塑料滚塑成型的应用与发展.docx
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塑料滚塑成型的应用与发展
塑料滚塑成型的应用与发展
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郑州轻院轻工职业学院
毕业设计（论文）
题目塑料滚塑成型的应用与发展
塑料滚塑成型的应用与发展
摘要
引言
塑料及其复合材料的加工成型工艺有很多种，除了我们常见的挤出成型、注射成型、吹塑成型等工艺外，滚塑也是塑料制品的一种加工方法。
过去，由于各种因素，如较慢的加工周期及所用材料的限制，使滚塑工艺发展速度低于其他塑料成型加工行业。
在各类有关塑料加工成型的资料信息中涉及到滚塑成型的资讯寥寥无几。
在世界十大图书馆之一的上海图书馆，输入主题词“滚塑”，这方面的中文书籍竟然只有薄薄的一本，还是由陈昌杰、李惠康、刘汝范、张立旺于上世纪90年代编著的《塑料滚塑与搪塑》，可见这方面资讯之匮乏。
然而最近以来，发展迄今已有60多年历史的滚塑成型工艺又开始活跃起来并越来越受到业界的重视。
滚塑成型（rotationalmolding或rotomolding），亦称旋转成型（RM）、旋转成型、旋转模塑、旋转铸塑、回转成型等。
滚塑成型工艺是先将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热，使模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融粘附于模腔的整个表面上，成型为所需要的形状，再经冷却定型、脱模，最后获得制品。
关键字滚塑/儿童玩具/汽车塑料件/工程塑料制品/非标异型中空塑料制品
风机外壳电动车外壳
引言……………………………………………………………………………………………………………2
1.滚塑成型的应用………………………………………………………………………………………1
1.1实际应用………………………………………………………………………………………………1
1.1.1容器类滚塑制件………………………………………………………………………1
1.1.2交通工具用滚塑制件…………………………………………………………………1
1.1.3体育器材、玩具、工艺品类滚塑制件………………………………………………1
1.1.4各类大型或非标类滚塑制件…………………………………………………………1
1.2滚塑成型工艺的应用……………………………………………………………………………2
1.2.1热稳定性………………………………………………………………………………3
1.2.3良好的冲击强度………………………………………………………………………3
1.2.4应力……………………………………………………………………………………3
1.2.5强度……………………………………………………………………………………3
1.2.6伸长率…………………………………………………………………………………3
1.2.7传热性…………………………………………………………………………………3
2.生产过程………………………………………………………………………………………………4
2.1工艺流程………………………………………………………………………………………………4
3.滚塑成型适用材料…………………………………………………………………………………5
4.滚塑市场及发展趋势滚…………………………………………………………………5
4.1设备……………………………………………………………………………………………………6
4.2原料……………………………………………………………………………………………………6
4.3人才……………………………………………………………………………………………………7
4.4滚塑成型和制品优缺点…………………………………………………………………7
4.4.1滚塑成型优点……………………………………………………………………………7
4.4.2滚塑成型缺点……………………………………………………………………………7
4.5滚塑制品和市场…………………………………………………………………………7
4.5.1世界滚塑工业和原料消费量…………………………………………………………7
4.5.2滚塑成型制品和市场…………………………………………………………………8
5.结语………………………………………………………………………………………………10
6.致谢………………………………………………………………………………………………11
7.参考文献………………………………………………………………………………………12
1.滚塑成型的应用
1.1实际应用
滚塑制品可应用于交通工具、交通安全设施、娱乐业、江河航道疏浚、建筑业、水处理、医药食品、电子、化工、水产养殖、纺织印染等行业。
1.1.1容器类滚塑制件
这类塑料制件广泛用于储存和供料箱，贮水槽、各种工业用化学品储存和运输容器，如酸、碱、盐、化学肥料、农药贮槽，化工企业、工业涂装、稀土制取中的洗槽、反应罐、周转箱、垃圾箱、化粪池、生活水箱等等。
1.1.2交通工具用滚塑制件
主要是应用聚乙烯和聚氯乙烯糊树脂，滚塑各种汽车用件，如空调弯管、旋涡管、靠背、扶手、油箱、挡泥板、门框和变速杆盖、蓄电池壳体，雪上汽车和摩托的燃料箱、飞机油箱、游艇及其水箱、小船以及船和船坞之间的缓冲吸震器等。
1.1.3体育器材、玩具、工艺品类滚塑制件
主要有聚氯乙烯糊滚塑的各种制件，如水球、浮球、小游泳池、娱乐艇及其水箱、自行车座垫、滚塑码垛盘、冲浪板等等。
玩具如小马、洋娃娃、玩具砂箱、时装模特模型、工艺品等。
1.1.4各类大型或非标类滚塑制件
搁物架、机器外壳、防护罩、灯罩、农用喷雾器、家具、独木舟、野营车辆顶篷、运动场装置、种植机、浴室、厕所、电话间、广告展示牌、椅子、公路隔离墩、交通锥、河海浮标、防撞桶以及建筑施工屏障等等。
从物品的层次看，滚塑制品已经从普通的民用品向关键工业品发展，其功能也从单一的容器性能向结构性能转变。
随着滚塑设备及模具的发展，滚塑制品的结构复杂程度已经发展到超乎想象的地步，甚至可以说注塑、吹塑、挤塑等工艺无法完成的制品，完全可以通过滚塑来完成，制品的几何尺寸已经完全能做到从0.5L到50M3。
如果没有受到运输条件的限制，甚至可以做到更大。
从产品的分类看，大致可分为圆柱形水箱（0.25M3~50M3）、圆台形敞口桶（20L~3000L）、方形敞口桶（30L~2000L），随着功能的需要，还可成型为闭口式的各类容器，以适应不同行业的需要。
滚塑产品的缺点是：
产品单件成本高、生产效率低，如果没有专门设备很难形成大批量生产，并且由于重量轻、体积大、运输成本较高。
中国滚塑行业存在的问题同国外滚塑业相比，中国滚塑行业虽然发展势头猛，但总体规模小、技术水平较低，要做大必须突破三大“瓶颈”
玩具
桶
牙科前罩
1.2滚塑成型工艺的应用
滚塑成型工艺自上世纪30年代问世以来，经过60多年的发展，其设备与工艺日趋完善。
从小巧的儿童玩具到常见的汽车塑料件直至庞大的工程塑料制品，特别是超大型及非标异型中空塑料制品，由于其它塑料加工工艺本身特性的限制，现在还只能依靠滚塑成型工艺才能完成。
目前，滚塑成型工艺已成为塑料成型加工工艺中的重要分支。
滚塑成型技术的研究虽然取得了较大的成绩，但是与注塑、挤出（中空吹塑）成型相比还存在很多不足。
滚塑成型的发展趋势主要集中在以下几个方面：
一是对滚塑成型的加热和冷却过程的热传导进行计算机模拟，建立相应的数学模型，用自动化技术对各项工艺参数进行精密控制；二是解决制品的翘曲和收缩，消除制品气泡，缩短加工周期。
较有效的工艺改进是选择适当的时间给模内充压（约69kPa），可使加工周期缩短25%，同时气泡大大减少，提高了制品的韧性。
此外，向模内通入流动空气，降低模具内、外壁与塑料制品之间的温度梯度，从而在加强冷却的同时减少由温差引起的制品结晶结构的差异而导致的翘曲变形；三是开发新技术、新材料、新装备。
国外的一些公司在滚塑成型用树脂和专用助剂的研发上已取得了进展。
新开发的树脂流动性及韧性好，耐环境应力开裂可达1000h以上。
滚塑发泡成型、滚塑交联成型、滚塑多层复合成型技术也得到了开发。
滚塑成型是生产大型中空塑料制品最经济而有效的方法。
要在国内深入推广应用滚塑成型,就必须吸收国外的先进技术,开发更多更好的滚塑原料,提高滚塑设备的自动化水平,缩短模具设计与制造周期，使滚塑与注塑、挤塑等其他加工技术齐头并进。
为满足滚塑成型工艺要求，美国宾夕法尼亚州工业咨询家P.Nugent认为，材料必须满足以下性能要求。
1.2.1热稳定性。
材料在滚塑成型的宽加工范围内有符合要求的热稳定性，并且能防止磨碎成粉料时性能降低。
大部分滚塑材料用抗氧剂稳定化，降低由于一般滚塑成型时长时间加热对材料性能的负面影响。
1.2.2流动性。
材料熔体粘度必须足够低，已足以使材料浸渍模具内表面，并熔融成均一体。
衡量材料熔体流动性的一般指标是熔体熔体流动速率（MFR），单位为g／10min。
工业上最常用的滚塑用聚乙烯的MFR为2～8g／10min（2.16kg，190℃下），结构复杂和细节丰富的滚塑制品要求材料有较高的熔体流动速率。
1.2.3良好的冲击强度。
这是能否作为低温用滚塑制品判别最常用指标，通常要求材料在低至-40℃下仍保持良好的抗冲击性能。
1.2.4应力。
耐环境应力开裂（ESCR）是材料长期耐与应力开裂介质接触的能力，按照通用的测试方法，认为可以接受的材料ESCR值一般应超过1000h。
1.2.5强度。
足够弯曲强度和拉伸强度，聚乙烯强度相对低，而尼龙和聚碳酸酯等工程塑料具有较高的强度。
1.2.6伸长率。
折断（failure）伸长率应高，以符合大部分的应用要求。
1.2.7传热性。
必须有优良的流动性和良好的传热性，使材料在成型加热过程中均匀和快速分散开，不良的流动性将严重影响成型部件的最终外观。
最近已研究了材料流变行为和热性能对烧结过程和脱除聚合物中气泡的影响，这种开发技术是在成型前评价材料方法上取得的重大进展，由此得到的结论表明，熔体流变行为和表面张力在材料致密化初期起主要作用，而在致密化后期，拦阻气泡中气体的扩散是十分重要的。
象线型低密度聚乙烯这样的材料随着粘度降低而熔融速度减慢，这样在粒子相邻的周围形成三维粒子网，拦截大量气体。
低粘度材料趋向于快速熔融，拦截气体少，因而致密化快。
大部分滚塑成型树脂是粉料，粒子尺寸35目（74～2000um），材料另一种状态是液体，一些高流动性树脂，如尼龙，成型时要用小粒料。
表1-1部分滚塑材料性能及滚塑样品的力学性能
项目
LLDPE
PP
PP/PE
共聚-1
PP/PE
共聚-2
EBA
PC
PVC
熔体流动速率（g/10min）
5.21
352
132
202
7.51
1.13
*
密度（kg/m3）
932
900
900
900
924
1200
*
共聚单体含量（mole%）
_____
_____
12.4
14.8
17
_____
_____
零剪切粘度（Pa.s,190℃）
2961
503
2654
1639
3179
68000
4885
Tm或Tg（℃）
122
160
164
165
98
149（Tg）
120（Tg）
174（Tm）
结晶度（%）
44.2
58.9
47.6
40.8
10.4
_____
_____
拉伸强度,MPa
24.038
31.823
24.719
18.098
10.325
47.633
15.067
断裂伸长率,%
1271.5
14.6
19.3
35.4
988
47.8
518
数据来源：
1999年《中国包装工业》
2.生产过程
滚塑成型的基本加工过程很简单，就是将粉末状或液状聚合物放在模具里，加热同时围绕两个垂直轴旋转（自转和公转），然后冷却。
在加热阶段的最初，如果用的是粉末状材料，则先在模具表面形成多孔层，然后随循环过程渐渐熔融，最后形成均匀厚度的均相层；如果用的是液体材料，则先流动和涂覆在模具表面，当达到凝胶点时则完全停止流动。
模具随后转入冷却工区，通过强制通风或喷水冷却，然后被放置于工作区，在这里，模具被打开，完成的制件被取走，接着再进行下一轮循环。
2.1工艺流程
（1）装料。
将经过预先计量的塑料材料装入模腔内,模具安装在一条转臂上,转臂能在双轴方向上
转动模具。
然后转台合上模具,转动模具到加热箱中,并同时在两个方向上转动模具,将塑料材料均匀分布在模腔内表面上。
（2）加热。
加热箱提供的热量熔合（或烧结）塑料材料成模腔具有形状。
（3）冷却。
随着不停地转动,模具被移入冷却室,在那里对模具和塑料制品进行冷却。
（4）开模。
转台将模具移动到开模位置,取出最终制品。
然后,重复上述过程加工下一个制品。
滚塑工艺流程
3.滚塑成型适用材料
适用于塑料加工的聚合物中，能容易滚塑成型的材料是相当有限的，有以下两个主要原因：
（1）许多工程材料在被磨碎成流动性好的粉料后不能在没有压力条件下重新成型为均一固体。
（2）与作为滚塑基准材料聚乙烯比，一些专用材料最初往往价格较贵，而市场需求低又抑制和阻碍对材料的开发热情。
聚乙烯是世界最主要的滚塑用树脂，按用量大小依次排序的滚塑树脂为：
聚乙烯（LDPE、LLDPE、HDPE、XLPE、mLLDPE、EVA）95%，聚氯乙烯3%，尼龙（尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12）<0.5%，聚丙烯<0.5%，聚碳酸酯<0.2%：
含氟聚合物（ETFE、ECTFE、PFA、MFA、PVDF）<0.1%。
另外，还有一些在近30年中已成功滚塑成型的聚合物和小量用于特种应用的聚合物有：
聚甲醛、丙烯酸树脂、苯乙烯／丁二烯／丙烯腈共聚物（ABS）、纤维素树脂、环氧树脂、离子型聚合物、酚醛树脂、聚丁烯、聚酯、聚酯弹性体、聚苯乙烯、抗冲聚苯乙烯、聚氨酯、有机硅聚合物。
不同来源数据略有差异，根据美国塑料工程师协会（SPE）主办的2005年美国滚塑会议论文提供的数据，2002年滚塑用树脂占有份额分别为：
聚乙烯93.3%，聚氯乙烯3.2%，尼龙0.5%，聚碳酸酯0.2%，含氟聚合物0.1%，其他塑料0.1%。
最近报道称，聚乙烯占全球滚塑材料的95%左右。
聚乙烯具有容易滚塑成型、良好的热稳定性和成本低等综合优势，因此一直在滚塑制品市场中，占绝对主导地位，特别是最近聚合采用单中心催化剂，进一步开发出适用于滚塑成型、容易加工和刚性高的聚乙烯牌号，零剪切熔体粘度低，成型时间（周期）短，推动和促进了滚塑工业进展。
4.滚塑市场及发展趋势滚
滚塑成型（rotationalmolding或rotomolding），亦称旋转成型（RM）、旋转成型、旋转模塑、旋转铸塑、回转成型等。
滚塑成型工艺是先将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热，使模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融粘附于模腔的整个表面上，成型为所需要的形状，再经冷却定型、脱模，最后获得制品。
4.1设备
滚塑成型是依靠模具高速旋转的离心力，使原料均匀分布在模具内壁，为常压成型，因而制品残余应力低，不会产生翘曲等缺陷，而且模具也可大大简化，从而显著降低制造成本，成为生产中型、大型或超大型全封闭与半封闭空心无缝容器最具竞争力的方法。
滚塑成型方法最大的优点是模具简单，成本低廉。
它用得最多的是生产大型中空制品，但相应需要较大型生产设备和设计合理的模具。
滚塑成型必须要保证其在旋转过程中模具各部位的受热均匀，这一技术难点恰恰是国产设备与国外设备差距最大的地方。
尤其是在一些大型滚塑制品生产过程中，受热不匀往往导致产品局部收缩不同，冲击强度减弱，使成品质量大打折扣。
在模具设计方面，尽管滚塑由于压力小而对模具压力要求较低，但为了保证原料良好的流动性，模具设计需要合理简洁，而国内塑料模具设计水平往往难以让人满意。
由于这些原因，中国滚塑制品企业的生产设备和模具80%以上从国外引进，这加大了中国滚塑制品的生产成本，使滚塑设备成本低的优点难以显现，影响了中国滚塑工艺的应用发展。
滚塑设备一般由下边几个系统组成：
旋转系统、传动系统、加热系统和冷却系统。
旋转系统由臂杆、支座及模具支架组成,此系统使模具保持双轴向旋转。
传动系统是由电动机驱动,包括齿轮、链条和轴。
产品壁厚的均匀性取决于主副轴速比。
大部分对称性制品,主轴转速为10~12转/分:
。
为使制品壁厚均匀,内壁光滑,一般不设主副轴转速为整数,这样物料每次的螺旋迹线就不会重复。
加热系统,热空气对流式是应用最广泛的方法。
热液体传导式（喷射到模具上的是一种无机盐）,该法传热均匀而迅速。
另外还有红外加热及开放式气体火焰加热法。
冷却系统包括冷箱、鼓风机和喷水装置。
图滚塑成型装置简图
4.2原料
与其他成型方法相比，滚塑更适合成型无接缝大型塑料制品。
滚塑成型使用粉状颗粒原料，是粉末塑料成型工艺中极有竞争力的成型方法。
但同时，它对粉料的颗粒大小、表面光洁度都有较高要求，同时要求原料具有极好的流动性和热稳定性。
目前90％的滚塑制品是使用滚塑专用聚乙烯原料生产，而国内能生产滚塑专用料的厂商很少，目前主要依靠进口。
目前，全球滚塑用树脂消耗量已占树脂总产量的8％～9％，而我国不足1％，这表明我国滚塑专用料的增长空间十分巨大。
因此，提高滚塑专用料产量，增加产品品种，既是摆在广大石化企业面前的严峻课题，也是很好的发展机遇。
4.3人才
滚塑成型非常适合生产小批量、多品种、多颜色大型中空塑料制品，如体育用品、公路护栏，用于公园艺术设计的发光球体、船和流动码头、真空清洁器和其他各种有价值的消费品。
它属于附加值较高的加工工艺，在当今塑料制品少量多样化发展趋势下，其发展前景更为看好。
但是，我国滚塑行业专业人才却非常少，与从事注塑、挤出等工艺研究的专业人员相比，从事滚塑工艺研究的人才难寻。
目前我国滚塑人才基本都是在各个企业靠自行摸索研究而成长起来的，数量不多，而且滚塑理论研究基本处于空白，这对行业的长远发展是十分不利的。
另外，人才的缺乏，也使滚塑行业整体水平难以提高，已经成为我国滚塑业发展的软肋。
4.4滚塑成型和制品优缺点
滚塑成型和制品优缺点与其应用和市场密切相关，是考虑选用滚塑成型的出发点和依据，也是扩大应用、开发市场的重要参考。
最终制品的大小、结构复杂性、表面质量、要生产的制品数量和适当的生产速度等是选择加工成型方法的影响因素。
4.4.1滚塑成型优点
滚塑成型优点为：
（1）可制得结构复杂的中空成型制品，设计自由度大；
（2）最终制品残留应力小；（3）模具价格便宜、制作周期短，适合多品种、小批量生产；（4）与吹塑成型比，制品壁厚均匀，拐角处壁厚度大；（5）容易切换原料和颜色，也有利于多品种、小批量生产；（6）有可能实现废料少的加工成型，有利于环境；（7）能同时成型不同形状和颜色的制品，精细化制定生产计划；（8）容易成型含发泡层的多层制品，（9）能成型有图形的高性能制品；（10）容易成型具有大理石和纹理丰富外观表面的制品。
另外，滚塑成型容易调整加工部件壁厚，仅需改变加入模具中物料质量，不需更改模具，制品壁厚度范围宽，1～25mm或更大，加工成型时可加入图案和嵌件（金属或非金属）。
4.4.2滚塑成型缺点
滚塑加工工艺决定了它有以下缺点：
（1）成型周期长；
（2）成型时需要多个能源；（3）一般难以成型面积大平表面的制品；（4）与模具不接触的最终制品内表面平滑度差；（5）用量最大的聚乙烯成型冷却后收缩率大，尺寸稳定性差。
4.5滚塑制品和市场
4.5.1世界滚塑工业和原料消费量
滚塑工业是相对年轻的工业，最早起始于20世纪50年代末PVC（聚氯乙烯）糊塑料滚塑成型，目前全世界已有相当数量的滚塑加工厂，是一个已几乎进入所有应用领域的塑料工业中的一个小分支工业，是充满生气和社会需求增长速率高于塑料工业总体平均增长率的新兴工业。
日本五十岚敏郎据国际咨询家P.Nugent在欧洲第三届滚塑会议上提供的资料为基础而整理的数据，包括世界和各地滚塑加工厂、年原料（树脂配混料）用量、人平均年消费原料量和今后发展预计，亚洲滚塑加工厂最多，大多为加工量小的小规模加工厂，按滚塑用树脂配混料消费量大小依次排序的地区为：
北美，西欧，亚洲。
人均滚塑用原料消费最大的地区为澳大利亚和新西兰，人均年消费量为1.95kg，以下依次为北美0.82kg，西欧0.45kg，而包括东欧在内的所有其他地区均小于0.1kg，日本也仅为0.07kg，属于滚塑成型不发达地区。
预计未来增长最快的地区则为亚洲、东欧和俄罗斯。
世界滚塑用原料年消费量为899kt。
根据P.Nugent提供的最新数据，目前全球约有2000家滚塑加工厂，每年树脂用量1000kt，约占世界塑料总用量的0.7%。
关于滚塑用原料报道不多，英国Bristol著名的世界塑料工业咨询、研究和分析服务公司AMI（AppliedMarketInformation）公司称，要定量报道欧洲滚塑工业不是一件容易的任务，该研究集团公司2006年发表综述：
《英国引领滚塑市场》，报道称欧洲每年滚塑成型约250kt聚合物，约有315家滚塑加工厂，大多数（200多家）为私人企业，而P.Nugent估计欧洲有450家左右滚塑加工厂。
英国和意大利是欧洲滚塑成型传统代表国家，分别占欧洲滚塑成型用塑料用量的19%和16%，分别有80家和78家滚塑加工厂。
欧洲其他国家滚塑用塑料用量按大小依次为：
法国13%，德国11%，比利时6%，西班牙5%，斯堪的纳维亚国家9%。
与其他塑料加工方法一致，欧洲滚塑加工成型也向包括中欧的东方转移，现在中欧滚塑用塑料量占欧洲总量的5%，波兰有22家滚塑加工厂。
4.5.2滚塑成型制品和市场
如上所述，没有关于世界滚塑工业总的统计资料，世界各地消费和应用结构有差异。
（1）与北美比，欧洲汽车和工业用滚塑制品占总市场中比例高，园林和道路应用比例高，而玩具、娱乐方面应用少；
（2）日本以罐、桶和容器为主要应用制品，占总量大部分，而玩具、汽车和其他工业用占有比例均低于北美和西欧。
AMI报告中分析指出，欧洲市场中英国鼓励小批量生产大型储罐采用滚塑成型法，故一直在欧洲居领先地位，法国和德国滚塑消费聚合物量低于英国和意大利的原因是大型储罐生产不采用滚塑成型法，德国历史上一直强调制品生产速度，因而采用吹塑成型法，比利时和斯堪的那维亚国家分别占有欧洲6%和9%消费份额，这是由于都有强劲的海上和船用应用领域的需求，这也是滚塑成型传统的一个有规模的市场，西班牙则是个制品设计活跃的国家，因而滚塑工业得到较好的发展，在欧洲中占有的比例接近比利时。
意大利滚塑设备生产厂Persico公司销售经理SergioZilioli称，水罐和化工应用罐是意大利用量最大的滚塑制品，约占意大利滚塑用聚乙烯消费量（45kt）的25%，其次为花箱，占16%，城市设施占10%。
在柏林举行的滚塑企业联合会（ARMO）上，P.Nugent提出了许多未来滚塑产品发展机会和应用领域，有水储罐，废水处理设施、雨棚和食品生产相关用品，取代木质托盘也被认为是一个重要领域。
滚塑制品可回收性好，因此滚塑工业是“绿色行业”。
大多数工业制品应用都分为初期进
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