交联聚乙烯滚塑包装容器技术

杨光威 王克俭

（北京化工大学）

引 言

随着聚乙烯粉末化技术的成熟，各种滚塑专用料的开发、滚塑设备成本的下降，滚塑工艺逐渐成为塑料成型工艺中极具竞争力的一种成型方式，发展迅猛。滚塑成型适于大型及特大型制件、各种复杂形状的中空制件，在化工、机械、电子、轻工和军工等行业均有广泛应用，如车辆燃油箱、储物箱、大中型容器、汽车零部件、包装箱、运输箱和耐腐蚀容器内胆。交联聚乙烯滚塑制品及工艺以其出色的特性在中、大型中空包装容器中具有良好的应用前景。

1.交联聚乙烯滚塑包装容器的优势与应用

目前包装容器在总体的滚塑制品中所占比重为10%[1]，滚塑技术已经成熟的应用在生产包装容器中。但是滚塑包装容器在整体的塑料容器中所占的比重还比较低。其主要原因是滚塑加工技术相较于其他包装容器主要用于大中型的形状复杂的包装容器中。现在的滚塑工艺甚至可以完成注塑、吹塑、挤塑等工艺无法完成的包装容器，容器的几何尺寸已经完全能做到从0.5L到50L。滚塑模具制造成本低，仅为注塑模具成本的1～3%[2]，且滚塑料可以实现多种、多层塑料共同滚塑。同时滚塑技术生产灵活，尤其适用于中小批量的中空包装容器的生产。

在相较于普通的聚乙烯滚塑包装容器，交联网格结构使聚乙烯制品具有更突出的常温冲击性、低温韧性、耐磨性、耐高温蠕变性、耐腐蚀性、耐辐射老化性、耐环境应力开裂性。内压实验中，对交联聚乙烯滚塑油箱和普通滚塑油箱进行耐内压试验，交联滚塑油箱试验寿命长达3年，普通油箱仅4天就破坏失效[3]。14L的交联聚乙烯储罐在-25℃的条件下跌落6.1m还可以保持完整[4]。除此之外，交联聚乙烯还具有记忆效应，这一特性具有包装领域的应用前景，在包装物体时，容器处于记忆状态，取出物体后，回复到记忆前的折叠状态，保证了包装强度与整体性的同时又节省了空间。这些特性使得交联聚乙烯包装容器的应用领域更加的广泛，例如：燃油储罐、化学药品用包装容器、核废料容器、防摔运输包装、军用包装箱等。

图1 各类滚塑中空包装容器

2.交联聚乙烯包装容器滚塑设备

滚塑设备包括模具机架、热箱和冷箱三大部分。机架用于夹持模具和动力的传递，热箱用于加热模具，冷箱用于冷却模具。加热方式与模具旋转方式直接影响到滚塑包装容器的品质。加热方式有直火加热式、热箱加热式、夹套热介质加热式、红外加热式、电加热式等。选装方式有单轴旋转、双轴旋转和摇摆式等。

经典的滚塑机有：摇摆式滚塑机、穿梭式滚塑机、蚌式滚塑机、转臂式滚塑机[5]。摇摆式滚塑机较为早期的滚塑设备，该设备一般多采用明火加热，控温能力差，但是设备成本低，在低端滚塑制品上仍有应用，但并不适用于交联聚乙烯中空容器滚塑。穿梭式滚塑机的特点一般有一个热箱和两个模具支架，两个模具支架交替进入热箱，这有效的节约了设备成本，提高生产效率。蚌式滚塑机的特点是提供完整的双轴旋转和双臂支撑，且热箱也可以充当冷箱使用。转臂式滚塑机由多根在同一面的转臂和各个工艺箱组成，运作时转臂平台旋转，每个转臂依次循环经过不同的工艺箱，完成不同的工艺步骤。该设备的特点是效率高，但是设备成本一样高且维护复杂。

交联聚乙烯中空容器的滚塑相对于普通滚塑技术对工艺过程有更高的控制要求。而滚塑工艺的生产周期长、能耗高也阻碍滚塑容器进一步应用。所以近年来，精准控制、自动化、高效率、低能耗成为了滚塑设备的发展方向。随着新技术、新设备的不断发展，交联聚乙烯滚塑中空容器也将进一步发展。

图2 各类滚塑设备

3.交联聚乙烯包装容器滚塑工艺

聚乙烯主要交联方法有3种方法：一是热熔法交联；二是硅烷热水法交联；三是辐射交联。辐射交联成本高，辐射穿透厚度有限，操作复杂。硅烷热水法交联虽然投资少，但易混入杂质，多用于低压电缆的制造，而且硅烷接枝PE料的保质期短，因此仅适合于小规模生产。热熔法交联加工操作简单，技术成熟，制品具有较高的交联度和较好的使用性能，且PE料保质期较长，适合于大规模的工业生产。

过氧化物交联是通过过氧化物高温分解而引发自由基反应，再有自由基引发烷基形成C-C键交联，形成网状聚乙烯分子结构，其反应如下：

交联反应在材料的熔点以上发生，交联网格的产生限制了分子链的运动，使分子链的规整排列变得困难，这对聚乙烯的结晶行为造成了影响，最终形成的晶体完整度下降，同时材料的密度下降，高密度聚乙烯经过交联后的密度可下降至0.935～0.940g/cm3。制品的力学性能发生改变，模量下降，冲击强度上升，拉伸长度上升。

在成型方面，交联滚塑工艺对热过程有较高的要求，滚塑时间太短，熔融、消泡、交联不足，滚塑时间过长则有可能使制品表面氧化、老化。有滚塑成型理论将加热过程分为预热区、熔化区和消泡区三个加热过程[6]。预热区是模具和树脂被加热到树脂熔点的过程，融化区是粉料熔融并流动于模具中的过程，消泡区是融体内气泡排出的过程。相较于普通的滚塑过程，交联聚乙烯滚塑的关键在于设定合理的加热时间和加热温度，在聚乙烯发生交联前保证融体的均匀流动和完成消泡。在王晓乐等[7]的研究中指出，滚塑成型加热阶段存在时温等效性，加热温度升高10℃与加热时间延长1min产生的效果几乎相同。但是交联温度过高又会导致提前交联，融体流动不均匀，制品厚度不均，内表面还可能发生氧化；而滚塑温度过低，融体流动性差，加热时间长，交联不充分。

气泡是滚塑包装容器的典型缺陷，交联聚乙烯滚塑也不例外。缩短消泡时间可以降低能耗，提高加工效率，同时还可以更好的控制滚塑制品的质量。浙江瑞堂塑料科技有限公司的研究[8]指出，加工温度是影响滚塑制品表面气孔的显著因素。除了控制加工温度外，在滚塑原料中加入成核剂、润滑剂、吸气性粉末也可以起到提高排气速率降低气泡尺寸的作用[9]。

交联滚塑包装容器往往有显著的翘曲现象，翘曲的主要原因是加热与冷却过程中制品内外表面的受热与散热不同引起的。温原[10]的研究也得出了相同的观点。因此，保持冷却过程中滚塑制品内外表面的冷却的同步性，再根据模具外形采取局部冷却、局部再加热等手段是缓解翘曲的有效途径。在实际应用上，“MPG”装置可以控制模腔内的空气流动并保持压力，较好的缓解了翘曲现象。

结束语

随着滚塑行业的不断壮大，交联聚乙烯滚塑技术也日臻成熟，同时国内外技术差距也在不断减小。滚塑交联聚乙烯容器相较于注塑、吹塑以及普通聚乙烯滚塑容器具有独到的优势。而交联聚乙烯滚塑包装容器在国内市场的应用范围和规模还较小，有很大的发展潜力。滚塑包装容器市场还需要不断的拓展，交联聚乙烯滚塑包装容器还需要通过更多的实际应用以获得市场的肯定。同时滚塑行业也需要不断提升产品品质，降低生产成本。包装行业对包装要求的不断提高也为对滚塑行业提出了新的要求和挑战。