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滚塑成型用材料和应用市场

浏览次数:   发布时间: 2011-08-04 13:04:12

滚塑成型(rotational molding或rotomolding),亦称旋转成型(RM),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
滚塑成型(rotational molding或rotomolding),亦称旋转成型(RM),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。

1、滚塑工业概况
滚塑工艺一般用于成型其他塑料加工成型方法无法成型的形状复杂的中空制品,设计自由度大,无熔合缝,可成型大规格制品,包括从简单的储存罐到先进、高档的汽车、医疗和航空航天部件。最终制品规格小者可小至儿童玩具头部,大者可大到容量高达22000加仑(80000L)的特大型储罐。具体为从家用箱桶到工业容器,从小型球形器皿到耐高腐蚀性材料桶罐;包装用化工容器,其他工业运输设施壳体,软化水槽和运输箱;儿童玩具部件;显示数字;高尔夫球车、足球、运动场和运动比赛等体育设施,真空吸尘器、除尘器和除草器壳体;交通路障栏;显示器罩;船身等。

滚塑成型能生产壁厚非常均匀的部件,特别适用于成型其他塑料加工方法不可能成型的表面积大、厚度均匀的平滑表面制品,成型时液体状和粉料状塑料容易进入旋转模具中的拐角和深处,然后通过模具壁传导的热量熔融。小规模生产大规格制品具有较高的性价比,成型过程中,模具不受压力的影响,因此可以选用价格相对便宜的薄金属板制造模具,也可以用轻质铸铝和电铸镍制造,都是质轻和成本低的材料。大型滚塑设备用价格不贵的燃气燃烧或热气加热炉,旋转设备质轻,因此经济上有竞争优势。22000加仑的最大储罐壁厚达1.5英寸 (38mm)。用去2.4t(5300磅)交联聚乙烯(XLPE)。整个生产过程需要3次充模,第一次充料约1.5t,第二次约0.45t,第三次约0.45t。

然而,滚塑工业仍处于发展时期,其生产工艺看起来简单和低端的终端市场通常导致人们对它有些不够重视。现在塑料市场趋势往往是要求生产一体化部件和缩短成型周期以及总生产数量少,因而提高了人们对滚塑成型的关注,重要的是这种市场关注吸引了大型树脂材料供应商的注意,并加强开发滚塑用材料,这是滚塑工业未来进一步发展的关键因素。

2、滚塑成型用树脂和配混料
滚塑用材料要求

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。

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。

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。

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。

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。

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。

折断(failure)伸长率应高,以符合大部分的应用要求。

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。

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。

3、滚塑制品和市场
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。

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)。

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。

滚塑成型与其他中空成型方法比较

中空成型有吹塑、滚塑、热成型和气体辅助注塑成型法等多种方法,大型中空制品成型工艺有吹塑、滚塑和热成型法。

滚塑适宜设计和加工复杂形状和侧面有孔的制品,多种内表面可同时成型为主要特点,发泡制品壁厚均匀性优于吹塑成型法。吹塑成型法原料贵,制品尺寸稳定性好,翘曲小,成型时间短,产量高,人力和能源成本低。热成型(片材)法加工设备贵,而制品强度是3种方法中最高的。

世界滚塑工业和原料消费量

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着名的世界塑料工业咨询、研究和分析服务公司AMI(Applied Market Information)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。

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。

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。

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Sergio Zilioli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(45 kt)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入期、成长期、成熟期和衰退期几个阶段,以滚塑制品用量最大的储罐和未来主要发展方向的工业应用为例看滚塑的未来前景和动向,北美和西欧的储罐应用已接近成熟期,而澳大利亚、非洲和亚洲等国家和地区则是处于成长期或刚进入成长期。而关于工业应用,北美和西欧才进入成长期,亚洲等其他地区均处于初期进入期,预计未来滚塑制品在清洁饮用水储罐系统上有较大市场增长发展空间。

4、结语
滚塑成型是塑料加工工艺中历史相对短、目前总体规模小的加工成型方法,滚塑工业已成为塑料工业中有活力的分支工业。现在滚塑成型用塑料用量占世界塑料总用量的0.7%左右,总量约1000kt,经济和成本仍是其发展制约因素,滚塑成型加工方法特点限制了可用塑料(树脂及树脂配混料)种类和范围。聚乙烯一直主导和控制滚塑用原料市场,占有份额高达95%左右。滚塑成型适于生产结构复杂和大型中空容器类制品,与其他中空成型方法比,具有设计自由度大、最终制品壁厚均匀、拐角厚度大和残余应力小、模具成本低、容易切换和制作快等优点,是多品种、小批量生产加工方法的最佳选择。各种罐、桶是滚塑成型用量最大的最终制品。在汽车和其他工业上应用处于起步阶段,以聚乙烯为原料的清洁饮用水储罐应用前景看好。

欧美和日本应用结构不全相同,北美和西欧滚塑成型和应用处于领先地位,亚洲、非洲和东欧等地有巨大潜在市场空间。预计通过优化最终制品设计,开发新应用领域和利用滚塑成型设备的进展,设计自由度大的滚塑成型制品将进入更多应用行业,满足市场需求。

无锡新龙科技有限公司专业生产无焊接缝聚乙烯储罐和大型钢衬塑防腐贮罐、钢衬塑(PE)储罐、反应搅拌罐、汽车运输槽罐、运输化学品船用储罐、钢衬塑管道等化工设备。
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