TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线介绍

杨卫民 邱建成 贾 辉 朱建新 徐文良 何建领 马建军

(北京化工大学 苏州同大机械有限公司)

一、微层吹塑技术简介

在自然界和社会现实应用中，许多性能优异的材料大多采用层状复合结构，如树木、竹、骨、贝壳、玻璃钢、防弹衣、新型装甲车外壳、阻隔包装膜、消声瓦等。但工业应用的层状结构连接通常为机械连接、胶接连接和混合连接，难以实现微纳米层厚，并且层数一般不超过10层。微层吹塑共挤出技术采用共挤出的形式，具有可连续生产的优点，但该技术与目前常规应用的共挤出技术存在本质差别。三种高分子塑料原料分别投入三台挤出机塑化挤出，在汇流处叠合成多层的片状熔体材料，然后流经特殊设计的分层叠加单元进行切割分层，经过多层复合材料经转换段形成管坯，再经定型口模形成理想的复合管坯，最后在模腔内吹塑成型。复合管坯的层数和层厚具有可设计性，分别由微层共挤系统中分层单元个数和三台挤出机的转速比控制，层数可以达到千层以上，单层层厚可达微米甚至纳米级。其结构特点是性质不同的两种高分子材料交替叠合，呈现出规整的双连续结构。从结构上来看，类似于布鞋的千层底。此种结构在力学、阻隔、和导电等性能方面显示有独特优点。

微层共挤中空塑料成型使中空容器具有更优异的阻隔性、阻气性、防潮性、遮光性、保鲜性、健康性、无害性等绿色技术性能，微层厚度达到纳米级别将可能应用于航海、航空、航天等高新科技领域的新型复合材料。由于微层制品的这些特点，从而可实现制品轻量化、资源节约化、废弃物资源化的低碳革命、低碳经济、低碳包装的可持续发展。

TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线包括挤出机、微层机头、开合模机构、机架、液压系统、电气系统、后冷却自动去飞边系统。TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线生产最大容量为30升以下的制品。在目前的情况下，两种聚合物比较容易实现16层，或是64层。三种聚合物比较容易实现24层，或是96层。TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线其主机部分由三台70mm挤出机同时向微层机头供料(三种料进料比例为1:1:1，可以通过调整挤出机速度调整各种原料的使用比例)，通过微层机头实现叠层、成型塑料型坯，最后在模腔内吹塑成型制品。设备基本布局和微层管坯示意如下两图:

二、微层吹塑成型技术路线

三、技术水平及创新

1、技术水平:依据查新报告，查新本产品未在国内发现有类似产品，与国外同类型产品相比处于领先地位，居国际领先水平。

产品关键技术:

A、微层技术:是由多台挤出机向机头内部供料，经过流道形成一个多层型坯，多层型坯经过多个叠层器进行叠层，制成一个由交替微层材料构成的叠层塑料型坯。这些微层可以是几分之一毫米～几十分之一毫米厚，它们是一种新型叠层倍增技术与独特的模头几何结构联合作用的结果，从而形成了具有更多层数的结构;理论上这种叠层可达到3072层以上;

B、采用微层共挤挤出吹塑技术成型的24～192层的带透明线30L塑料桶制品，可较大的提高塑料制品的阻渗性能，可实现相同壁厚的塑料制品的情况下，力学强度较大幅度提高。此外还可以在此基础上，采用三套微层挤出系统进行堆层叠加。该叠层技术可使原来24层的微层挤出吹塑成型增加到96～192层的带透明线的30L塑料桶或是塑料容器;

C、微层共挤挤出圆形料坯，经过层叠器的料坯已经达到微层结构，微层料坯需经过转换器将片材型坯转换成圆形料坯;

D、微层共挤挤出管坯技术的关键，在于对叠层的交错搭接、形成熔接线的高度增强熔接，极大的增强了熔接线的强度，提高了塑料桶或是塑料容器的强度与力学性能;

E、微层共挤挤出吹塑成型技术，还特别适合需要特别增强的超强塑料容器制品生产，因为采用微层共挤挤出叠层吹塑技术，可采用多种不同组分的塑料原料与高度增强的塑料进行微层吹塑成型，生产超高强度的塑料容器，满足一些特别需要;

F、采用智能化后冷却自动去飞边系统，去飞边效果更好，减少了操作人员。同时采用了独立设计模式，自适应性强，更好的满足了系列内多种规格产品去飞边装置快速更换的要求，为设备的技术改造和升级提供了一种崭新的模式。

现今，采用共挤吹塑方法一般只能生产最多6～9层结构的容器，用来增强容器的阻透性、强度、耐划伤性、可印刷性和防静电性能。中空吹塑多层制品的实现方式，目前以多台挤出机加管套式机头的形式为主。以汽车燃油箱为例无论国外制造商还是国内制造商，燃油箱的一般为6层，同时需要6台挤出机和复杂的挤出机头。具有功能材料交替层的微层共挤容器可以获得比传统多层结构更高的性能。

2、技术比较

①、传统的多层中空吹塑成型是采用几台挤出机将各自塑化的树脂，同时挤入多层机头，通过歧管形成同心的多层结构，并通过芯棒成为多层型坯，然后再进行吹塑。也有的是采用特殊的贮料缸机头形成3-5层的多层型坯。在贮料缸内各种塑化塑料是彼此分开的，各贮料缸的挤出可以分别进行。然后采用环形活塞将各种塑料压出，在机头顶端各层塑料熔融粘结形成多层型坯。多层吹塑的关键是控制各层塑料间的熔接。有两种粘结方式:一是至少在一层内混入有粘结性的树脂，这种方式层数较少，并能保持一定的强度，但成本较高。混入有粘结性树脂的量，需在不损害构成各层树脂的阻隔性和强度等性质的范围内。二是增设粘结材料层，使粘结剂介于各层界面之间，要增加挤出粘结材料用的挤出机，使设备及操作变得复杂。

与传统的多层中空吹塑成型相比较，TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线采用微层技术，共挤出工艺产生的结构层数远远超过三层、六层，可以达到24层或96层，以下是部分技术优点:

◆改进阻隔性能。产品中的阻隔层数量大幅度增加，使气体和水分子的扩散途径更加“曲折艰难”;

◆节约高成本物料。聚合物的许多关键性质不会随着层厚的降低而成比例降低，因此采用微层技术后，可以节约高成本的高性能树脂，同时性质又能达到希望的水平;

◆新的性能组合。相同的聚合物，分散为一层或两层，还是分散为许多超薄的层，对最终产品的性能有不同的影响。

②、目前将微层技术运用中空挤出吹塑领域的美国陶氏化学公司，其加工出的350ml圆瓶，它具有1.25mm的均匀壁厚，包含33层 HDPE和LLDPE的交替层。陶氏微层技术，使材料在进入模头前，先被制成一个由交替微层材料构成的堆层，堆层料再进入心形侧进料机头，在微层平面堆层成为一个管子时，其边缘搭接，使它保持一个均匀的层结构，在熔接线处没有缝隙。

与陶氏技术相比较，TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线具有以下优点:

◆与传统层倍增模具原理不同的层叠器，陶氏层叠技术在分层、层叠、展宽需要通过几个功能模块实现，TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线运用的叠层技术采用北京化工大学杨卫民教授发明的叠层技术;

◆陶氏350ml圆瓶，其层叠模块和成型管坯的机头是分开的，从其型坯的截面观察，其中心和外侧及搭接处分层不明显，这是由于其本身的流道路径所致。TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线管坯成型技术为先将挤出机挤出的棒材料坯转换成片材，将片材料坯重叠，经过层叠器叠层复合片材，经过转换器将复合片材转换为半圆形料坯，通过搭接段形成理想的圆形管坯。这种工艺方法不用将叠层后的料坯再经过心形机头，从而保证了制品的一致性;

◆ 与陶氏试验的350ml小瓶相比，TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线可以生产容量30L以内的工业使用制品，实现了数量级的跨越，并可实现对塑料型坯的壁厚精确控制。

◆TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线具有后冷却去飞边系统，大大提高了制品合模线物理强度，同时提高了生产线的全自动化水平。

四、成本与需求

随着微层技术在挤出吹塑行业的进一步研究开发，微层技术必为这个行业带来更加广阔的应用前景。以下从投资成本、潜在市场等方面进一步说明。

1、设备成本降低

①、减少挤出机台数。目前用于生产6层汽车用燃油箱的吹塑设备，都是有6台挤出机供料。TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线加工24层制品或96层制品都只需要三台挤出机。

②、机头形状尺寸小。TDB-30W微层吹塑中空成型机机头无论是外形尺寸上还是重量方面都远远小于相同容积6层燃油箱的吹塑设备机头。

③、生产效率高。TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线是双工位连续生产。

④、智能化生产。TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线能实现从进料到制品成型、后冷却去飞边、废料收集粉碎等制品生产过程实现智能化生产。

⑤、设备所占空间小。由于挤出机台数减少、机头尺寸小等优点，与6层燃油箱吹塑设备比，TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线空间利用率更高。

2、制品成本降低

①、增加回收料使用。微层技术能给在产品芯部使用消费后回收材料的加工商带来收益。将消费后回收材料夹入内层并且可实现每层交替使用新旧材料可以减少制品力学性能的损失，因为回收材料层在任意两侧都连接有新料。

②、减少高成本塑料原料使用。三层共挤阻隔制品所需的材料费比五层共挤阻隔制品所需的原材料费要高约19%。微层共挤制品在相同厚度下，其强度等物理性能指标明显高于六层以下制品强度，因此采用微层技术的制品可以减少制品的厚度而物理力学等性能指标得到提高，可减少材料的消耗。

③、能耗减少，单个制品能耗降低。因为TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线挤出机台数减少，机头尺寸减小，需要加热的零部件减少，从而单个制品的耗电量大为减少。

从以上几点可以看出，微层吹塑技术不仅仅在设备成本大为减低，对于制品生产厂家来说，在减少原材料使用的同时可生产出更高质量的制品，从而取得更高的附加值。

3、未来技术创新点与市场分析

通过在塑料中添加碳纤维、玻璃纤维、石墨烯等高强度增强材料等，可达到增强塑料制品各种物理特性的目标。多层技术就是利用某些层的特殊功能，并将多种特殊功能进行组合。在微层技术中，各特殊功能复合层不仅仅是一层两层往往能达到几十层乃至几百层。微层技术将塑料合金从概念推进到实际运用中。塑料质轻，一般塑料的密度在0.9-2.3g/cm3之间，只有钢铁的1/8-1/4，而各种泡沫塑料的密度更低，约在0.01-0.5g/cm3。有些增强塑料的比强度甚至超过钢铁。复合塑料化学稳定性高、耐磨性能好、透光及防护性能优良、减振消音性能好等优点。美国对纤维增强塑料复合材料的需求预计每年攀升4.7%，在2017年达到43亿磅(19.5亿公斤)，价值近230亿美元。

①、在航空航天工业中复合材料的使用比例越来越高。空客A380飞机其结构重量的25%为复合材料，波音787复合材料占其结构重量的50%。欧洲的A400M属于新一代大型军用运输机，复合材料占其结构重量的35%-40%，碳纤维复合材料占机翼结构重量的85%。这些复合材料工艺主要为粘接、模压、树脂传递模塑、纤维缠绕、拉挤等。塑料合金采用微层技术使高强度材料(碳纤维)和微层塑料复合的新型材料，其可塑性强，可将多个零件组合成一个零件而提升其品质。

②、在军事领域中坦克防护、单兵武器系统防护等方面运用。近年来军事科研领域研究者展开了高强聚乙烯纤维增强塑料层合板的抗弹性能研究。利用微层技术可以大大提升层合板的机械强度，减轻层合板的重量。

③、在船舶与海洋工程领域大型塑料制品的结构设计与应用领域有着广阔的发展前景。推进船艇轻量化，我国船舶工业在复合材料研究和应用方面的观念、技术需要进一步更新。突破船舶大型结构件应用符合材料制造的难题，提高复合材料产品装船率。不饱和树脂基玻纤增强高分子复合材料的现代游艇、组合式复合塑料码头等等，利用微层中空成型技术可使这类大型、超大型高分子制品的加工制造工艺简化，成本降低而性能更优。

④、石油天然气化工行业需要大量管道，输送石油、天然气、油气混合物、腐蚀性物质等。管道要求满足耐腐蚀性能好、足够的韧性和机械强度、便于运输安装、阻力小能耗低、管材性能可靠、寿命长等等。目前比较先进的产品有玻璃纤维增强连续塑料复合管、金属骨架塑料复合管等无论是其加工工艺复杂、成本高，成为其广泛推广使用的阻力。微层成型管坯技术不仅成型工艺简单、制品成本相对较低，并且突破了以前需要不同材料宏观复合的瓶颈。

⑤、在汽车工业中复合塑料的运用。为了节能降耗、提高车速、改进外观和舒适性达到降低成本的目的，汽车厂商越来越多地使用塑料及塑料复合材料来替代各种有色金属和钢材。随着微层中空成型技术推广，汽车发动机零件如进气歧管、空气滤清器总成、燃油管、气门盖和发动机罩盖等，复合塑料有取代铝合金材料的趋势。

⑥、在消防领域的运用。Frontier Inc.公司在K2013展会上展出了世界上第一个热塑性吹塑成型的灭火器。将微层技术运用于这些潜在领域将进一步降低材料成本，提高强度。

⑦、传统的市场运用，微层技术的高阻隔性能提升了食品药品的安全性，可以用于饮料包装，新鲜食品封装运输等等。

除各种潜在的市场领域外，微层中空成型技术在传统吹塑领域将带来革命性的改变。例如三层25升塑料桶，采用传统的机头成型的制品重量在1170克，而采用微层技术加工出的24层制品重量为原来的75%，96层制品重量为原来的70%。微层技术制品的阻透性、机械强度都远远高于传统的吹塑工艺制品。TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线如果需要用于燃油箱吹塑，使用6台挤出机层数可以增加到48层或者192层。

随着对微层吹塑技术研究的深入，采用这一高新技术进行微层吹塑成型将是未来的发展趋势，其市场需求与潜在市场需求将会极为巨大，微层吹塑的制品将可能年销售达到数十亿。