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来自 工程科技 2019-11-25 14:56 的文章
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塑料中空吹塑托盘生产技术

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提起托盘,主要有纸托盘、木托盘、塑料托盘和金属托盘。目前托盘市场中纸托盘有专门用途,发展前景不大;木托盘由于价格相对较低仍旧占据主导地位;金属托盘则由于价高、笨重不易维修而导致市场逐渐萎缩,只有个别技术创新品种仍有增长;而塑料托盘是物料储运业的新产品,具有质轻、平稳、美观、整体性好、无钉无刺、无味无毒、耐酸、耐碱、耐腐蚀、易冲洗消毒、不腐烂、不助燃、无静电火花、可回收、使用寿命是木托盘8倍、回收价值高等优点,是现代化运输、包装、仓储的重要工具,由于集众多优点于一身,塑料托盘发展迅速,市场前景十分广阔,近年来大力开发木塑托盘,更是前景无限。

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托盘是一种为便于装卸、运输和保管而使用的可按照单位数量物品的负荷与铲车插口构成装卸用的垫板。由于它能根据需要改变形态和用法,对机械化装卸和运输有很好的适应性,因而发展成为一种重要的贮运包装工具。托盘按使用的材质不同可分为木托盘、钢托盘、铅托盘、纸托盘和塑料托盘。目前,拥有托盘的数量已成为一个国家物流现代化水平的重要标志。据韩国统计,以人均拥有托盘数量计算,美国为8块/人,欧洲为7块/人,日本为4±/人,韩国为1.1块/人。

近几年,塑料托盘的平均更新率和增长率一直保持在20%左右,其中石化、烟草、食品、医药和塑料托盘的数量更是成倍增长。就目前国内塑料托盘生产能力而言,5年~10年后才能基本达到供需平衡。因此,塑料托盘在我国正处于高速增长期。

超高分子量聚乙烯是分子量高达100万~600万的一类聚乙烯聚合物,具有的分子链长度是高密度聚乙烯的10~20倍。更长分子链赋予了UHMWPE的主要优势在于韧性、耐磨性和抗应力开裂性。由于它是聚乙烯的一种,UHMWPE也具有润滑性、耐化学性和通用HDPE的优良电性能。长分子链使材料在通用的模塑和挤塑设备上难于加工。加热到熔点以上,UHMWPE变成透明的,但不流动。主要应用于生产耐磨输送管道、机械零件、高强度纤维、锂离子电池隔膜等领域。

塑料托盘是20世纪70年代开发的新产品,具有强度高、质量轻、耐冲击、耐腐蚀、防水、防潮、防霉等优点,是现代企业运输、仓储的重要工具,是国际上规定的用于食品、水产品、医药、化学品等的理想包装运输器材。工业发达国家均把塑料托盘作为集装箱垫舱板。例如,日本把塑料托盘作为医药品包装的指令性用具,列人法律条款,并在食品、面包、啤酒、水果、水产、书籍、纸张、五金电器等方面优先采用。根据国际上的发展趋势,未来托盘将主要以塑料托盘为主。这是因为,对于木托盘而言,其主要材料木材作为森林资源,涉及到环境保护问题;而钢、铅托盘很难解决腐蚀问题;纸托盘则存在防潮差、承重低等问题。,我国开发塑料托盘起步较晚,1985年金陵石化公司塑料厂使用年产3万t的注塑机生产了高密度聚乙烯注塑托盘。经过十几年的发展,现年产量可达2万余块。

2007年将是塑料托盘快速发展的一年。保护环境,以塑代木以及国内外物流业的发展,为塑料托盘的发展提供了巨大的市场和商机。随着科技的发展,塑料托盘生产用原材料、工艺等也会随之发展。由于塑料托盘在使用和性能上的优势越来越为用户所认可,塑料托盘取代木托盘成为物流主导产品已成今后发展的必然趋势。

近日,扬子石化自主开发的超高分子量聚乙烯专用料YEU-200成功完成首次工业化,生产过程平稳,产品指标稳定,标志着扬子石化产品首次打开了工程塑料领域的大门。

根据塑料托盘的不同用途及型式,可采用中空吹塑成型、注射成型、注射压缩传递成型、气体辅助注射成型、压铸成型等方法生产。由于中空吹塑成型制品在产品性能上具有其它成型制品无可比拟的优越性,所以已成为物流界的新产品,越来越受到各方面的瞩目.

虽然塑料托盘的市场需求很大,但原材料价格居高不下也是塑料托盘制造企业不得不面对的严峻问题。2007年最有可能出现的现象是,企业在满负荷的生产,利润的增长却不成正比。

扬子石化研究院科研人员通过前期的市场调研,了解到目前国内超高分子量聚乙烯的市场需求量很大,不仅国产化比例低,且主要依赖间歇法工艺生产,产品的成本和市场价格均较普通聚乙烯每吨高出数千元。

1中空吹塑托盘的生产

国际油价的飙升带动了乙烯、聚乙烯、PX等化工原料的价格,作为石化下游产品的塑料托盘业难免成为被殃及的池鱼。塑料托盘售价200元/只,低油价时其成本只有80元/只;可是油价已经涨了几倍,现在仅原料成本就达到160元/只,加上人工、设备折旧等,企业基本没有利润,很多中小企业被迫停产关门。可以说,市场虽然广阔,忧患时刻都有。

为此,扬子石化研究院组织科研人员对超高分子量聚乙烯的结构性能等进行了详细的分析,结合塑料厂聚乙烯装置的现状,制定出了连续化工艺生产超高分子量的工业化方案,成功生产出了超高分子量聚乙烯。

1.1主要原材料

UHMWPE应用

中空吹塑托盘一般以高分子量高密度聚乙烯为主要原料,可加入20% ~30%的自身回收料,并可根据产品的不同用途添加1% ~2%的功能性母粒。

由于UHMWPE具有许多独特的性能,因而能够满足许多产业部门对材料的特殊要求,应用领域不断扩大,充分显示出这种材料的巨大优越性。UHMWPE主要用于生产管材、型材、纤维、中空制品和注塑制品,目前已在纺织、造纸、包装、运输、机械、化工、采矿、石油、农业、建筑、电气、食品、医疗、体育等领域得到广泛应用,并开始进人常规兵器、船舶、汽车等领域,今后还将扩大到其他新的领域。

HDPE的性能主要取决于其密度、分子量及分子量分布二个因素。密度越大,制品的刚性和硬度越高,耐化学腐蚀能力越强;分子量越大,聚合物流动越慢,性和耐环境应力开裂性就越好;分子量分布的宽窄则会直接影响聚合物流动的快慢。

耐磨输送管道

目前生产中空吹塑托盘使用的HMWHDPE是在低压和低温下,以过渡金属为催化剂使乙烯聚合而成的,通常为线性共聚物或均聚物,其重均分子量为20万~50万,密度为0. 944~0.954g/cm3,高载荷下熔体流动速兼具产品制造时对聚合物各方面的综合要求,尤其是它的高分子量使其具有极优良的韧性和耐环境应力开裂性,可抵御众多化学品的腐蚀;而它的高密度赋予产品足够的刚性和硬度。再加上其适中的分子量分布可明显降低高分子量聚合物在流动中的难度。

可用于煤、矿粉、水泥、石灰、盐、粮食的输送管道,耐磨性能比金属高10——50倍。

1.2生产设备

机械零件

生产中空吹塑托盘使用张家港华丰机械有限公司的HFB320型吹塑设备,两台挤出机采用KIV系统;壁厚控制采用MOOG200点型坯控制器,以获得高精度型坯;控制显示部分选用日本松下电工公司的EP10SH微机。

主要利用其耐磨性来制造低负荷部件,比如纺织机械中的投梭棒、打梭棒、齿轮、连接器、扫花杆、缓冲块、偏心块等,机床中的导轨、滑轨、摩擦轮等。

1.3生产工艺

衬里材料

中空吹塑托盘的生产工艺类似于箱包生产,比桶类中空制品生产工艺简单。示出中空吹塑托盘的生产工艺流程。表1列出它的工艺条件。在表1的工艺条件下吹塑成型托盘的生产周期为300~360s,其中冷却时间为140 ~160s,排气时间为60树脂助剂功能母粒色母粒一-I共混一~塑化挤出-I吹塑定型回收料一I I表1中空吹塑托盘的工艺条件项一段二段三段四段机筒温度/X挤出机1挤出机2机头温度U/X冷水温度/丈~~~吹塑压力/MPa注:1)分9段加热。

UHMWPE的力学性能不高,常用作金属的衬里材料,将金属的强度和UHMWPE的耐磨性结合在一起。

1.4性能测试

医用材料

制品―后加工现将两种规格双面托盘的试验测试结果列于表中空吹塑托盘生产工艺流程2.表2两种中空吹塑托盘试验测试结果项烧度/mm矣弯曲强度试验残余挠曲率/%性能由中国包装科研测试中心检验实验室测试。

UHMWPE的生理相容性好、耐腐蚀性好,常用于矫形外科零件、人工关节等。

2中空吹塑托盘的优缺点及与其它托盘的比较

高强度UHMWPE纤维

中空吹塑托盘的优点为:

这种纤维已用于竞赛帆船,这里要求材料具有抗霉变性和制成的零件具有尺寸稳定和重量轻的综合性能。这种纤维也用作复合结构的增强材料。

投人资金少。用大型挤吹中空成型机生产中空吹塑托盘,一机多用,降低投资成本,且模具成本低,投资少;

锂离子电池隔膜

外形美观。根据制品承重的特点,从力学原理入手,在模具上设计不同排列形式的圆形立柱及不同方向的凹槽,使制品表面带有防滑颗粒,由于使用冷冻水快速冷却,使制品表面平整,有较高的尺寸精度;

值得一提的是,采用UHMWPE制作锂离子电池隔膜为UHMWPE最新开发的下游应用。隔膜是锂离子电池的重要组成部分,其主要作用是隔离正负极起到短路保护作用和提供足够多的孔隙可以使得锂离子自由通过。UHMWPE锂离子电池隔膜具有在高温下保持尺寸稳定性、良好的抗外力穿刺性、优异的耐腐蚀和良好的闭孔性能,是近年来新能源电池领域的研究热点,在新能源汽车及储能电池领域存在巨大应用市场。

性能优良。制品经挤出吹胀一次成型,成型过程快速,物料在高融状态快速吹胀冷却定型,可消除内应力,使制品内在质量和性能稳定,符合国家标准要求;安全性好。不助燃、不导电、防滑、无毛刺飞边、无其它辅助连接,可确保货物和作业者的安全;

其它制品

寿命长。制品通过添加防老剂可提高户外使用寿命,一般条件下可用5年以上;恶劣环境下可用2年。使用寿命为木托盘的5~7倍、钢托盘的2~3倍;

UHMWPE耐辐射性好,可用于制造核电站遮盖板;冲击强度高,可用于制造防弹衣、滑冰、滑雪板等。

环保性能好。制品无毒无味,耐酸碱盐的腐蚀,易于清洗消毒,不腐烂,同时废旧托盘可回收利用,符合环保要求;

UHMWPE加工方法

运输成本低。托盘质量轻,可大幅度降低集装箱货物运输时的费用,进行对外贸易时,出人境无需像木托盘那样由卫生检疫部门进行熏蒸、消毒等处理;

一般加工技术

维护费用低。塑料托盘不需要修理、保养,即使外表损坏,只要内部的立柱粘接完好,就不影响正常使用;

——压制烧结

适应性强。中空吹塑托盘双向四向均可操作,又有双面、单面两种形式,可用于各行各业,提高工作效率和空间利用率;

压制烧结是UHMWPE最原始的加工方法。此法生产效率颇低,易发生氧化和降解。为了提高生产效率,可采用直接电加热法;另外,Werner和Pfleiderer公司开发了一种超高速熔结加工法,采用叶片式混合机,叶片旋转的最大速度可达150m/s,使物料仅在几秒内就可升至加工温度。

承载能力强。由于托盘按受力情况合理地进行了结构设计,使得承载能力强,均匀分布的承载能力为:静载荷3~4t,动载荷2~3t;架空载荷为1t.

——挤出成型

中空吹塑托盘的缺点有:

挤出成型设备主要有柱塞挤出机、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。双螺杆挤出多采用同向旋转双螺杆挤出机。

后加工工序复杂。中空吹塑托盘的后加工工序较复杂,每个制品的飞边都需要修整,而修下的大量飞边要进行分割、破碎工作,且每个制品在冷却24h后还要用电锯削切叉口,产生的边角料也要进行粉碎;

60年代大都采用柱塞式挤出机,70年代中期,日、美、西德等先后开发了单螺杆挤出工艺。日本三井石油化学公司最早于1974年取得了圆棒挤出技术的成功。北京化工大学于1994年底研制出Φ45型UHMWPE专用单螺杆挤出机,并于1997年取得了Φ65型单螺杆挤出管材工业化生产线的成功。

生产效率较低。生产中空吹塑托盘时虽采用冷冻水,以提高制品质量和生产率,但因制品有较大的飞边,整体消耗原料较多,这就要求设备有足够高的塑化能力,以缩短成型周期。中空吹塑托盘成型周期较长,一般1个周期为5 ~6min;而注射成型托盘1个成型周期约为3min,相对而言生产效率较低;

——注塑成型

制品刚度较低。由于成型方法不同,中空吹塑托盘的刚度不如注塑托盘,虽可通过添加增强剂来改善制品的刚度,但填充增强剂又会加快设备螺杆的磨损。

日本三井石油化工公司于1974年开发了注塑成型工艺,并于1976年实现了商业化,之后又开发了往复式螺杆注塑成型技术。1985年美国Hoechst公司也实现了UHMWPE的螺杆注塑成型工艺。北京塑料研究所1983年对国产XS-ZY-125A型注射机进行了改造,成功地注射出啤酒罐装生产线用UHMWPE托轮、水泵用轴套,1985年又成功地注射出医用人工关节等。

表3列出中空吹塑托盘与其它托盘的性能对比。从表3可知,中空吹塑托盘的综合性能优于其它托盘。

——吹塑成型

表3中空吹塑托盘与其它托盘的性能比较项n中空吹塑托盘木托盘钢托盘纸托盘耐化学腐蚀优差劣差耐潮湿优劣差劣虫蛀可能性不可能可能不可能可能件重轻较重很重轻对所载物保护性优差劣良对包装机保护性优良劣优平均寿命优劣良劣整体性优劣良劣使用性能优劣中托盘价格中优中优性能价格比优劣差良综合评价优劣差良3中空吹塑托盘的应用塑料中空吹塑托盘可在化工、医药、食品、日用化工等领域广泛应用,具有广阔的开发前景,尤其是在仓储和运输方面优越性明显。目前我国托盘的流通量每年约为8000万块。随着我国加人WTO和经济的持续发展,塑料托盘尤其是中空吹塑托盘必将在更多领域得到更广泛的应用。

UHMWPE加工时,当物料从口模挤出后,因弹性恢复而产生一定的回缩,并且几乎不发生下垂现象,故为中空容器,特别是大型容器,如油箱、大桶的吹塑创造了有利的条件。UHMWPE吹塑成型还可导致纵横方向强度均衡的高性能薄膜,从而解决了HDPE薄膜长期以来存在的纵横方向强度不一致,容易造成纵向破坏的问题。

目前中空吹塑托盘在石化、食品、铁路运输等行业的用量最大,主要用于这些行业的仓储、周转和运输。主要使用的是双面托盘,规格集中在1 100mmx150mm三种规格多为石化企业仓储及周转使用;1 200mmx150mm主要用于立体仓库的货架;1250mmX830mmx150mm的托盘多用于铁路物资周转。

特殊加工技术

总之,由于中空吹塑托盘优越的性能,今后必将在物流用托盘中占据主导地位,具有极为广阔的发展前景。

——冻胶纺丝

以冻胶纺丝—超拉伸技术制备高强度、高模量聚乙烯纤维是70年代末出现的一种新颖纺丝方法。荷兰DSM公司最早于1979年申请专利,随后美国Allied公司、日本与荷兰联合建立的Toyobo-DSM公司、日本Mitsui公司都实现了工业化生产。中国纺织大学化纤所从1985年开始该项目的研究,逐步形成了自己的技术,制得了高性能的UHMWPE纤维。

——润滑挤出(注射)

润滑挤出(注射)成型技术是在挤出(注射)物料与模壁之间形成一层润滑层,从而降低物料各点间的剪切速率差异,减小产品的变形,同时能够实现在低温、低能耗条件下提高高粘度聚合物的挤出(注射)速度。

——辊压成型

辊压成型是一种固态加工方法,即在UHMWPE的熔点以下对其施加一很大的压力,通过粒子形变,有效地将粒子与粒子融合。主要设备是一带有螺槽的旋转轮和一带有舌槽的弓形滑块,舌槽与螺槽垂直。在加工过程中有效地利用了物料与器壁之间的摩擦力,产生的压力足够使UHMWPE粒子发生形变。在机座末端装有加热支台,经过模口挤出物料。如将此项辊压装置与挤压机联用,可使加工过程连续化。

——热处理后压制成型

把UHMWPE树脂粉末在140℃——275℃之间进行1min——30min的短期加热,发现UHMWPE的某些物理性能出人意料地大大改善。用热处理过的UHMWPE粉料压制出的制品和未热处理过的UHMPWE制品相比较,前者具有更好的物理性能和透明性,制品表面的光滑程度和低温机械性能大大提高了。

——射频加工

采用射频加工UHMWPE是一种崭新的加工方法,它是将UHMWPE粉末和介电损耗高的炭黑粉末均匀混合在一起,用射频辐照,产生的热可使UHMWPE粉末表面发生软化,从而使其能在一定压力下固结。用这种方法可在数分钟内模压出很厚的大型部件,其加工效率比目前UHMWPE常规模压加工高许多倍。

——凝胶挤出法制备多孔膜

将UHMWPE溶解在挥发溶剂中,连续挤出,然后经一个热可逆凝胶/结晶过程,使其成为一种湿润的凝胶膜,蒸除溶剂使膜干燥。由于已形成的骨架结构限制了凝胶的收缩,在干燥过程中产生微孔,经双轴拉伸达到最大空隙率而不破坏完整的多孔结构。这种材料可用作防水、通氧织物和耐化学品服装,也可用作超滤/微量过滤膜、复合薄膜和蓄电池隔板等。与其它方法相比,由此法制备的多孔UHMWPE膜具有最佳的孔径、强度和厚度等综合性能。

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