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吹塑成型基础

1.1 定义
塑料吹塑成型是一种生产中空塑料制品的加工过程,它仅适用于热塑性塑料,例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯,及工程塑料如聚碳酸酯等。吹塑成型加工的三种主要方法是:挤出吹塑成型、注塑吹塑成型和拉伸吹塑成型。
1.2 基本加工过程
吹塑成型加工过程可分为三个阶段:
1) 熔融塑化  利用挤出机或注塑机使原料熔融;
2) 型坯成型  利用挤出机机头和口模或注塑模具成型型坯;
3) 吹塑成型  利用辅助的空气压缩机提供压缩空气并用液压夹紧装置夹紧模具成型制品。
上述成型加工过程中,首先是需要生产管坯,通常称为型坯,此术语来源于玻璃工业。可以用挤出机或注塑机生产型坯,常将注塑机生产的型坯称为预成型。
吹塑过程是将热的型坯或坯料送入吹塑模具内,模具闭合的同时夹紧型坯,然后将热的管坯吹到冷的模具壁上,冷却定型后顶出制品。多数情况下,中空制品需要后加工,例如去除飞边、印刷、贴标签、灌入产品等。一些制品上的钻孔、研磨操作等可用自动操作设备完成,基本的吹塑加工过程见图1.1。
1.3 吹塑历史
玻璃、塑料、铝是现今吹塑制品的三种原材料。现代的塑料吹塑成型技术是从玻璃吹塑制品中发展起来的,如图1.2所示。这种方法是公元前1世纪由叙利来玻璃工人首先发明的。他们把吹管末端的玻璃泡吹成许多带有手柄、底座并随意附加一些装饰物的制品。在中世纪,由英国和欧洲的一些地方将这种加工技术进行了改进和完善并使之成为一种重要的商品工业。
1.4 发展史简介
现代塑料吹塑成型加工(图1.1)起源于20世纪30年代。当时的Plax公司和Illinois的Owens公司发明了第一个专利。它是以玻璃吹塑技术为基础的自动化设备,如图1.3所示。但由于当时塑料材料价格高、性能差而阻碍了塑料吹塑成型的发展,使塑料瓶优点不及玻璃瓶。然而在40年代中期,由于低密度聚乙烯的采用(英国ICI研制),提供了玻璃所不能比拟的耐挤压的优点。1950年,Elmer Mill发明了一个连续挤出旋转吹塑机的专利并由Continental Can公司使用。50年代末,高密度聚乙烯和工业化成型设备的研制使塑料工业得到了迅速的发展。
高密度聚乙烯的采用也拓宽了塑料瓶设计能力。更重要的是塑料瓶具有质轻、不易破碎的优点,同时工业化的生产设备也给吹塑成型加工创造了有利的条件。那时,世界上只有几家公司利用专有技术生产吹塑成型制品。当时由于美国的信息接近闭塞,大部分设备在欧洲得到了发展,主要是在德国。美国第一个工业化吹塑成型设备就来自欧洲,并于1958年在国际塑料展览会上展出。Empire塑料玩具公司买了一台Fischer吹塑成型机用于生产玩具滚动杆,Empire公司的工程技术人员也将一种Reed Prentice注塑机进行改良去生产玩具棒球棒。其吹塑是通过模板上部的一个可移动的注塑料筒和一个带有口模和轴瓦装置的固定机头实现的,如图1.4所示。后一步骤是由带有旋转阀的两个机头控制并分配塑料从一侧到另一侧完成的(图1.5)。中部的Ross Hartig公司得到Empire公司的允许,利用这种设计为Ideal玩具公司制造了6台机器用来生产娃娃的身体,这是由制造挤出机的Harting公司生产的第一批吹塑成型机。后来公司相继改名为Waldron Hartig公司和Battenfild Hartig公司,现在该公司已具有自己的Davis标准。同一时期,Paul Marcus公司也设计和制造了被称为自动吹塑的双机头吹塑机。1960年,ZARN公司在北卡罗来纳与生产机器和模具的Uniloy公司一起合作(现由Johnson控制)为Borden Dairy公司生产奶瓶。为了减少空奶瓶的运输费用,Uniloy机器和模具生产奶瓶的生产线就建在Burlington北卡罗来纳的牛奶场。
在所有的吹塑塑料材料中,聚乙烯的综合使用价值比其他所有材料都大。尽管其主要产品仍是瓶子,但吹塑方法已发展到用来生产工业零件,例如可生产汽车后部空气阻流器盖、座椅靠背、玩具三轮车、车轮、打字机盒、冲浪板、柔软的波纹管和燃料罐等,如图1.6所示。
高分子量聚乙烯的采用加快了吹塑的发展,由于这种材料在密度、熔体流动速率及一些其他基本性能上的范围较宽,所以制品最终性能上的可允许变化范围也较宽。柔软瓶子最好用低密度或中密度聚乙烯制造,高密度聚乙烯塑料更适合于做硬制品。聚乙烯吹塑制品的共同优点是质量轻、韧性(即使在低温下)好、耐腐蚀、耐化学渗透性,当灌满液体时在压力下耐龟裂(环境压力下耐龟裂性)和极好的可模塑性。工程上应用的塑料,如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和尼龙的使用范围也在不断增加,现在也已成为吹塑市场上的一个重要组成部分。
图1.7显示的是吹塑成型加工过程的流程图。吹塑设备与其他任何塑料二次加工方法相比有很大的不同。一台吹塑机可以像办公桌那样大,用来生产像铅笔一样小的中空制品,也可以占据一个大房间,生产容积为1937.5L大的制品。
表1.1显示了吹塑市场单一生产中空塑料制品的材料增长情况。这种生产能力与注塑成型、热成型及金属冲压成型完全不同。与其他成型方法相比,吹塑成型模具的花费比相关的注塑模具的价格要少得多。图1.8表示了北美树脂、合金、共混料的分布情况。
1.5 设计特点和优缺点
吹塑成型加工是生产容器和中空制品最常用的成型加工方法。类似的成型加工方法是滚塑成型加工。滚塑成型时,将定量的粉料放到铝壳模具中,然后合模,再一同放到烘箱中旋转加热,当模具旋转时,材料紧贴着加热的模具内表面旋转并粘附在上面,使之成为有一定厚度且均匀一致的料层,最后将模具从烘箱中取出再放到冷却室中冷却,取出已成型的料层即成为所需的中空制品。此种方法的材料是从粉料熔融的,没有均相结构,所以制品物理性能没有吹塑制品好,然而对于小容积制品是可采用的,因为其模具投资少且更容易制造,如图1.9所示。
吹塑成型适用于生产大容积、高强度制品的场合,如汽车和农业用储罐、压力容器、通风管道及电线、电缆槽等。当需要的制品结构强度高时,制品可用泡沫塑料充填,这种方法也常应用在需要制品绝缘或浮起的地方。
当设计者看到一个可以用吹塑成型加工的制品时,首先需要确定中空制品壁的结构。一般用加工的可行性、外观、经济性等条件控制壁厚。设计过程中,如果制品需要进行批量生产,最好将壁的结构设计成单壁式、易成型的结构。壁厚的设计也要考虑制品的实用性、外观和价格等因素。
用压力热成型或真空热成型方法形成的中空制品是把需要成型的塑料片材放到凹模型腔或凸模上热成型,然后将两个整齐的制品焊在一起。另一个例子是用片材成型,其强度和刚度是通过将片材弯曲、定型、焊接或夹持成接合缝而产生的。图1.10简单解释了注塑成型、滚塑成型和吹塑成型的成型过程并比较了每种成型加工过程的优缺点。

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