CN108044859A - 一种滚塑发泡成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及塑质产品制作技术领域，具体涉及塑质产品滚塑发泡成型工艺。所述工艺包括以下步骤：S1加料：先将粉末状原料加入模具中，合上模具；S2加热：将模具送入温度为原料软化点的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转1‑2min，使原料粘附于模具内表面；S3二次投料：加入发泡粒料，继续加热至发泡粒料的软化点，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转1‑2min，使发泡粒料均匀粘附于产品内腔；S4发泡成型：继续提高加热室温度，使发泡粒料熔融发泡填充产品内腔；S5冷却脱模：将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。

Description

一种滚塑发泡成型工艺
技术领域
本发明涉及塑质产品制作技术领域，具体涉及塑质产品滚塑发泡成型工艺。
背景技术
滚塑(也叫选择成型或回转成型)工艺是五十年代由欧洲发展起来的，以后传入美国、日本等地，这种成型工艺开始只是用液状PVC糊树脂作原料，成型玩具等，且只是把它作为注塑成型、中空成型和热成型的一个补充，六十年代初粉状PE问世，滚塑工艺便作为热塑性塑料的粉末成型法而获得较大的发展。到七十年代，这种工艺不仅可成型小制品，而且可以成型大型制品和超大型制品。滚塑成型是无压成型，离心力也不会施加在制品上，所以最终制品除轻微的收缩力外，几乎无内应力，几乎无取向性或残余应变，也不会发生凹陷、变形和开裂等弊端，且该工艺都是整体成型，几乎100％的原料都转换成制品，无边角料。但是滚塑成型的原料选择范围小，制品的机械性能已经不能满足人们日益严格的要求。
在过去的10年中，人们在现有的滚塑加工基础上发展出一种新型的滚塑成型技术—滚塑发泡成型(Rotational Foaming Molding)。滚塑发泡成型不但继承了滚塑成型的一些特点，同时还有其独特之处：1)随着一步法滚塑发泡技术的不断发展，旧有的滚塑成型设备基本上无需做重大改造就可以用于滚塑发泡成型；2)滚塑发泡制品具有致密外壳，可以加工具有光滑表面的中空大型制品，满足人们对外观的要求；3)滚塑发泡制品具有发泡内醒，制品的机械性能大幅提高；4)对于原料的选择与制备有较高的要求。
目前，滚塑成型工业所用的主要材料是热塑性材料：PE、PA、PP、PVA等，这些材料具有融点低、易成型、耐冲击性能好，尤其是耐低温冲击性能好等优点。但是也具有许多缺点，使滚塑产品的应用受到限制。还有许多尺寸要求准确的产品无法生产，它们具有较大的收缩率:1％～5％，而且不同部位收缩率不同，收缩导致变形，而且变形在产品成型很长一段时间内都在变形。它们具有很高的体积电阻，绝缘性好，但是易产生静电，限制了这些产品用于易燃易爆的行业。种种原因，需要设计开发一种新的原料，它必须是符合滚塑工艺要求，具有良好的机械强度，较高的热变形温度，以及良好的加工特性。
发明内容
本发明的目的是在滚塑发泡工艺中使用加工流动性良好、机械性能优异的滚塑原料，以实现滚塑发泡制品的良好性能。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种滚塑发泡成型工艺，所述工艺包括以下步骤：
S1加料：先将粉末状原料加入模具中，合上模具；
S2加热：将模具送入温度为原料软化点的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转1-2min，使原料粘附于模具内表面；
S3二次投料：加入发泡粒料，继续加热至发泡粒料的软化点，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转1-2min，使发泡粒料均匀粘附于产品内腔；
S4发泡成型：继续提高加热室温度，使发泡粒料熔融发泡填充产品内腔；
S5冷却脱模：将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
先使用磨粉机将颗粒状粉料研磨成粉末。原料为粉末状时便于传热，使得离模具内壁较远的原料能快速受热，原料尽可能达到受热均匀。先将加热室的温度设定为原料软化点范围，热量通过模具的外表面导热到模具内表面，到达原料软化点，原料软化均匀地粘附在模具的内表面。开模，加入发泡粒料，加热室的温度要逐渐上升，先加热至发泡粒料的软化点，使得发泡粒料均匀粘附于产品内腔，然后再加热至发泡熔融发泡温度，使得发泡粒料发泡；如果一开始就将加热室的温度加热至发泡温度，发泡粒料在还没有分散粘附于产品内腔时就开始发泡，会导致发泡不均匀、产品内腔内的发泡尺寸不一，影响最终成型产品的性能。冷却是整个滚塑工艺中非常重要的一环，发泡成型后，先进行空冷，低速率的冷却方式使得成型产品质量稳定，再进行水雾冷，快速冷却，提高效率。
作为优选，所述原料包括50-80wt％热塑性树脂、15-45wt％改性剂、2-5wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂由苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子组成。
滚塑原料对滚塑产品的质量影响显著，滚塑原料应该具有足够大的熔融指数，以有利于粉料的熔化并提供较好的熔体流动性，有利于熔体中残存气体的逸出，得到密实的塑料制品。滚塑原料应该具有良好的机械性能和耐候性，延长滚塑制品的使用寿命。本发明选用的原料能够满足滚塑成型要求，制备具有良好性能的滚塑成型制品。
所述乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物可以为乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物等；所述含氟丙烯酸酯单体为丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸五氟丙酯、甲基丙烯酸八氟戊酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯中的一种或几种；含硅的树状大分子为硅碳型树状大分子，树状大分子中的表面官能团的数目随代数的增加而成指数增长，最终导致表面空间拥挤而产生几何变化，含硅的树状大分子的存在可以提高原料的加工流动性，一般而言，代数越大，加工流动性提高越明显。
苯乙烯-环氧乙烷共聚物以长丝的形式贯穿于含硅的树状大分子中，无数条的苯乙烯-环氧乙烷共聚物细丝纵横贯穿，使得原料在宏观上形成一种特殊的“物理交联网络”，“物理交联网络”的存在，既可以作为材料的骨架在发生形变时吸收能量，也可以弥补热塑性树脂因大球晶间难以避免的缺陷和空隙对材料韧性的不利影响，从而同时起到增强补韧的作用。但是苯乙烯-环氧乙烷共聚物分子链中存在苯分子，在提高原料的力学性能的同时影响原料的耐候抗氧化性，而含氟丙烯酸酯聚合物能够有效提高原料的抗氧化性，且其形成疏松的网络结构，大分子物质嵌入网络结构，提高力学性能；乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物分散于网络结构之中，它与相邻分子紧密相联，起到提高冲击强度，尤其是耐低温冲击，它还有消除静电作用，使静电荷不能在表面聚集。纳米级层状硅酸盐的片层之间结合力相对较弱，摩擦系数很小，利用片层之间的相对滑动可提高原料熔体的流动性，从而改善其加工性能；且片层内部结构紧密，刚度很高，对原料的性能有一定增强作用。
所述原料的制备方法为：先按照质量配比称量好改性剂--苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子，600-1000rpm旋转5-10min进行混合，然后将混合物喂入螺杆挤出机，同时加入热塑性树脂，挤出后期加入纳米级层状硅酸盐(避免层状结构受损)，共混熔融，挤出造粒。
作为优选，所述苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子的质量比例分别为30-50％、20-40％、15-30％、5-10％。
作为优选，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚酰胺的一种或多种。
作为优选，所述粉末状原料的粒度为30-100目。粒径分布峰值位置越高，粒子越细，制品综合性能越优，但从综合生产成本和效率考虑，将粒径分布峰值定在30-100目之间最好。
作为优选，所述模具的旋转转速为6-40rpm。模具的转速取决于制品的形状和结构，如果是圆柱形的制品，线速度可以偏高，如果有棱角、转角、搭子等费规则性的制品，线速度就可以相应调低，目的是避免由离心力引起的物料滞留，造成局部的厚薄不均匀。进一步优选，所述模具的旋转转速为10-20rpm。
作为优选，所述发泡粒料为聚乙烯发泡料、聚丙烯发泡料、聚氯乙烯发泡料和聚酰胺发泡料的一种或多种。发泡粒料应与滚塑原料主体相同，保证发泡内腔与原料形成的外层结合性良好。
作为优选，所述发泡密度为0.063-0.235g/cm3。填充发泡密度按照产品设计需求，结合隔热效果与重量进行选择。
本发明在滚塑发泡工艺中使用加工流动性良好、机械性能优异的滚塑原料，使得滚塑发泡成型简单易行，实现滚塑发泡制品的良好性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
滚塑原料包括70wt％聚乙烯、25wt％改性剂、5wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂中苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物(单体为丙烯酸三氟乙酯)以及含硅的树状大分子的质量比例分别为40％、30％、20％、10％。
按照质量配比称量改性剂--苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子，600rpm旋转8min进行混合，然后将混合物喂入螺杆挤出机，同时加入PE，挤出后期加入纳米级层状硅酸盐，共混熔融，挤出造粒。原料颗粒的熔融指数为30g/10min。将原料造粒磨成100目的粉料，将粉末状原料加入模具中，合上模具；将模具送入温度为110℃的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴以15rmp连续旋转1min，使原料粘附于模具内表面；根据发泡密度0.3g/cm3计算加入聚乙烯发泡料，加热至115℃，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转2min，使聚乙烯发泡料均匀粘附于产品内腔；继续加热至180℃，使聚乙烯发泡料熔融发泡填充产品内腔；将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
实施例2
滚塑原料包括70wt％聚乙烯、25wt％改性剂、5wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂中苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物(单体为丙烯酸三氟乙酯)以及含硅的树状大分子的质量比例分别为40％、30％、20％、10％。
按照质量配比称量改性剂--苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子，600rpm旋转8min进行混合，然后将混合物喂入螺杆挤出机，同时加入PE，挤出后期加入纳米级层状硅酸盐，共混熔融，挤出造粒。原料颗粒的熔融指数为30g/10min。将原料造粒磨成200目的粉料，将粉末状原料加入模具中，合上模具；将模具送入温度为110℃的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴以15rmp连续旋转1min，使原料粘附于模具内表面；根据发泡密度0.23g/cm3计算加入聚乙烯发泡料，加热至115℃，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转2min，使聚乙烯发泡料均匀粘附于产品内腔；继续加热至180℃，使聚乙烯发泡料熔融发泡填充产品内腔；将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
实施例3
滚塑原料包括70wt％聚乙烯、25wt％改性剂、5wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂中苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物(单体为丙烯酸三氟乙酯)以及含硅的树状大分子的质量比例分别为40％、30％、20％、10％。
按照质量配比称量改性剂--苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子，600rpm旋转8min进行混合，然后将混合物喂入螺杆挤出机，同时加入PE，挤出后期加入纳米级层状硅酸盐，共混熔融，挤出造粒。原料颗粒的熔融指数为30g/10min。将原料造粒磨成100目的粉料，将粉末状原料加入模具中，合上模具；将模具送入温度为110℃的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴以30rmp连续旋转1min，使原料粘附于模具内表面；根据发泡密度0.23g/cm3计算加入聚乙烯发泡料，加热至115℃，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转2min，使聚乙烯发泡料均匀粘附于产品内腔；继续加热至180℃，使聚乙烯发泡料熔融发泡填充产品内腔；将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
实施例4
滚塑原料包括70wt％聚乙烯、25wt％改性剂、5wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂中苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物(单体为丙烯酸三氟乙酯)以及含硅的树状大分子的质量比例分别为40％、30％、20％、10％。
按照质量配比称量改性剂--苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子，600rpm旋转8min进行混合，然后将混合物喂入螺杆挤出机，同时加入PE，挤出后期加入纳米级层状硅酸盐，共混熔融，挤出造粒。原料颗粒的熔融指数为30g/10min。将原料造粒磨成100目的粉料，将粉末状原料加入模具中，合上模具；将模具送入温度为110℃的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴以15rmp连续旋转1min，使原料粘附于模具内表面；根据发泡密度0.23g/cm3计算加入聚乙烯发泡料，加热至115℃，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转2min，使聚乙烯发泡料均匀粘附于产品内腔；继续加热至180℃，使聚乙烯发泡料熔融发泡填充产品内腔；将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
实施例5
滚塑原料包括70wt％聚丙烯、27wt％改性剂、3wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂中苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物(单体为甲基丙烯酸十二氟庚酯)以及含硅的树状大分子的质量比例分别为35％、35％、25％、5％。
按照质量配比称量改性剂--苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子，1000rpm旋转5min进行混合，然后将混合物喂入螺杆挤出机，同时加入PP，挤出后期加入纳米级层状硅酸盐，共混熔融，挤出造粒。原料颗粒的熔融指数为33g/10min。将原料造粒磨成80目的粉料，将粉末状原料加入模具中，合上模具；将模具送入温度为140℃的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴以20rmp连续旋转1min，使原料粘附于模具内表面；根据发泡密度0.20g/cm3计算加入聚丙烯发泡料，加热至145℃，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转2min，使聚丙烯发泡料均匀粘附于产品内腔；继续加热至200℃，使聚丙烯发泡料熔融发泡填充产品内腔；将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
实施例6
滚塑原料包括60wt％聚氯乙烯、35wt％改性剂、5wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂中苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物(单体为丙烯酸五氟丙酯)以及含硅的树状大分子的质量比例分别为50％、20％、25％、5％。
按照质量配比称量改性剂--苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子，700rpm旋转7min进行混合，然后将混合物喂入螺杆挤出机，同时加入聚氯乙烯，挤出后期加入纳米级层状硅酸盐，共混熔融，挤出造粒。原料颗粒的熔融指数为34g/10min。将原料造粒磨成50目的粉料，将粉末状原料加入模具中，合上模具；将模具送入温度为100℃的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴以12rmp连续旋转2min，使原料粘附于模具内表面；根据发泡密度0.12g/cm3计算加入聚氯乙烯发泡料，加热至105℃，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转2min，使聚氯乙烯发泡料均匀粘附于产品内腔；继续加热至150℃，使发泡粒料熔融发泡填充产品内腔；将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
对比例1
对比例1与实施例4的区别在于，对比例1使用的原料为聚乙烯，其熔融指数为14g/10min(230℃/2.16kg)，其它与实施例4相同。
对比例2
对比例2与实施例4的区别在于，对比例2使用的原料不包括改性剂，其熔融指数为15g/10min(230℃/2.16kg)，其它与实施例4相同。
对比例3
对比例3与实施例4的区别在于，对比例3使用的原料的改性剂中无含硅的树状大分子，其熔融指数为16g/10min(230℃/2.16kg)，其它与实施例4相同。
对比例4
对比例4与实施例4的区别在于，对比例4使用的原料的改性剂中无苯乙烯-环氧乙烷共聚物，其熔融指数为18g/10min(230℃/2.16kg)，其它与实施例4相同。
对比例5
对比例5与实施例4的区别在于，对比例5使用的原料不包含纳米级层状硅酸盐，其熔融指数为16g/10min(230℃/2.16kg)，其它与实施例4相同。
将实施例1-6和对比例1-5制备的滚塑产品进行拉伸试验，奥尔逊刚性试验，悬臂梁氏冲击试验，及耐环境应力开裂性试验。耐环境应力开裂性试验：根据在80℃用20％Antarox(CO-630)溶液进行环境应力开裂试验，使用厚度为3mm的样品，表1中的值表示50％断裂时间(小时)。
表1实施例1-6和对比例1-5滚塑产品的性能参数
另外，本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
S1加料：先将粉末状原料加入模具中，合上模具；
S2加热：将模具送入温度为原料软化点的加热室，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转1-2min，使原料粘附于模具内表面；
S3二次投料：加入发泡粒料，继续加热至发泡粒料的软化点，模具在加热室内沿相互垂直的两根轴连续旋转1-2min，使发泡粒料均匀粘附于产品内腔；
S4发泡成型：继续提高加热室温度，使发泡粒料熔融发泡填充产品内腔；
S5冷却脱模：将模具转入冷却室，先空冷再水冷，冷却后将制品从模具内脱模取出。
2.根据权利要求1所述的滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述原料包括50-80wt％热塑性树脂、15-45wt％改性剂、2-5wt％纳米级层状硅酸盐，其中改性剂由苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子组成。
3.根据权利要求2所述的滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述苯乙烯-环氧乙烷共聚物、乙烯-丙烯酸烷基酯共聚物、含氟丙烯酸酯聚合物以及含硅的树状大分子的质量比例分别为30-50％、20-40％、15-30％、5-10％。
4.根据权利要求2所述的滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚酰胺的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述粉末状原料的粒度为30-100目。
6.根据权利要求1所述的滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述模具的旋转转速为6-40rpm。
7.根据权利要求1所述的滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述发泡粒料为聚乙烯发泡料、聚丙烯发泡料、聚氯乙烯发泡料和聚酰胺发泡料的一种或多种。
8.根据权利要求1或7所述的滚塑发泡成型工艺，其特征在于，所述发泡密度为0.063-0.235g/cm3。
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