聚合物制品生产过程与常用发泡材料

本项目所涉及的物流包装材料指聚合物发泡材料和制品，主要是泡沫塑料。泡沫塑料材料和制品的生产使用聚合物成型设备。在此对主要的聚合物成型设备、工艺及常用发泡材料作一些介绍。

从加工方法看，聚合物制品的生产可分为注塑、挤出、压延、吹塑等类别。绝大部分聚合物制品的生产都将聚合物（如塑料）加热，增大其流动性，使其易于变形，在此时通过各种方法使其成型为所需的形状，然后冷却得到制品。在此期间，可以加入其他组分的物质，来改变聚合物的物理化学性质，满足人们对制品的要求。聚合物成型加工最主要的主机有两种即注塑机和挤出机。注塑成型要使用注塑机，注塑成型的特点是聚合物熔融后在模具中成型，制品形状主要取决于模具形状。挤出成型的主机是挤出机。挤出成型常常在挤出机前后配置其他辅助设备，挤出机主要完成聚合物熔融，其他辅助设备通过设备、工艺完成成型，得到所需的制品，可见制品形状取决于多种因素。

1.注塑

注塑是一种将注射与模塑相结合的成型方法。注塑时将原料加入注塑机机筒中，经输送、压缩、剪切、混合等作用使其均化、熔融，再由柱塞或螺杆将熔料经喷嘴、流道注入成型模具中成型并冷却，得到具有一定形状、尺寸和精度的塑料制品。图6-1为通用注塑机的组成图。下面介绍注塑机主要组成部件。

图6-1 通用注塑机的组成

1—合模液压缸 2—调模机构 3—后模板 4—安全罩5—安全门 6—动模板 7—机械安全装置 8—操作箱 9—前固定模板 10—加热料筒（内有螺杆） 11—料斗 12—注射座 13—减速箱 14—高速油电动机 15—注射液压缸 16—注射座（整体）移动液压缸 17—控制箱 18—油箱（在机身内） 19—液压控制装置（注射阀板及各种阀类元件在盖内） 20—机身（机架） 21—液压控制装置（合模阀板及阀类元件在盖内） 22—模具冷却水装置 23—润滑液压泵 24—蓄能器 25—安全罩 26—曲肘连杆机构 27—后安全罩 28—拉杆（四根） 29—拉杆螺母 30—油冷却器 31—液压泵电动机（机身内） 32—液压泵（机身内）

（1）合模部件

合模部件的作用是固定模具、使动模板作启闭模运动，然后锁紧模具，保压冷却定型并将制品顶出。合模部件由拉杆和螺母把前后模板联接组成刚性框架。动模板在前、后模板之间，后模板上固定合模液压缸，动模板在合模液压缸作用下以拉杆为导柱作启闭模移动。模具的动模装在动模板上，定模则装在前固定模板上。当模具闭合后，在合模液压缸压力作用下，动模板产生额定锁模力，锁紧模具，防止模具在注入高压熔体时型腔从分型面胀开。当锁模时，模具拉杆和前、后模板形成锁模力的封闭系统，达到平衡状态。前模板固定在机身上，当拉杆在锁模力作用下受拉伸变形时，允许后模板与机身有相对位移。动模板上装有顶出装置，通过模具中的顶出机构，从型腔中顶出制品。在动模板上装有调节模具厚度和锁模力大小对调模装置。

合模框架设有封闭的安全罩、安全门以及液压、电气、机械安全保护装置。在靠近安全门及安全罩的机架上设有限位开关及调节装置，控制动模板启闭模的限位以及运行中压力与速度切换的位置。顶出装置设有顶出、退回限位开关和速度与位置的转换开关。安全门打开和闭合的安全连锁装置，实现液压、电气、机械同时对安全门的连锁功能，确保锁模动作安全可靠。

合模部件包括图6-1中的1、2、3、6、9、26、28、29部件。

（2）注塑部件

注塑部件的功能是塑化，并在高压、高速下将熔体射入模腔。

注塑由塑化装置、螺杆驱动装置、注射装置等组成的。塑化装置主要由螺杆和加热料筒组成，在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切、混炼元件；螺杆驱动装置由轴承支架、主轴套、螺母驱动电动机或液压马达组成。注射装置主要由注射液压缸及喷嘴组成。在注射时，液压缸产生注射推力，通过主轴推动螺杆，使熔体通过喷嘴充入模腔。

此外，注塑部件还包括：

1）计量装置。计量装置由机架和行程挡块组成，它与螺杆预塑后退动作相联系，起塑化和计量作用。

2）机架又称机身。机架的左台面安装合模部件，右台面安装注射部件；在机架内部安装有油箱、油冷却器、蓄能器、液压管路以及阀类、油泵和电动机等部件，在机架的正面安装有操纵箱和控制箱。

3）注射座。注射座是可移动的基座，其上装有塑化装置、注射装置及料斗等。注射座在液压缸作用下整体前进或后退，使喷嘴与模具压紧或离开。

注塑部件包括图6-1中的10、11、12、13、14、15、16、17、20、31、32部件。

（3）加热冷却系统

加热系统的作用是加热料筒、注射喷嘴等。注塑机上常采用点加热方式，在料筒上装有加热圈，用热电偶分段检测。加热圈通过筒壁向内传递热量。少数注塑机采用油加热。

冷却系统用来冷却液压油、模具等部件，将冷却水分配到几个独立的回路并对流量进行调节，通过对温度的检测，对冷却水的流量作闭环调节。

加热冷却系统包括图6-1中的3、30部件。

（4）液压系统

液压系统是为注塑机各执行机构（工作液压缸）提供压力的液压回路，由压力、流量主回路和执行机构的分回路组成。回路由进、出油过滤器、泵、蓄能器、各种阀（压力阀、安全阀、方向阀、换向阀、溢流阀、调速阀、行程阀等）以及热交换器和各种压力、温度指示仪表等组成。

液压系统包括图6-1中的18、19、21部件。

（5）润滑系统

润滑系统对动模板、调模装置、连杆铰链等处有相对运动的部件提供油润滑，以减少摩擦、降低噪声和能耗、提高零部件的使用寿命。润滑油源可从液压系统低压油路中引出，也可建立单独的润滑回路。

润滑系统包括图6-1中的23部件。

（6）电控系统

电控系统是注塑机的“中枢神经”，控制注塑机各种程序及其动作，对时间、位置、压力、速度和转数等进行多级控制、调节、监测，它由各种继电元器、电子元件、检测元件及自动化仪表等组成。现代注塑机都将电控、机械、液压等系统结合起来对注塑机的工艺程序及参数实行精确、灵敏、稳定地调节与控制。

电控系统包括图6-1中的8、17部件。

（7）安全保护与监测系统

安全保护装置是保护操作者、设备、模具安全的装置，由安全门、行程阀、限位开关、光电检测元件等组成，可实现电-机-液的连锁低压保护系统。监测系统对注塑机油温、料温、超载、工艺、设备故障进行监测，在发生异常时进行指示、报警。

近代注塑机配备有较先进的电子控制装置，例如采用可编程序微处理机组成控制系统，配有视频显示或电子函数分析器（图形显示）系统、中央故障诊断装置、自动预热油温装置、电气指示回油滤清装置、数字式油温显示器及油温报警装置、带有自动调节水阀门的油冷却器、喷嘴及料筒加热数字式温度控制器、熔体释压装置、注射量微调装置、模具低压保护微调装置、螺杆速度显示器、数字调速和数字调压（比例阀）装置、带有微处理机的闭环控制系统、低油位警报器、模具温控设备、制品称重器，检验制品脱模的光电装置、自动上料输送设备、制品取出机械手等。

安全保护与监测系统包括图6-1中的4、5、7、25、27部件。

一个注塑周期可以分为合模注射、保压及冷却、制品顶出与预塑三个步骤，如图6-2所示。具体介绍如下：

图6-2 一个注塑周期的基本步骤

a）合模注射 b）保压及冷却 c）预塑与制品顶出

1）合模注射。注塑周期从合模开始，模具动模首先以低压快速闭合，在接近定模时，合模的动力系统切换为低压低速，在确认模内无异物后，再转换为高压将模具闭合。模具闭合后，注塑部件前移，与模具接触并将料筒内的熔料注入模具中。

2）保压及冷却。熔料在模具中逐渐冷却，同时伴随着收缩。在这一过程中注塑部件保持与模具接触，向模具内补充熔料来弥补收缩造成的缺料，保持模具的高压。

3）预塑与制品顶出。模具内熔料逐渐冷却形成固体制品后，注塑部件开始再次塑化物料，为下一次注塑过程作准备。注塑部件后移，模具打开，顶出制品，制品依靠重力跌落到模具下方的成品箱中。一个完整的注塑周期结束。

以上是典型的一个注塑周期的基本步骤，实际上根据具体情况各步骤的先后顺序和内容会有变化。

注塑成型的典型制品有各种生活用塑料制品、电子产品的塑料外壳、塑料文具、汽车、火车、飞机的内饰件、各种工业及生活用塑料结构件等。

2.挤出

前已述及，挤出成型常常在挤出机前后配置其他辅助设备，挤出机主要完成聚合物熔融，其他辅助设备通过设备、工艺完成成型，得到所需的制品，制品形状主要取决多种因素。吹塑、压延等就是将挤出机与不同的辅助设备搭配而形成的。图6-3为一条以挤出机为主机的塑料管材生产线（局部），右部为挤出机主机，挤出机最关键的部件是安装在机筒中的螺杆。图中上部文字清楚地说明了挤出过程的主要工艺步骤。聚合物原从加料斗加入机筒，在螺杆旋转和外部加热的共同作用下向前（图中为向左）输送，同时逐渐熔融，然后经机头流出进入辅助设备定型。挤出机主机配备不同的辅助设备组成不同的生产线，生产不同类别的制品。如配备吹膜机头及卷绕等辅机组成吹膜机组生产各种塑料薄膜；配备压辊等辅机组成片材生产线生产各种塑料片材；配备吸塑辅机组成吸塑机组生产各种吸塑制品如包装用塑料托等。挤出成型还可以生产线缆、扁丝等制品。挤出的另一应用领域是材料改性，利用挤出过程的混合效应将塑料与其他材料混合，得到高性能或特殊性能的新型材料。图6-4为用于混合的同向双螺杆挤出机。

图6-3 以挤出机为主机的塑料管材生产线（局部）

图6-4 用于混合的同向双螺杆挤出机

3.发泡材料简介

泡沫塑料是用于包装保护、缓冲减震、保温隔热等场合的最为广泛的材料之一。泡沫塑料以塑料为基本组分，含有大量气泡，与纯塑料相比，它具有很多可贵的性能，泡沫塑料能够吸收冲击载荷，具有质轻、比强度高、热导率低、隔热隔音性能好、比强度高等优良特性，因此在日用品、工业、农业、交通运输业、军事工业、航天工业等方面都得到了广泛地应用。在物流过程中，泡沫塑料是不可替代的包装材料。近40多年来，泡沫塑料生产工业在发达国家的发展很快，特别是在美国、欧洲、日本等国家，产量和品种都在迅速增加，像聚苯乙烯、聚烯烃、聚氯乙烯、聚氨酯等泡沫塑料都已有大规模工业化生产，其他像ABS、酚醛塑料、脲醛塑料、环氧树脂、聚碳酸酯等泡沫塑料也已逐步由实验室进入工业化生产。泡沫塑料的用途还在不断扩大，新的品种在不断增加。泡沫塑料的生产和应用已发展成一门前途广阔的工业技术科学。

传统的泡沫塑料生产工艺较为成熟，使用历史较长，但也存在长期没有解决的问题，目前最为突出的是其生产过程对环境的影响问题。泡沫塑料的生产过程较为复杂，主要涉及设备、工艺、材料等方面的问题。

泡沫塑料以塑料为基本组分，含有大量气泡，是以气体为填料的复合材料。对于物流行业来说，泡沫塑料所具有的吸收冲击载荷的能力使其成为理想的包装和减震材料；而因其优良的隔热性能，泡沫塑料又是理想的保温材料。根据原材料来分，目前使用最多的泡沫塑料品种有聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）和聚苯乙烯（PS）泡沫塑料。

（1）聚乙烯（PE）泡沫塑料

可以用聚乙烯为主要原材料采用挤出的方法制造聚乙烯（PE）软质泡沫塑料卷材，这种制品具有隔音、隔热、化学稳定性好的特点，可用做仓库、民用住房、工业厂房等建筑和车辆的保温材料；也可以采用模压交联法制造各种座垫、填充物。聚乙烯是结晶型聚合物，在温度高于其熔点时，熔体黏度急剧下降，不利于发泡成型。通常要在原料中加入交联剂来提高其黏度，保证发泡过程的顺利进行。PE泡沫塑料的冲击强度较高但刚性较差，最高使用温度约为80℃。

（2）聚氨酯（PU）泡沫塑料

聚氨酯（PU）泡沫塑料容重小、强度高、导热系数低，且耐寒、隔音，能够吸收冲击载荷，因而用途广泛。软质PU泡沫塑料可用作坐垫、床垫和各种衬垫，可用作包装、过滤和防震材料；硬质和半硬质PU泡沫塑料可用作隔音和隔热材料。与热塑性塑料不同，PU泡沫塑料的发泡是在聚合过程中进行的。PU泡沫塑料中含有对人体有害的异氰酸酯残留物，发泡材料很难回收利用。

（3）聚苯乙烯（PS）泡沫塑料

聚苯乙烯（PS）泡沫塑料的热导率低、刚性较大，有较好的缓冲性能，广泛用作隔热材料和包装材料。PS泡沫塑料是生产和使用时间最长的品种。根据生产工艺的不同，PS泡沫塑料制品可分为EPS和XPS两大类。

EPS指采用模压法生产的PS泡沫塑料。EPS制品的生产过程为第一步在一定温度、压力条件下使低沸点发泡剂渗透到PS颗粒中，制成可发性PS珠粒；第二步将可发性PS珠粒加热，使其体内的发泡剂汽化，产生孔洞，再经过熟化得到预发泡PS颗粒。预发泡PS颗粒内部已形成蜂窝状的泡孔结构，具有吸收能量的功能；第三步将预发泡PS颗粒装入具有特定型腔的模具中热压成型，制成各种形状的EPS发泡制品。EPS制品最常用于易碎物品的内包装，起缓冲、减震的作用，它是生产、使用时间最长的聚苯乙烯泡沫塑料品种。

XPS指采用挤出法生产的PS泡沫塑料。在模压法生产中，渗透、发泡和成型分步进行，工艺过程较易控制。而采用连续挤出方法生产PS泡沫塑料则要一次完成所有工艺步骤。挤出法生产XPS的主要设备是挤出机。在挤出过程中，先将聚苯乙烯加热使其熔融，然后加入发泡剂并使其与聚苯乙烯熔料充分混合（混合是由挤出螺杆完成的）。当混合熔料最终从成型模具挤出时，因温度和压力的骤变引发发泡剂发气，在挤出物中形成孔洞。挤出是一种连续的生产方法，因此可以得到连续的XPS制品。挤出法生产的XPS制品主要是用于保温发泡板，在建筑保温、道路建设及制造冷藏设备等方面具有广泛应用。国家标准GB/T 10801.2-2002将XPS定义为绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料。XPS特别适用于需要隔热保温及冷藏冷冻的场合，是冷链物流理想的隔热保温材料。

泡沫塑料的原材料除塑料外，还有各种助剂如直接用于发泡的发泡剂、成核剂、交联剂，用于其他目的的稳定剂、阻燃剂、着色剂等以及为提高性能或降低成本的各种填料。它们构成了一个复杂的材料体系。