艺出现后，使用量也逐年增加。中空吹塑所使用的材料：产品特点举例7.2中空吹塑设备型坯挤出有连续和间歇（断）两种，前者是连续挤出预定长度的型坯，被移动的模具接纳，并在机头处切断，送至吹塑工位，后者是指挤出预定长度的型坯后，挤出机停止转动和出料，待型坯吹胀定型后再启动挤出机开始下一个操作。吹塑挤出机：—具有连续调速的驱动装置，保证在稳定的速率下挤出型坯—适宜的螺杆长径比，保证物料塑化良好、温度均匀—保证型坯能在较低温度下挤出，以避免重力下垂所导致的壁厚不均匀◆机头包括多孔板、滤网连接管与型芯组件等，对机头的要求是：流道呈流线型，表面具有较高的光洁度，无阻滞部位，以防止流动不畅而产生分解老化。◆吹塑机头一般分为如下几种：—转角机头—直通式机头—带储料缸式机头(主要生产大型吹塑制品)机头和口模：型坯进入模具型腔后，吹胀装置将管状型坯吹胀成型腔所具有的精确形状，进而冷却、定型、脱模并取出制品，吹胀系统包括吹气机构、模具及其冷却系统、排气系统等部分。◆吹气机构—针吹法●优点：适于不切断型坯连续生产的小型吹塑成型制品●缺点：制品需要修饰加工—顶吹法●优点：直接利用型芯作为吹气芯轴经芯轴进入型坯，简化了吹气机构●缺点：制品需要修饰加工，不能确定内径和长度，气体从机头经过影响机头温度控制—底吹法●优点：制备大型容器、开口多或具有异形的容器●缺点：吹气位置在温度较低的底部，容易导致吹胀不充分吹胀装置◆模具的材质—铝、铜●主要利用其良好的导热性能以及易机械加工性（如雕刻花纹）—钢●用来吹塑硬度较大的塑料，表面抛光镀铬◆模具的冷却系统—其要求和注射模塑类似◆模具的排气系统—其要求和注射模塑类似，但其排气孔尺寸一般较大吹塑模具7.2挤出吹塑工艺–由挤出装置挤出半熔融状管坯；–当型坯到达一定长度时，模具移到机头下方闭合，抱住管坯，切刀将管坯割断；–型坯头部成型定径；–模具移到吹塑工位，吹气杆进入模具吹气，使型坯紧贴模具内壁而冷却定型；–打开模具，取出制品。◆原料的选择首先要求原料的加工性能必须符合吹塑工艺的要求；其次原料的性能满足制品的使用要求，尤其是气密性和耐冲击性。如：高密度聚乙烯取0.94-0.96克／10min熔体指数范围。低熔体指数树脂吹塑时有利于防止型坯下垂，容易得到壁厚均匀的管坯。但是螺杆转速增高时，低熔体指数的树脂外观粗糙。因此对于上述熔体指数范围的选用，大中型吹塑制品以防止型坯下垂为主，宜偏低一些，分子量大的；小型吹塑制品选偏高一些，分子量小的。◆温度的控制在挤出管坯过程中温度控制的精确度对于管坯质量影响很大。例如温度过低型坯表面粗糙，温度高表面光泽好，但下垂严重。在挤出聚氯乙烯等容易热降解的树脂时，还要注意控制温度使其不超过降解温度。管坯制造过程中的影响因素◆螺杆转速对挤出管坯的影响螺杆转速是影响管坯质量的一个重要因素。高的挤出速度能够提高产量，减少型坯下垂，但是型坯表面质量下降。尤其是剪切速率增大造成某些塑料，如高密度聚乙烯，可能出现熔体破裂现象。而且转速提高时大量摩擦热的产生使聚氯乙烯等塑料有瞬间降解的危险。所以一股吹塑机都选用大一点的挤出装置，使螺杆转速在70转／分以下。◆口模对挤出管坯的影响口模是决定型坯尺寸及形状的重要装置，所以要求内表面光洁度应达到10且尺寸必须按设计要求加工。口模定型段尺寸一般可选用8倍口模芯棒之间隙数值。◆吹气压力吹塑中，压缩空气有两个作用，一是使管坯胀大而紧贴模腔壁，形成需要的形状；二是起冷却作用。根据塑料品种和型坯温度的不同，空气压力也不一样，一般控制在0.2-0.7兆帕之间，最适宜的是能使制品在成型后外形、花纹等表露清晰的压力。—对于粘度较低、容易变形的取较低值—对于粘度和模量较高的塑料取较高值—大容积和薄壁制品宜用较高压力—小容积和厚壁制品则使用较低压力◆充气速度为了缩短吹气时间，以利于制品获得较均匀的厚度和较好的表面，充气速度(单位时间内流过的空气体积)要尽可能大一些．但也不宜过大，否则会给制品带来不良影响，一是会在空气进口处造成真空，使这部分的型坯内陷，而当型坯完全吹胀时，内陷部分会形成横隔膜片；其次是口模部分的型坯有可能被极快的气流拉断，造成废品．为此需要加大吹管口径或适当降低充气速度。◆吹胀比通常把制品的尺寸与型坯尺寸之比称为吹胀比。当型坯的尺寸和重量一定时，制品的尺寸越大，型坯的吹胀比也越大。根据塑料的品种、性质、制品的形状和尺寸以及型坯的尺寸等来决定吹胀比的大小。通常把吹胀比控制在2、4倍。◆成型周期吹塑的周期包括挤出型坯、截取型坯．合模、吹气、冷却、放气、开横、取出制品(其后的修整，配套，包装另计)等过程。◆模温和冷却时间为保证制品质量，模具的温度应分布均匀，模温一般保持在20-50℃。模温过低，会使夹口处塑料的延伸性降低，不易吹胀，并使制品在此部分加厚，同时使成型困难，制品的轮廓和花纹等也不清晰。模温过高，冷却时间延长，生产周期加长。制品脱模变形，收缩增大。模温的高低取决于塑料的品种，当塑料的玻璃化温度较高时，可以采用较高的模温；反之，则尽可能降低模温。通常随着制品壁厚的增加，冷却时间延长。有时除对模具进行冷却外，还可对成型制品进行内部冷却，即向制品内部通入各种冷却介质(如液氮、二氧化碳等)进行直接冷却。7.3注射吹塑工艺◆工艺过程注射吹塑一般是两步成型法,即注射型坯和吹塑(见图7-14)◆工艺特点适宜生产批量大精密容器,广口容器—制品的壁厚均匀一致,不需要后期加工修饰;—制品无熔接线,废料少;—必须使用两副模具,成本加大;—不适于制造大容量和带把手的制品;◆芯棒和模具设计要求芯棒主要有注射成型型坯时充当阳模,把型坯运送至吹塑模具中去,并充当高压气体和控温介质的通道的功能。所以要求芯棒具有较高的表面精度,硬度高,刚度大,韧性好,耐腐蚀。吹塑模具是容器成型的关键装置，直接呈现制品的形状。模体材料一般选用耐腐蚀的碳素工具钢和普通合金刚制造。◆管坯温度与吹塑温度注射型坯时，管坯温度是关键，温度太高，熔料粘度低易变形，使管坯在转移中出现厚度不均，影响吹塑制品质量;温度太低，制品内常带有较多的内应力，使用中易发生变形及应力破裂。为能按要求选择模温，常配置模具油温调节器，由精度较高的数字温控仪控制。◆注射吹塑的树脂适合注射吹模的树脂应具有较高的分子量和熔融粘度，而且熔体粘度受剪切速率及加工温度的影响较小，制品具有较好的冲击韧性，有合适的熔体延伸性能，以保证制品所有棱角都能均匀地呈现吹塑模腔的轮廓，不会出现壁厚明显偏薄薄厚不均。7.4拉伸吹塑◆拉伸吹塑是经双轴拉伸的一种吹塑成型方法。其料坯一般通过挤出或注射的方法来制得，将料坯处理至适宜拉伸的温度，经内部（芯棒）或外部（拉伸夹具）机械力进行纵向拉伸，同时或延迟一段时间后进行压缩空气吹胀而实现横向拉伸。◆拉伸的目的是实现物理性能的改善。—对于非晶材料，拉伸应在其热弹性范围内进行；—对于热塑性结晶材料，拉伸应在低于结晶熔点较窄的范围内进行，同时还要考虑到晶体成核和生长速率，有的甚至要加入成核剂来强化其成核速率；—为保证分子链的拉伸定向在吹胀前不会松弛，要保持一定的拉伸速率。◆拉伸—吹塑有热型坯法和冷型坯法，又称一步法和两步法。前者具有生产过程连续进行，自动化程度高，节省能量的优点，后者具有比较容易达到高产量的优点。拉伸吹塑工艺包括如下几种：注射型坯定向拉伸吹塑、挤出型坯定向拉伸吹塑、多层定向拉伸吹塑等。—注射型坯定向拉伸吹塑注射有底的型坯，连续地输送至加热炉使其加热到拉伸温度，然后纳入吹塑模中经芯棒轴向拉伸后再由压缩气体吹胀成型；其成型示意图如下：1一注射型坯，2一型坯加热，3一拉伸，4一吹塑；5一脱模—挤出型坯定向拉伸吹塑一种方法是将塑料挤成管材，并切成一定的长度做为冷坯，然后输送至加热装置加热至拉伸温度后,使型坯的一段形成瓶颈，在轴向拉伸100－200％后再吹胀；另外一种方法是把加热后的型坯一边在拉伸装置中轴向拉伸，一边送往吹塑模具中，然后吹胀成型。◆拉伸吹塑用的树脂及其成型特点适合拉伸吹模的树脂很多，通过双轴拉伸可显著提高拉伸强度，冲击韧性，刚性，透明度和光泽，提高对气体（氧气，二氧化碳和水蒸气）的阻隔性。常用的塑料有聚丙烯晴（PAN），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚氯乙烯（PVC），聚丙烯（PP）。其中PET的用量最大，PAN的用量最小。以PET为例，由于它为结晶性聚合物，必须快速冷却通过其最大结晶温度区（140～180℃），以获得透明的无定型型坯，冷却水的水温一般为5～10℃。◆拉伸吹塑的工艺要点拉伸吹模主要受到型坯的加热温度，吹塑压力，吹塑时间和吹模模具温度等工艺的影响。—型坯的再加热由于注射型坯后要放置一段时间才能拉伸吹塑，所以吹塑前再加热，以PET为例，加热温度为195～230℃，恒温10～20s，以达到热平衡；—拉伸比（拉伸速率，拉伸长度，吹气压力和速率）是影响制品质量的关键。纵向拉伸比是通过拉伸杆的移动来实现的，横向拉伸比是通过吹塑空气来实现的。一般而言横向拉伸比5倍，纵向拉伸比2.5倍的时候，PET瓶子的质量最好。◆多层吹塑—多层注射吹塑通过在阳模上注射第一层后，改变模腔再注射第二层甚至第三层，然后再吹胀—多层共挤吹塑通过共挤出的方式挤出料坯，然后吹胀—多层共挤拉伸吹塑通过共挤出的方式挤出料坯，拉伸后再吹胀◆大型中空吹塑主要用来生产大型大型罐槽（容积在20L以上），主要采用UHMW-PE7.5其它吹塑成型