楊衛(wèi)民 邱建成 賈 輝 朱建新 徐文良 何建領 馬建軍

(北京化工大學 蘇州同大機械有限公司)

一、微層吹塑技術簡介

在自然界和社會現(xiàn)實應用中，許多性能優(yōu)異的材料大多采用層狀復合結構，如樹木、竹、骨、貝殼、玻璃鋼、防彈衣、新型裝甲車外殼、阻隔包裝膜、消聲瓦等。但工業(yè)應用的層狀結構連接通常為機械連接、膠接連接和混合連接，難以實現(xiàn)微納米層厚，并且層數(shù)一般不超過10層。微層吹塑共擠出技術采用共擠出的形式，具有可連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點，但該技術與目前常規(guī)應用的共擠出技術存在本質(zhì)差別。三種高分子塑料原料分別投入三臺擠出機塑化擠出，在匯流處疊合成多層的片狀熔體材料，然后流經(jīng)特殊設計的分層疊加單元進行切割分層，經(jīng)過多層復合材料經(jīng)轉換段形成管坯，再經(jīng)定型口模形成理想的復合管坯，最后在模腔內(nèi)吹塑成型。復合管坯的層數(shù)和層厚具有可設計性，分別由微層共擠系統(tǒng)中分層單元個數(shù)和三臺擠出機的轉速比控制，層數(shù)可以達到千層以上，單層層厚可達微米甚至納米級。其結構特點是性質(zhì)不同的兩種高分子材料交替疊合，呈現(xiàn)出規(guī)整的雙連續(xù)結構。從結構上來看，類似于布鞋的千層底。此種結構在力學、阻隔、和導電等性能方面顯示有獨特優(yōu)點。

微層共擠中空塑料成型使中空容器具有更優(yōu)異的阻隔性、阻氣性、防潮性、遮光性、保鮮性、健康性、無害性等綠色技術性能，微層厚度達到納米級別將可能應用于航海、航空、航天等高新科技領域的新型復合材料。由于微層制品的這些特點，從而可實現(xiàn)制品輕量化、資源節(jié)約化、廢棄物資源化的低碳革命、低碳經(jīng)濟、低碳包裝的可持續(xù)發(fā)展。

TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線包括擠出機、微層機頭、開合模機構、機架、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、后冷卻自動去飛邊系統(tǒng)。TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線生產(chǎn)最大容量為30升以下的制品。在目前的情況下，兩種聚合物比較容易實現(xiàn)16層，或是64層。三種聚合物比較容易實現(xiàn)24層，或是96層。TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線其主機部分由三臺70mm擠出機同時向微層機頭供料(三種料進料比例為1:1:1，可以通過調(diào)整擠出機速度調(diào)整各種原料的使用比例)，通過微層機頭實現(xiàn)疊層、成型塑料型坯，最后在模腔內(nèi)吹塑成型制品。設備基本布局和微層管坯示意如下兩圖:

二、微層吹塑成型技術路線

三、技術水平及創(chuàng)新

1、技術水平:依據(jù)查新報告，查新本產(chǎn)品未在國內(nèi)發(fā)現(xiàn)有類似產(chǎn)品，與國外同類型產(chǎn)品相比處于領先地位，居國際領先水平。

產(chǎn)品關鍵技術:

A、微層技術:是由多臺擠出機向機頭內(nèi)部供料，經(jīng)過流道形成一個多層型坯，多層型坯經(jīng)過多個疊層器進行疊層，制成一個由交替微層材料構成的疊層塑料型坯。這些微層可以是幾分之一毫米～幾十分之一毫米厚，它們是一種新型疊層倍增技術與獨特的模頭幾何結構聯(lián)合作用的結果，從而形成了具有更多層數(shù)的結構;理論上這種疊層可達到3072層以上;

B、采用微層共擠擠出吹塑技術成型的24～192層的帶透明線30L塑料桶制品，可較大的提高塑料制品的阻滲性能，可實現(xiàn)相同壁厚的塑料制品的情況下，力學強度較大幅度提高。此外還可以在此基礎上，采用三套微層擠出系統(tǒng)進行堆層疊加。該疊層技術可使原來24層的微層擠出吹塑成型增加到96～192層的帶透明線的30L塑料桶或是塑料容器;

C、微層共擠擠出圓形料坯，經(jīng)過層疊器的料坯已經(jīng)達到微層結構，微層料坯需經(jīng)過轉換器將片材型坯轉換成圓形料坯;

D、微層共擠擠出管坯技術的關鍵，在于對疊層的交錯搭接、形成熔接線的高度增強熔接，極大的增強了熔接線的強度，提高了塑料桶或是塑料容器的強度與力學性能;

E、微層共擠擠出吹塑成型技術，還特別適合需要特別增強的超強塑料容器制品生產(chǎn)，因為采用微層共擠擠出疊層吹塑技術，可采用多種不同組分的塑料原料與高度增強的塑料進行微層吹塑成型，生產(chǎn)超高強度的塑料容器，滿足一些特別需要;

F、采用智能化后冷卻自動去飛邊系統(tǒng)，去飛邊效果更好，減少了操作人員。同時采用了獨立設計模式，自適應性強，更好的滿足了系列內(nèi)多種規(guī)格產(chǎn)品去飛邊裝置快速更換的要求，為設備的技術改造和升級提供了一種嶄新的模式。

現(xiàn)今，采用共擠吹塑方法一般只能生產(chǎn)最多6～9層結構的容器，用來增強容器的阻透性、強度、耐劃傷性、可印刷性和防靜電性能。中空吹塑多層制品的實現(xiàn)方式，目前以多臺擠出機加管套式機頭的形式為主。以汽車燃油箱為例無論國外制造商還是國內(nèi)制造商，燃油箱的一般為6層，同時需要6臺擠出機和復雜的擠出機頭。具有功能材料交替層的微層共擠容器可以獲得比傳統(tǒng)多層結構更高的性能。

2、技術比較

①、傳統(tǒng)的多層中空吹塑成型是采用幾臺擠出機將各自塑化的樹脂，同時擠入多層機頭，通過歧管形成同心的多層結構，并通過芯棒成為多層型坯，然后再進行吹塑。也有的是采用特殊的貯料缸機頭形成3-5層的多層型坯。在貯料缸內(nèi)各種塑化塑料是彼此分開的，各貯料缸的擠出可以分別進行。然后采用環(huán)形活塞將各種塑料壓出，在機頭頂端各層塑料熔融粘結形成多層型坯。多層吹塑的關鍵是控制各層塑料間的熔接。有兩種粘結方式:一是至少在一層內(nèi)混入有粘結性的樹脂，這種方式層數(shù)較少，并能保持一定的強度，但成本較高?；烊胗姓辰Y性樹脂的量，需在不損害構成各層樹脂的阻隔性和強度等性質(zhì)的范圍內(nèi)。二是增設粘結材料層，使粘結劑介于各層界面之間，要增加擠出粘結材料用的擠出機，使設備及操作變得復雜。

與傳統(tǒng)的多層中空吹塑成型相比較，TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線采用微層技術，共擠出工藝產(chǎn)生的結構層數(shù)遠遠超過三層、六層，可以達到24層或96層，以下是部分技術優(yōu)點:

◆改進阻隔性能。產(chǎn)品中的阻隔層數(shù)量大幅度增加，使氣體和水分子的擴散途徑更加“曲折艱難”;

◆節(jié)約高成本物料。聚合物的許多關鍵性質(zhì)不會隨著層厚的降低而成比例降低，因此采用微層技術后，可以節(jié)約高成本的高性能樹脂，同時性質(zhì)又能達到希望的水平;

◆新的性能組合。相同的聚合物，分散為一層或兩層，還是分散為許多超薄的層，對最終產(chǎn)品的性能有不同的影響。

②、目前將微層技術運用中空擠出吹塑領域的美國陶氏化學公司，其加工出的350ml圓瓶，它具有1.25mm的均勻壁厚，包含33層 HDPE和LLDPE的交替層。陶氏微層技術，使材料在進入模頭前，先被制成一個由交替微層材料構成的堆層，堆層料再進入心形側進料機頭，在微層平面堆層成為一個管子時，其邊緣搭接，使它保持一個均勻的層結構，在熔接線處沒有縫隙。

與陶氏技術相比較，TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線具有以下優(yōu)點:

◆與傳統(tǒng)層倍增模具原理不同的層疊器，陶氏層疊技術在分層、層疊、展寬需要通過幾個功能模塊實現(xiàn)，TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線運用的疊層技術采用北京化工大學楊衛(wèi)民教授發(fā)明的疊層技術;

◆陶氏350ml圓瓶，其層疊模塊和成型管坯的機頭是分開的，從其型坯的截面觀察，其中心和外側及搭接處分層不明顯，這是由于其本身的流道路徑所致。TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線管坯成型技術為先將擠出機擠出的棒材料坯轉換成片材，將片材料坯重疊，經(jīng)過層疊器疊層復合片材，經(jīng)過轉換器將復合片材轉換為半圓形料坯，通過搭接段形成理想的圓形管坯。這種工藝方法不用將疊層后的料坯再經(jīng)過心形機頭，從而保證了制品的一致性;

◆ 與陶氏試驗的350ml小瓶相比，TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線可以生產(chǎn)容量30L以內(nèi)的工業(yè)使用制品，實現(xiàn)了數(shù)量級的跨越，并可實現(xiàn)對塑料型坯的壁厚精確控制。

◆TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線具有后冷卻去飛邊系統(tǒng)，大大提高了制品合模線物理強度，同時提高了生產(chǎn)線的全自動化水平。

四、成本與需求

隨著微層技術在擠出吹塑行業(yè)的進一步研究開發(fā)，微層技術必為這個行業(yè)帶來更加廣闊的應用前景。以下從投資成本、潛在市場等方面進一步說明。

1、設備成本降低

①、減少擠出機臺數(shù)。目前用于生產(chǎn)6層汽車用燃油箱的吹塑設備，都是有6臺擠出機供料。TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線加工24層制品或96層制品都只需要三臺擠出機。

②、機頭形狀尺寸小。TDB-30W微層吹塑中空成型機機頭無論是外形尺寸上還是重量方面都遠遠小于相同容積6層燃油箱的吹塑設備機頭。

③、生產(chǎn)效率高。TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線是雙工位連續(xù)生產(chǎn)。

④、智能化生產(chǎn)。TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線能實現(xiàn)從進料到制品成型、后冷卻去飛邊、廢料收集粉碎等制品生產(chǎn)過程實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

⑤、設備所占空間小。由于擠出機臺數(shù)減少、機頭尺寸小等優(yōu)點，與6層燃油箱吹塑設備比，TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線空間利用率更高。

2、制品成本降低

①、增加回收料使用。微層技術能給在產(chǎn)品芯部使用消費后回收材料的加工商帶來收益。將消費后回收材料夾入內(nèi)層并且可實現(xiàn)每層交替使用新舊材料可以減少制品力學性能的損失，因為回收材料層在任意兩側都連接有新料。

②、減少高成本塑料原料使用。三層共擠阻隔制品所需的材料費比五層共擠阻隔制品所需的原材料費要高約19%。微層共擠制品在相同厚度下，其強度等物理性能指標明顯高于六層以下制品強度，因此采用微層技術的制品可以減少制品的厚度而物理力學等性能指標得到提高，可減少材料的消耗。

③、能耗減少，單個制品能耗降低。因為TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線擠出機臺數(shù)減少，機頭尺寸減小，需要加熱的零部件減少，從而單個制品的耗電量大為減少。

從以上幾點可以看出，微層吹塑技術不僅僅在設備成本大為減低，對于制品生產(chǎn)廠家來說，在減少原材料使用的同時可生產(chǎn)出更高質(zhì)量的制品，從而取得更高的附加值。

3、未來技術創(chuàng)新點與市場分析

通過在塑料中添加碳纖維、玻璃纖維、石墨烯等高強度增強材料等，可達到增強塑料制品各種物理特性的目標。多層技術就是利用某些層的特殊功能，并將多種特殊功能進行組合。在微層技術中，各特殊功能復合層不僅僅是一層兩層往往能達到幾十層乃至幾百層。微層技術將塑料合金從概念推進到實際運用中。塑料質(zhì)輕，一般塑料的密度在0.9-2.3g/cm3之間，只有鋼鐵的1/8-1/4，而各種泡沫塑料的密度更低，約在0.01-0.5g/cm3。有些增強塑料的比強度甚至超過鋼鐵。復合塑料化學穩(wěn)定性高、耐磨性能好、透光及防護性能優(yōu)良、減振消音性能好等優(yōu)點。美國對纖維增強塑料復合材料的需求預計每年攀升4.7%，在2017年達到43億磅(19.5億公斤)，價值近230億美元。

①、在航空航天工業(yè)中復合材料的使用比例越來越高?？湛虯380飛機其結構重量的25%為復合材料，波音787復合材料占其結構重量的50%。歐洲的A400M屬于新一代大型軍用運輸機，復合材料占其結構重量的35%-40%，碳纖維復合材料占機翼結構重量的85%。這些復合材料工藝主要為粘接、模壓、樹脂傳遞模塑、纖維纏繞、拉擠等。塑料合金采用微層技術使高強度材料(碳纖維)和微層塑料復合的新型材料，其可塑性強，可將多個零件組合成一個零件而提升其品質(zhì)。

②、在軍事領域中坦克防護、單兵武器系統(tǒng)防護等方面運用。近年來軍事科研領域研究者展開了高強聚乙烯纖維增強塑料層合板的抗彈性能研究。利用微層技術可以大大提升層合板的機械強度，減輕層合板的重量。

③、在船舶與海洋工程領域大型塑料制品的結構設計與應用領域有著廣闊的發(fā)展前景。推進船艇輕量化，我國船舶工業(yè)在復合材料研究和應用方面的觀念、技術需要進一步更新。突破船舶大型結構件應用符合材料制造的難題，提高復合材料產(chǎn)品裝船率。不飽和樹脂基玻纖增強高分子復合材料的現(xiàn)代游艇、組合式復合塑料碼頭等等，利用微層中空成型技術可使這類大型、超大型高分子制品的加工制造工藝簡化，成本降低而性能更優(yōu)。

④、石油天然氣化工行業(yè)需要大量管道，輸送石油、天然氣、油氣混合物、腐蝕性物質(zhì)等。管道要求滿足耐腐蝕性能好、足夠的韌性和機械強度、便于運輸安裝、阻力小能耗低、管材性能可靠、壽命長等等。目前比較先進的產(chǎn)品有玻璃纖維增強連續(xù)塑料復合管、金屬骨架塑料復合管等無論是其加工工藝復雜、成本高，成為其廣泛推廣使用的阻力。微層成型管坯技術不僅成型工藝簡單、制品成本相對較低，并且突破了以前需要不同材料宏觀復合的瓶頸。

⑤、在汽車工業(yè)中復合塑料的運用。為了節(jié)能降耗、提高車速、改進外觀和舒適性達到降低成本的目的，汽車廠商越來越多地使用塑料及塑料復合材料來替代各種有色金屬和鋼材。隨著微層中空成型技術推廣，汽車發(fā)動機零件如進氣歧管、空氣濾清器總成、燃油管、氣門蓋和發(fā)動機罩蓋等，復合塑料有取代鋁合金材料的趨勢。

⑥、在消防領域的運用。Frontier Inc.公司在K2013展會上展出了世界上第一個熱塑性吹塑成型的滅火器。將微層技術運用于這些潛在領域?qū)⑦M一步降低材料成本，提高強度。

⑦、傳統(tǒng)的市場運用，微層技術的高阻隔性能提升了食品藥品的安全性，可以用于飲料包裝，新鮮食品封裝運輸?shù)鹊取?/p>

除各種潛在的市場領域外，微層中空成型技術在傳統(tǒng)吹塑領域?qū)砀锩缘母淖?。例如三?5升塑料桶，采用傳統(tǒng)的機頭成型的制品重量在1170克，而采用微層技術加工出的24層制品重量為原來的75%，96層制品重量為原來的70%。微層技術制品的阻透性、機械強度都遠遠高于傳統(tǒng)的吹塑工藝制品。TDB-30W微層吹塑中空成型機生產(chǎn)線如果需要用于燃油箱吹塑，使用6臺擠出機層數(shù)可以增加到48層或者192層。

隨著對微層吹塑技術研究的深入，采用這一高新技術進行微層吹塑成型將是未來的發(fā)展趨勢，其市場需求與潛在市場需求將會極為巨大，微層吹塑的制品將可能年銷售達到數(shù)十億。