1.3　挤出中空吹塑成型新技术

随着挤出中空吹塑技术研究的深入，各种新技术层出不穷，目前已经得到应用的主要有微层中空吹塑成型技术、深拉伸中空吹塑成型技术、预成型中空吹塑成型技术、多重壁中空吹塑成型技术、全电动驱动中空成型机节能技术、电液混合驱动中空成型机节能技术、电磁感应加热节能技术等。为了使读者有一个大概的了解，下面将分别进行介绍。

1.3.1　微层中空吹塑成型技术

微层中空吹塑成型技术是近年来我国在挤出吹塑中空成型机前沿技术研究方面厂校合作的典范，该项新技术由苏州同大机械有限公司与北京化工大学机电学院合作完成。经过两年多的理论研究、计算机设计等方面的工作，投资研制了世界首台微层吹塑机生产线，该生产线采用双工位设计，可成型容量为30～35L的49层微层的塑料容器，实现智能化控制与生产。该生产线经过多次试车试验生产，在多项关键技术上已经取得了重大技术突破，从理论上和实践方面证明了微层中空吹塑成型的可行性与产品性能的独特性。该生产线已经申请多项国家发明专利和多个国家与地区的发明专利。

图1-14为微层49层流道示意图。

什么是微层中空吹塑技术？具备什么样的条件可以称为微层中空吹塑技术？这项新技术具有什么特点，下面将尽可能多地介绍这项新技术的独特性以及采用这项新技术成型的塑料容器的独特性能。

微层中空吹塑技术是微纳层中空吹塑技术的简称。目前常规的多层吹塑容器如轿车的塑料燃油箱一般只是6层，而微层吹塑容器目前可以达到49～200层，这种层与层的界面在显微镜下面显示得非常清晰，是其他常用的吹塑技术不可能达到的。

在自然界和社会现实的工业产品应用中，许多性能优异的材料大多采用层状复合结构，如树木、竹、骨、贝壳、玻璃钢、防弹衣、新型装甲车外壳、阻隔包装膜、消声瓦等。但工业应用的层状结构连接通常为机械连接、胶接连接和混合连接，难以实现微纳米层厚，并且层数一般不超过10层。微层吹塑共挤技术采用共挤出的形式，具有可连续生产的优点，但该技术与目前常规应用的共挤出技术存在本质差别，它采用3种塑料原料，分别投入3台挤出机塑化挤出，在汇流处叠合成多层的片状熔体材料，然后流经特殊设计的分层叠加单元进行切割分层，然后多层复合材料经转换段形成塑料型坯，再经定型口模形成理想的复合塑料型坯，最后在模腔内吹塑成型。复合塑料型坯的层数和层厚具有可设计性，分别由微层共挤系统中分层单元个数和3台挤出机的转速比控制，理论上层数可以达到千层以上，单层层厚可达微米甚至纳米级；从目前的工程技术水平来看，3种以上塑料实现200层以内是可行的。其结构特点是性质不同的两种高分子材料交替叠合，呈现出规整的双连续结构，从结构上来看，类似于布鞋的千层底。此种结构在力学、阻隔和导电等性能测试方面显示出许多独特优点。

微层共挤成型中空容器具有优异的阻隔性、阻气性、防潮性、遮光性、保鲜性、健康性、无害性等性能，以及超强的力学性能，微层厚度达到纳米级别时将可能应用于航海、航空、航天等高新科技领域。

苏州同大机械有限公司近年研制的TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线包括挤出机、微层机头、开合模机构、机架、液压系统、电气系统、后冷却自动去飞边系统。该成型机生产线可生产最大容量为30～35L的制品，主机部分由3台70mm挤出机同时向微层机头主供料（3种料进料比例为1∶1∶1，可以通过调整挤出机速度调整各种原料的使用比例），可通过微层机头实现48层叠层、另外一台挤出机做型坯外包供料，成型49层塑料型坯，最后在模腔内吹塑成型制品。

（1）49层微层吹塑机的关键技术

① 微层技术。由多台挤出机向机头内部供料，经过流道形成一个多层型坯，多层型坯经过多个叠层器进行叠层，制成一个由交替微层材料构成的叠层塑料型坯。这些微层可以是几分之一毫米到几十分之一毫米厚，它们是一种新型叠层倍增技术与独特的模头几何结构联合作用的结果，从而形成了具有更多层数的结构；理论上这种叠层可达到3072层以上。

② 采用微层共挤挤出吹塑技术成型的49～193层的30L塑料桶制品，具有很好的阻渗性能，在相同壁厚的情况下，塑料制品力学性能可较大幅度提高。此外，还可以在此基础上，采用三套微层挤出系统进行堆层叠加。该叠层技术可使原来49层的微层挤出吹塑成型增加到193层的塑料桶或塑料容器。

③ 微层共挤挤出圆形料坯，经过层叠器的料坯已经达到微层结构，微层料坯需经过转换器将片材型坯转换成多个叠合的圆形塑料型坯，目前的试验生产线已经达到49层。

④ 微层共挤挤出圆形料坯的关键技术在于对叠层的交错搭接与相互包络、形成熔接线的高度增强熔接，极大地增强了熔接线的强度，提高了塑料桶或塑料容器的强度与力学性能。

⑤ 微层共挤挤出吹塑成型技术还适于需要特别增强的超强塑料容器制品的生产，可采用多种不同组分的塑料原料与高度增强的塑料进行微层吹塑成型，生产超高强度的塑料容器，满足一些特殊需求。

（2）微层中空吹塑技术与常用吹塑技术的比较

传统的多层中空吹塑成型是采用几台挤出机将各自塑化的树脂，同时挤入多层机头，通过歧管形成同心的多层结构，并通过芯棒成为多层型坯，然后再进行吹塑。也有的是采用特殊的储料缸机头形成3～5层的多层型坯。在储料缸内各种塑化塑料是彼此分开的，各储料缸的挤出可以分别进行。然后采用环形活塞将各种塑料压出，在机头顶端各层塑料熔融黏结形成多层型坯。多层吹塑的关键是控制各层塑料间的熔接。黏结方式有两种：一是至少在一层内混入有黏结性的树脂，这种方式层数较少，并能保持一定的强度，但成本较高。混入有黏结性树脂的量，需在不损害各层树脂的阻隔性和强度等性能的范围内。二是增设黏结材料层，使黏结剂介于各层界面之间，因为需要增加挤出黏结材料用的挤出机，使设备及操作变得复杂。

与传统的多层中空吹塑成型相比，TDB-30W微层吹塑中空成型机生产线采用微层技术，共挤出工艺生产的结构层数远远超过3层、6层，可以达到49层或193层，目前的试验机组达到49层。以下是部分技术优点。

① 改进阻隔性能。产品中的阻隔层数量大幅度增加，使气体和水分子的扩散途径更加“曲折艰难”。

② 节约高成本物料。聚合物的许多关键性质不会随着层厚的降低而成比例降低，因此采用微层技术后，可以节约高成本的高性能树脂，同时制品性质又能达到希望的水平。

③ 新的性能组合。相同的聚合物，分散为一层或两层，还是分散为许多超薄的层，对最终产品的性能有不同的影响。

图1-15为49层微层吹塑型坯断面显微放大图及49层25L塑料桶。

通过对49层微层中空成型机的多次试验，证明了49层微层吹塑成型技术的工程可行性，同时也发现了微层吹塑桶的许多优点，如前面所说，微层吹塑技术的应用，可以实现高强度塑料桶、高强度塑料容器的批量成型，从目前测试的情况来看，采用同样材料配方的情况下，49层微层吹塑技术与普通吹塑桶相比，冲击强度可以提高1.4～1.5倍。此外，在保障产品质量的情况下，可以有效降低塑料原料的生产成本。

（3）微层中空吹塑技术展望

通过在塑料中添加碳纤维、玻璃纤维、石墨烯等高强度增强材料等，可达到增强塑料制品各种物理特性的目标。多层技术就是利用某些层的特殊功能，并将多种特殊功能进行组合。在微层吹塑技术中，各特殊功能复合层不仅仅是一层、两层，往往能达到几十层乃至几百层。微层技术可将塑料合金从概念推进到实际运用中。

① 在航空航天工业中复合材料的使用比例越来越高。空客A380飞机结构重量的25%为复合材料，波音787飞机中复合材料占其结构重量的50%。欧洲的A400M属于新一代大型军用运输机，复合材料占其结构重量的35%～40%，碳纤维复合材料占机翼结构重量的85%。这些复合材料工艺主要为粘接、模压、树脂传递模塑、纤维缠绕、拉挤等。采用微层技术可获得高强度材料（碳纤维）和微层塑料复合的新型材料，其可塑性强，可将多个零件组合成一个零件而提升其品质。特别是直升机、战斗机的燃油箱制造，采用微层吹塑技术具有较大的技术优势。

② 采用微层吹塑技术制造坦克、装甲车使用的高强度燃油箱，可以大大提升燃油箱的抗冲击强度，减轻燃油箱的重量。

③ 在船舶与海洋工程领域大型塑料容器制品有着广阔的发展前景，可推进船艇轻量化。利用微层中空吹塑成型技术可使这类大型、超大型高分子中空容器加工制造工艺更加简化，成本降低而性能更优越。

④ 在汽车工业中，采用微层吹塑技术成型轿车、大型卡车，特别是军用各种车辆的燃油箱具有独特的技术优势。

⑤ 在消防领域的应用。国外一家公司在K2013展会上展出了世界上第一个热塑性吹塑成型的灭火器。将微层吹塑技术运用于这些潜在领域将进一步降低材料成本，提高其抗冲击强度。

⑥ 在传统市场的运用。微层吹塑技术制造的高阻隔性容器可提升食品药品的安全性，可以用于饮料包装、新鲜食品封装运输等。

⑦ 对于微层吹塑技术来说，在未来一个相当长的时间内，除了机械设备的不断研究创新以外，高性能的塑料原料是制约其能否顺利发展的一个非常重要的因素。

⑧ 对于微层中空吹塑来说，对其本身技术的研究将是重中之重，特别是不同的塑料材料对成型后制品特性的影响，在复杂的成型机头流道中的熔体流动特性等理论与工程实际的结合方面，将对工程研发人员提出更多的要求与挑战，许多未知的领域值得进行深入的研究与创新。

除各种潜在的市场外，微层中空吹塑成型技术将对传统吹塑领域带来革命性的改变。微层技术制品的阻透性、机械强度都远远高于传统的吹塑工艺制品。微层吹塑中空成型机生产线如果需要用于燃油箱吹塑，使用6台挤出机，微层层数可以增加到98层或者194层。

1.3.2　深拉伸中空吹塑成型技术

一般吹塑成型机理：塑料型坯在模具内通过内部的气压向模腔内壁延伸，直至贴合内壁，并保持一定压力定型，从而得到制品。但是有些产品拉伸比较大，塑料型坯在沿模腔内壁拉伸时减薄严重，从而使某些延伸性差的部分壁厚变得过薄而导致不能成型制品。所以需要抛弃以往的思路，开辟新的方法，在不改变制品形状的情况下，通过特殊的成型工艺使某些不易吹胀的部位与周边的壁厚一样均匀，这样就能大大提高产品性能和使用价值。

深拉伸中空吹塑成型主要用于拉伸比（B/A）≥0.5的中空制品，如果拉伸比0.5≤B/A≤1.2，中空制品四周壁厚都较为均匀（能达到客户要求）且易成型，则不需要采用深拉伸中空吹塑成型。因为深拉伸中空吹塑成型所使用的模具及设备都需要特殊的改造，会增加一定的成本。

张家港同大机械在近几年研发了两种深拉伸中空吹塑成型工艺，即图1-16所示深拉伸辅助模成型工艺以及图1-17所示深拉伸旋转模辅助成型工艺。根据这两种成型工艺，成功研发了川字型吹塑托盘以及在进一步试验中的化学品防渗漏吹塑托盘。

以上两种深拉伸成型工艺都能做出拉伸比较大的产品，它们各有各的优点。

（1）深拉伸辅助模成型工艺优点

① 模具简单，只需要增加一个仿凹模的凸模辅助模，不管制品有多么复杂，在第一次预成型时，凹模内的型坯都能靠辅助模挤压贴合凹模内壁。

② 这种成型方法生产的制品不仅壁厚比较均匀，而且周边可做成直角，底角也不必为防止壁厚减薄故意做成圆角。

（2）深拉伸旋转模辅助成型工艺优点

① 相对于深拉伸辅助模成型，吹塑设备不需要任何改造，但是模具加工比较复杂。

② 深拉伸旋转模辅助成型由制品底部对应的凹模模体及周围的4块凹模侧板构成，通过铰链安装，分别利用油缸驱动，这4块侧板可以像花瓣一样或开或合地工作。

③ 由于凹模呈花瓣式开合结构，所以制品侧面可适当增加深的图案雕花，或者纵横起筋，不用担心制品脱模问题。

④ 4块凹模侧板还可将制品外壁做成倒锥形。

⑤ 由于拼块模具结构本身具有脱模特别方便的特点，从成型到制品取出及对其精加工的过程容易实现自动化生产。

可采用深拉伸吹塑成型工艺成型的吹塑制品见图1-18。

预计随着深拉伸吹塑成型技术研究工作的不断深入，将有更多的很难采用传统吹塑成型技术制造的（如各种航空箱、空投箱类的容器）制品可以采用这种吹塑成型工艺来制造。

1.3.3　预成型中空吹塑成型技术

预成型中空吹塑成型技术是近几年发展起来的一种新的吹塑成型技术，一般常用于外观形状奇特、不规则的异形吹塑容器及制品的吹塑成型（如一些车用小型吹塑制品），在常规生产中较为少见，所以人们对这种成型方法比较陌生。

预成型中空吹塑成型技术一般用于汽车塑料异形吹塑件的生产，目前一些量少的异形吹塑件采用手工方式生产的较多，异形产品吹塑生产的时候，塑料型坯挤出后，操作人员采用手工挤压、拉伸的方式，先将型坯做出一个近似异形制品外形的型坯，然后手工将型坯移动到模具合模位置，进行吹塑成型。

（1）手工预成型的特点

① 手工操作需要相当熟练的操作技术，而且合模时容易出现安全事故。

② 操作人员手工操作可塑性较大，可以根据产品的外形进行随意的预成型，从而达到产品的成型要求。

③ 由于操作人员手工操作，重复性较差，产品质量的稳定性难以得到保障。

鉴于操作人员手工操作的危险性与制成品的质量稳定性差等多方面原因，近年来开发了一种全自动化生产的预成型吹塑机生产线，这种新的成型方法与设备可以保障操作人员的安全与产品质量的稳定，对于一些采用其他吹塑成型方法难以成型的异形吹塑件，可以采用这种方法进行生产，见图1-19。

（2）预成型中空吹塑成型工艺过程

塑料型坯被挤出后，先在一个预成型模具中进行预成型，预成型模具具有牵引、推拉等功能，将圆筒状塑料型坯成型为一个近似于制品形状的型坯，然后预成型模具快速开模，预成型好的型坯被快速移送到成型模具中吹塑成型为制品。制品吹胀冷却定型后开模，后面的工艺与普通吹塑成型方法类似。

预成型中空吹塑成型技术的自动化吹塑生产线与常规吹塑方法生产线有较大的差别，主要在于增加了预成型的模具工位，预成型模具也相应复杂一些，预成型模具需要进行温度控制，保障型坯温度的稳定性，以防止型坯过快冷却；预成型模具的变形较大的位置可使用牵引活动块或采用负压牵引，以使型坯实现预成型，预成型后的型坯由机械手快速转移到成型模具位置，成型模具快速合模并吹塑成型。

预成型中空吹塑成型的生产线基本上是专机专用，所以，只有当某个特殊吹塑产品需要大批量生产时，才能有较好的经济效益；因此，使用这种预成型吹塑技术的生产线目前较为少见，必须向吹塑机设备生产厂家定制。

1.3.4　多重壁中空吹塑成型技术

多重壁吹塑容器由两层或多层型坯组成，两层或多层型坯之间有一定的间隙，成型后的制品可在间隙内填充其他液态或气态物质，来提高吹塑容器的抗冲击性能。

例如，很多SUV汽车采用的是中空吹塑油箱，为了提高汽车内部使用空间，设计师一般把油箱悬挂在底盘下面，在高速行驶中，有时不注意会有硬物磕碰油箱，存在着安全隐患，见图1-20。而多重壁的油箱（图1-21）相对就比较安全。

图1-22为多重壁油箱结构示意图，苏州同大机械有限公司正在研发多重壁容器吹塑工艺在汽车塑料燃油箱、塑料化工桶、军用车辆塑料汽油桶等更广阔领域的应用空间。

图1-23为多重壁吹塑容器制造工艺。

① 多重壁型坯口模与传统的口模不一样，它具有把储料腔内的塑化料分为两股或多股型坯挤出的功能。

② 两股型坯挤出到达下包封后，下包封封口、两股型坯之间由系统监测充气，达到一定量后，口模包封封口，使两股型坯之间产生一个空气夹层。

③ 模具开始合模，通过下吹鼓气，使内层与外层型坯同时向模具型腔靠拢，通过气压监控，来判定模具内部成型状况。由于有空气夹层，内、外层不会黏结到一起。

④ 保压一定时间后，取出制品，形成双重壁制品。后续还能在空气夹层中填充其他液态或气态物质来提高容器的抗冲击性。

1.3.5　全电动驱动中空成型机节能技术

近年来，国内外吹塑机制造企业努力推出全电动吹塑机组或吹塑机生产线，全电动吹塑机生产线对合模机的开合模、移模装置，机头的型坯控制装置，吹气装置等动力装置全部采用了伺服电动机驱动，彻底免除了液压系统的漏油现象，使吹塑机在高度洁净厂房生产成为可能；同时，全电动吹塑机除了有效降低能耗、低噪声和确保成品不被污染外，全电动控制系统更可确保每次运作都达最精准状态，使生产过程保持高度的重复性、稳定性。

全电动吹塑机组和常规的液压机器相比，产能可提高10%～25%，综合能耗可降低30%～40%，故障率大大降低，维护成本大幅下降。

图1-24为两种国外知名品牌全电动吹塑机外观。

图1-25为国产全电动双工位吹塑机生产线。

苏州同大机械有限公司近年来加快对全电动吹塑机的研究步伐，已研制成功TDB-30D全电动30L三层吹塑机组，可用于生产30L系列的塑料桶。其伺服电动型坯控制装置，合模机合模、移模装置均有较大的创新。

随着全电动伺服驱动技术的不断成熟与进步，采用伺服电动机驱动的吹塑机将更加成熟与可靠，在未来几年的技术研发与技术创新中，全电动伺服驱动吹塑机将获得较快的发展，值得更多的关注。

1.3.6　电液混合驱动中空成型机节能技术

由于吹塑制品千差万别，品种繁多，许多吹塑制品存在模具抽芯、多方向开合等要求，这些模具的抽芯、移动、多方向开合等动作的实现，在目前情况下，多数只能采用液压油缸推动。因此，在未来的一个较长时间内，电液混合驱动技术将可能长期存在。即吹塑机组主体采用伺服电动机进行驱动，如合模机开合模、移模、塑料型坯的控制、吹气装置的上下移动等；挤出机采用变频电动机或直流电动机驱动；模具本身的运动则采用液压驱动来完成。这种电液混合驱动的方式的节能效果与液压驱动相比，也是比较显著的，设备的稳定性、可靠性也会提高较多。

具体采用哪种驱动方式，主要取决于吹塑制品成型的特性。预计未来几年内，这类吹塑机的机型会更加多样化。

1.3.7　电磁感应加热节能技术

（1）电磁感应加热的工作原理

① 电磁加热器　电磁加热器是一种利用电磁感应原理将电能转化成热能的装置，电磁加热控制器将220V、50/60Hz的交流电整流变成直流电，再将直流电转成频率为20～40kHz的高频高压电，或者380V、50/60Hz的三相交流电转换成直流电，再将直流电转换成10～30kHz的高频低压大电流电，用来加热工业产品。

② 电磁加热圈　高速变化的高频高压电流流过线圈会产生高速变化的交变磁场，当用含铁质容器放置上面时，容器表面即具切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能。从而起到加热的效果。即是通过把电能转化为磁能，使被加热钢体表面产生感应涡流的一种加热方式。这种方式从根本上解决了电热片、电热圈等通过热传导方式加热产生的热效率低下的问题。

图1-26为电磁感应加热在挤出机上的应用示意图。

（2）传统电阻加热的缺点

① 热损失较大　现在常用的加热方式，是由电阻丝绕制，圈的内外双面发热，其内面（紧贴料筒部分）的热传导到料筒上，而外面的热量大部分散失到空气中，造成电能的直接损失与浪费。

由于热量大量散失，周围环境温度升高，尤其是夏天对生产环境影响很大，现场工作温度有的已经超过了45℃，有些企业不得不采用空调降低温度，这又造成能源的二次浪费。

② 使用寿命短、维修量大　电热管由于采用电阻丝发热，其加热温度高达300℃左右，热滞后较大，不易精确控温，电阻丝容易因高温老化而烧断，维修的工作量相对较大。

（3）高频加热产品的优势

① 寿命长　电磁加热因线圈本身基本不会产生热量，寿命长，无需检修，无维护、更换成本；加热部分采用环形电缆结构，电缆本身不会产生热量，并可承受500℃以上高温，使用寿命可达10年。

② 安全可靠　料筒外壁经高频电磁作用发热，热量利用充分，基本无散失。热量聚集于加热体内部，电磁线圈表面温度略高于室温，可以安全触摸，无须高温防护，安全可靠。

③ 高效节能　采用内热加热方式，加热体内部分子直接感应磁能而生热，热启动非常快，平均预热时间比电阻圈加热方式缩短60%以上，同时热效率高达90%以上，在同等条件下，比电阻圈加热节电30%～70%，提高了能效。

④ 准确控温　线圈本身不发热，热阻滞小、热惯性低，料筒内外壁温度一致，温度控制实时准确，明显改善产品质量，生产效率高。

⑤ 绝缘性好　电磁线圈为专用耐高温高压特种电缆线绕制，绝缘性能好，无需与罐体外壁直接接触，绝无漏电、短路故障，安全无忧。

⑥ 改善工作环境　经过电磁加热设备改造的挤出机，采用内加热方式，热量聚集于加热体内部，外部热量耗散几乎没有（相对较少），环境温度从原来电阻圈加热时的100℃以上降低至常温，大大改善了生产现场的工作环境。

⑦ 节电分析　电磁加热器在塑料机械上节能30%～70%是怎么来的？

a．相比电阻加热，电磁加热器多了一层保温层，热能利用率提高。

b．相比电阻加热，电磁加热器直接作用于料管加热，减少了热传递而产生的热能损耗。

c．相比电阻加热，电磁加热器的加热速度要快25%以上，减少了加热时间。

d．相比电阻加热，电磁加热器的加热速度快，生产效率提高，使电机处在饱和状态，减少了高功率低需求造成的电能损耗。

传统的加热行业，普遍采用电阻丝和石英加热方式，而这种传统的加热方式热效率比较低，电阻丝和石英主要是靠通电后自身发热，然后在把热量传递到料筒上，从而加热物料，这种加热方式的热量利用率最高只有50%，另外50%的热量都散发到空气中，所有传统的电阻丝加热方式的电能损失高达50%以上。电磁感应加热是通过电流产生磁场，使得铁质金属管道自身发热，再加上隔热材质，防止管道热量的散发，热利用率高达95%以上，理论上节电效果可达到50%以上，但考虑到不同质量的电磁感应加热控制器的能量转换效率是不同的，以及不同的生产设备和环境，所以电磁加热节能的效果一般至少能够达到30%，最高能够达到70%。

图1-27为两种用于塑料机械行业的电磁感应加热控制器外观。

从近几年电磁感应加热在中空吹塑机方面的应用情况看，用于大中型机头时节能效果更为显著，特别是多层大型与超大型的机头加热采用这项节能技术更为实用，在机头从冷状态加热到工作状态时，其节能效果明显，通常可缩短加热时间一半以上，加热效果更好，此项节能技术已经基本成熟，吹塑制品厂家可以与有关厂家合作进行设备节能改造。此外，订购吹塑机新设备时，也可以与设备制造厂家专门定制这项新技术的节能型设备。