[2007.01]多层共挤中空容器及生产装备发展状况

    从上述列表中可以看出，各种不同的原料具有不同的特性：HDPE、PP等除对气体的阻隔性差外，其加工性、成本和对水蒸气的阻隔性能优异，而PA和EVOH却对气体的阻隔作用非常优秀，但原料价格偏高。因此，单纯采用某一种原料都无法满足包装的各种需要。多层共挤技术作为一种特殊的生产技术，正是利用材料的特点优势互补，大大改善了制品的各项性能，如：阻隔、密封、耐腐蚀、耐高温、抗低温、抗菌、无毒、保鲜等性能。例如，通过共挤出高阻隔性的PA、EVOH等塑料，可提高制品对气体或液体的防渗透能力，明显提高被包装物的存放时间。

    采用多层共挤出技术，合理设计中空容器的层间结构，不但可以大大节省对高要求的贵重原材料的使用，同时也可以通过共挤出回收原料，减少制品的构成成本。由于多层共挤中空制品与单层、双层及三层共挤中空制品对比，多层共挤由于挤出层数多，制品结构设计明显灵活、方便。据有关数据统计：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料费要高约19％。另一方面，多层共挤制品在相同厚度下，其强度等物理性能指标也明显高于单层制品，据重庆一塑料中空制品厂家作过测试报告，在多层共挤制品中，每增加一个共挤层，制品的拉伸强度在相同厚度下大约能提高10～15％，因此采用多层共挤技术的制品可减少制品的厚度而强度等性能指标不变，有效减少材料的消耗。另外还可利用塑料发泡这一先进技术，在经过特殊结构设计的多层共挤系统的某一层所用的塑料原料中加入发泡剂进行微发泡，可以提高制品的保温、抗冲击等性能，同时减轻制品的重量，减少原料的耗用，节省和合理使用人类有限的石油资源。下面从多层共挤农药瓶、汽车油箱等的使用谈谈多层共挤中空容器的发展状况。

1、 农药包装“以塑代玻”

    要特别强调的是：在农药以及其它有毒产品的包装，多层共挤高阻隔塑料容器将取代玻璃瓶。我国是世界第二大农药生产国，可生产农药200多个品种，年生产能力超过750 000 t，产量近400 000 t，其中三分之二为液态剂型。目前，农药采用塑料容器包装的仅占10％，长期以来液剂农药一直采用玻璃瓶包装，其主要的缺点有四方面：
1）破损率高。据统计，玻璃瓶包装液剂农药从出厂到农户使用，破损率一般达到10～20％。
2）玻璃瓶内塞密封不良，严重泄漏。
3）玻璃瓶上的刻度不精确，计量不准，农药使用时容易造成过量或用量不足，导致和加速害虫、病菌的抗药性。
4）玻璃瓶难以回收，重量大，运输费用高。
农药包装质量的好坏直接关系到几亿农民的安全和利益，直接涉及到为“三农”（农业、农村和农民）服务的问题，关系到国计民生的问题。为改变液剂农药的包装问题，1992年原化工部就提出“以塑代玻”的发展战略。几年来，塑料行业按照“科学发展观”的要求，积极配合化工农药部门推广应用塑料瓶包装，现在每年使用1亿多个，促进农药包装的改进。农药采用多层共挤高阻隔塑料瓶包装可避免农药的泄漏、挥发，有效地保持药剂的药效，避免在包装运输过程中产生破碎及农药的挥发、扩散、污染环境，有利于避免因产品包装不善所造成的环境污染及经济损失。除此以外，对于农业用的各种消毒、催芽、崔根、无性繁殖等药剂取代玻璃瓶的包装也是一个福音。现实证明了塑料瓶包装农药、农用试剂具有良好的发展前景。

2、 多层共挤汽车油箱“以塑代钢”

    九五以来，我国汽车行业发展迅猛，据中国汽车工业协会名誉理事长说，到2010年中国汽车产销量将会超过原规划设想的600万两，达到800万辆左右，进入全球排名第三。而燃油箱作为汽车存放燃油的重要部件之一，其质量对于汽车的安全性、经济性具有重要影响。传统生产工艺条件下，汽车燃油箱都是采用金属材料经过冲压焊接制成的，随着现代汽车生产技术的发展和塑料新材料的出现，汽车用燃油箱逐步由塑料燃油箱取代金属燃油箱，进一步又由高隔性能的多层共挤塑料燃油箱取代单层塑料燃油箱。
塑料燃油箱具有以下优点：
1）轻量化。塑料的相对密度仅为金属的1/8～1/7，同容积的塑料燃油箱与金属燃油箱相比，重量可降低30～50％。如原来为8.5㎏的金属燃油箱采用塑料燃油箱代替后可降至5.6㎏，从而减轻了汽车整车质量，降低了燃油耗。据资料介绍，一般汽车整车质量每减轻1㎏，则1L汽油可使汽车多行驶0.1km。
2）塑料燃油箱形状设计自由度大，可最大限度地利用车辆的剩余空间，大大提高燃油箱的储油量。
3）塑料燃油箱的研制周期比金属燃油箱的研制周期短，费用低，方便汽车的设计、制造和改型。
4）塑料燃油箱的安全可靠性高，耐冲击，耐腐蚀，不爆炸，是金属燃油箱所不可比拟的。
5）燃油渗漏量少。多层共挤塑料燃油箱的优点在于其优良的阻隔性能。每个40 L的HDPE单层燃油箱在40 ℃的条件下每天（24 h）挥发渗漏燃油20 g，而EVOH在40℃的条件下每天只渗漏燃油0.1 g，是HDPE单层燃油箱渗漏燃油的0.5％。 20 g / 24 h的汽油渗漏量对一部汽车来说每年只渗漏了7.3 kg，数字并不大，但是，对全国所有的车辆来说却是一个巨大的数字。汽油的渗漏造成资源浪费、经济损失和严重的环境污染。

    据有关资料介绍，到1995年，欧洲90%的小汽车已全部采用塑料燃油箱，北美地区有67～70%的小汽车和轻型车采用塑料燃油箱，福特公司1997年汽车塑料燃油箱的使用率已达到100% 。美国加州、俄州等地区法律规定汽车必须使用多层共挤塑料燃油箱。

    在我国，从八十年代末期才开始生产和使用汽车塑料燃油箱。目前只有中高档轿车采用多层共挤塑料油箱，而单层塑料油箱，甚至金属油箱的应用还很多。面对加入WTO以后中国汽车行业飞速发展的市场前景，作为汽车必要配件之一的塑料燃油箱也具有广阔的发展空间，而且随着国家对于汽车产业的环保和安全要求标准的不断提高，金属燃油箱和单层塑料燃油箱必然会被最终淘汰。据专家透露，中国政府计划从2000年到2010年逐步在中国汽车市场实施等同于欧共体EUⅠ、EUⅡ、EUⅢ、EUⅣ、EUⅤ号标准要求的管理办法，这意味着阻渗性能不高的单层塑料燃油箱将在六年内彻底被多层塑料燃油箱取代。因此，多层共挤塑料燃油箱具有广阔的发展空间。

    综上所述，多层共挤中空制品必将在中空制品领域内占有越来越大的比例，影响和促进作为生产多层共挤中空容器的设备的发展。
由于多层共挤中空成型机的复杂性，我国在这方面与先进国家相比还有较大的差距。据扬州YAPP的司树伦先生介绍，该公司引进德国KRUPP KAUTEX公司的挤吹设备，尽管该设备使用了十几年，但目前各项性能依然完好。这也间接说明国内设备在可靠性和稳定性方面跟国外设备差距还比较大，虽然近几年来，国家鼓励发展高科技含量的多层共挤塑料中空成型机，但由于国内多层共挤技术起步慢、水平低，缺少核心技术，现有产品挤出技术落后，控制水平低，自动化程度差，无法适用于PA（聚酰胺，俗称尼龙）、EVOH（乙烯－乙烯醇乙烯共聚物）等高阻隔原料的共挤加工，从而无法生产高精度等要求的高阻隔容器和工业制品。如何研究功能及性能可靠的产品，需要从以下几个方面加强研究开发。

1、研究多层共挤设备的挤出系统。

    众所周知，挤出系统是多层共挤设备的关键部分，它主要由挤出机、多层共挤机头和型坯控制系统组成，挤出成型的好坏直接影响到制品的质量。目前，国内大多数厂家基本解决了挤出机的塑化问题，开发了高塑化性能和高输送能力的螺杆、机筒，大力推广和应用了带强制喂料、强制冷却的高产量塑化挤出的“IKV”结构。但在各挤出机层间比例控制方面关注不足，在多层共挤产品中，各层厚度比例以及贵重添加剂含量控制更加重要，其稳定性将影响制品的质量。传统生产过程中，每层厚度都须根据经验对挤出量进行调整，当原料转变成为产品后才能检测出来，很难保证产品质量的稳定性, 同时在多层共挤原料中不同成分比例经常需要按照产品配方改变，这就要求吹塑机能提供自由灵活可变换的原料配置系统,而应用自动称重系统能较好地解决这一问题。目前，自动称重喂料系统在进口设备中已经广泛应用，但国内的设备还很少采用，主要是考虑到要增加不少成本，但是，从长远考虑，收益要远远大于投资。由于原料密度变化、松散度的变化、粒料形状大小的不同以及原料流动性质的差异，所引起的物料产量的变化，将通过自动称重喂料系统予以记录并得到控制，通常可节省2-5%的原料。同时自动称重喂料系统完全由PLC实现自动控制，具有通信功能，可以由主计算机设定、监控生产的各项参数，例如各层挤出的配比、产量等数据，为生产的自动化提供保证。
多层共挤机头是中空成型机的心脏，通常模头的设计分为结构设计和参数设计两个阶段，在结构设计上多层共挤机头一般有两种结构形式：螺旋芯棒式结构和叠加式结构，见下图。

                        螺旋芯棒式结构                                叠加式结构
    螺旋芯棒式结构在中空吹塑机上一般采用侧向进料，这种模头挤出的管坯分子取向及排序呈平行的树枝链，熔体在各层芯棒的汇料熔合处（此处刚好是熔体低压区）汇合，产生 “合料缝”。“合料缝”是制品容易破裂的强度薄弱区域，加上中空成型制品吹胀比很小，横向拉力、抗撕裂性能和机械强度低，为达到一定要求的横向拉力和机械强度，符合国际标准，必须增大制品的厚度和重量来补偿强度不足的问题，造成制品重量大、成本高。而且这种模头的加热依靠模头外壳的加热器直接对多层套筒圆环状的模头流道进行加热，为缩短加热时间，只能在模头圆环套中加插轴向加热棒，从模头的横截面来看，就成了圆周上的分布的几个加热点，使模头沿圆周方向出现加热温度不均匀的缺陷，因为模头直径大，重量重，因而加热时间长，例如：一个200L汽车油箱机头重达12t以上，每次加热的时间长55h。当停机后重新启动重新加热时，模头里面的积料容易受热分解，恢复制品生产时要挤出大量的不能进入成型的原料，造成浪费。另外，螺旋芯棒式结构只能局限单一的产品生产，当制品结构发生变化时整个挤出系统必须全部更换，增加生产成本；同时无法对各层原料的加工温度进行单独控制，给机头参数设计带来难度,而叠加式结构较好地解决了上述问题。该结构形式的特征是熔融体是在水平方向彼此叠加的片层模具中进行分配。多层模具中各层熔融流道具有各自独立的“分配盘”，在环形流道中熔融体垂直地流向模口方向，在此过程中一层层的熔融体从外侧叠加起来。分配盘的各分配流道采用了等长无死角结构，充分保证了熔体分配的均匀性和消除了积料的可能性，所加工的制品有出色的均匀度和物理机械性能。各分配盘间有隔热气体夹层，可在层与层之间起到隔热的作用，降低了相邻层的温度影响，这样可根据实际需要对加工工艺温度相差很大的原料进行加工。金明公司开发生产的七层共挤燃油箱设备采用了七层共挤的平面叠加模头。事实证明该结构的机头料流流动均匀，无漏料及混层等现象；每个机头的单元能独立加热和控制温度，有效地减少层与层之间温度的干扰。内部不存在汇料熔合的低压区域，管坯没有“合料缝”产生，由于各层相邻之间的熔体分配的螺旋流道的旋向相反，所以其分子链呈左右螺旋方向纵横交错的树枝链复合，不论熔体强度还是管坯与制品纵横各个方向的机械强度、抗撕裂性能都很高，所以在同等强度要求的情况下，制品可以相对地减薄、减轻质量，能节省原料，节省电耗，降低制品的成本和运费，实现各种特殊原料制造多层复合高阻隔制品。另外，参数设计方面，国内大多数生产厂家基本停留在经验设计的基础上，与发达国家差距较大，这样不但延缓了开发周期，而且多次修模加大了制造成本，积极的做法是应用先进的CAD/CAE/CAM技术。在多层共挤大型中空成型机机头设计上，目前国内还几乎没有属于自己的计算机流体分析软件。另外，机头质量的保障除设计外，采用优质的钢材、精密的加工设备和规范的装配流程也非常关键。
    型坯控制系统主要分为径向壁厚分布系统（PWDS）与轴向壁厚分布系统（AWDS）。型坯形成是指通过挤出成型得到半熔融状态的塑料管坯(型坯)。随着中空吹塑制件的几何形状越来越复杂,设计良好的预成型型坯对以最小的材料消耗获得所需求的壁厚分布且结构稳定的制件有着重要的意义,也就是在型坯成型阶段通过采用调节型坯的壁厚分布形状,以使吹塑制品的壁厚分布趋于均匀。另外，由于型坯形成时的挤出膨胀、下垂、回弹等因素使得型胚成型阶段型胚尺寸在长度方向不一致而变得非常复杂。因此，采用型坯控制系统意义非常重大。目前大多数商家几乎在大型中空成型机都有使用轴向壁厚分布系统。其控制点数根据使用的软件不同有64点、100点、300点等。轴向壁厚分布系统只能对轴向的各个截面有不同厚度分布，但对于在对称方向有较大拉伸要求的制品却无法控制。径向壁厚分布系统正是为解决此矛盾而应运而生的一门技术。它分为两种形式：一种是柔性模环控制，见下图。