太阳能热水器塑料内胆的吹塑成型技术
刘军强  王锐红
陕西秦川机械发展股份有限公司  陕西  721009


摘要:本文主要以挤出吹塑成型技术在太阳能热水器内胆制造方面的新应用为主,介绍了太阳能塑料内胆的优点,材质、设备及其挤出吹塑成型过程中需要注意的问题。
关键词:太阳能塑料内胆   挤出吹塑
太阳能热水器,作为近几年发展起来的新兴产业,顺应了国家可持续发展政策,特别是在2009年被国家纳入“家电下乡”政策扶持范围内,得到了迅猛发展。到2009年下半年,全国各个层次的太阳能热水器生产企业已超过一千家,各种新牌子也是层出不穷。作为太阳能热水器的核心部件之一的蓄水罐内胆,其材质也从不锈钢到搪瓷再到塑料,不断地向前发展着。而塑料内胆因其成型简单,无需焊接以及密封性好、热传导低、耐高温性强、耐腐蚀、抗老化、造价低等特点,越来越受太阳能热水器行业的重视。下面就塑料内胆的成型技术,从材质、设备、工艺等方面做以简单介绍。首先要说明以下所提太阳能也即太阳能热水器。
1.材质
在市场上,现在所已经生产的塑料内胆在材质上主要以改性聚丙烯为主。
因为聚丙烯(PP)为结晶型高聚物,通用塑料中,PP的耐热性最好,其热变形温度为80-100℃,能在沸水中煮。PP有良好的耐应力开裂性,有很高的弯曲疲劳寿命。PP产品质轻、韧性好、耐化学性好等特点。所以优先选择PP作为改性的基料。
但聚丙烯(PP)也有它的缺点:尺寸精度低、刚性不足、耐候性差、它具有后收缩现象,脱模后,易老化、变脆、易变形。这就要考虑其使用环境及使用要求,通过增加填充剂及其它助剂对其进行改性,保持其优点,改善其缺点。
添加CaCo3 主要是起到提高冲击强度,增强尺寸稳定性,另外也是降低成本的一种措施。且有资料表明,含70%钛酸酯处理的碳酸钙(CaCo3)填充聚丙烯的熔体黏度与纯聚丙烯类似或更低,但填充聚丙烯的冲击强度却比纯聚丙烯的高得多。
添加玻璃纤维,以提高拉伸强度和低温冲击强度,同时耐热性、抗蠕变性也均有提高。另外,添加抗氧化剂,光稳定剂,以改进其热、光老化性能。
以上只是说明其中可以作为添加的填充剂及助剂。但具体配方,各个生产厂家可能会根据情况作出不同的配比。有的厂家添加玻璃纤维的比例达到15%。因此,现阶段大家都还在摸索阶段,由于还没有相关国家标准出台,对于具体配方都属于各家的商业秘密。 
2.挤出吹塑成型设备
在设备方面,由于塑料内胆的结构特点,普通的设备只要稍加改造就可以用于制造出合格制品。其不同主要在于成型机,由于塑料内胆为细长形制品,一般16管的制品长度就达1500 mm,而这只是最小的规格。所以一定要充分考虑安装模具的空间问题,以便安装更多规格的模具。对于整机的结构及控制系统,也可以适当简化一些结构与动作,比如:预夹、扩张、侧吹、顶吹等功能。这样可使设备动作更敏捷,控制更优化,减少了故障点,也让设备的可靠性提高。
由于塑料内胆的材质组分复杂,为多种不同类型的成分配比组成。对于如此特殊性,最好采用先造粒,再挤出吹塑成型。但大多数厂家,为降低成本,大多会选择采用按配方将各种组分拌匀,即可用于产品生产。这样,虽然一般普通挤PE挤出机也可用于其塑化挤出,但其挤出产量会降低大约30%~40%。另外由于填充料为Cacao3和玻璃纤维等,这将会使螺杆的寿命大大缩短。因此为了提高产量并得到良好的塑化效果,有必要配备专用挤出机。特别是针对此PP改性料加工的螺杆,则需要专业的设计。现在比较流行的是采用双金属合金结构,这样可以增强螺杆的耐磨性,明显提高螺杆的寿命,但价格也就比较昂贵。当然,传统螺杆工艺,38CrMoAlA经氮化处理,也是比较经济实用的处理。
图1为秦川塑机公司2009年最新开发SCJ120C×2专用于太阳能热水器内胆的生产设备。该设备采用专用挤出机,螺杆Ф100,长径比26,改性PP的产量可达250Kg/h。
3.成型工艺
太阳能塑料内胆的结构决定了其吹塑成型工艺过程和其它吹塑制品的成型工艺基本相似。但由于其原料的特殊性,以及制品的特殊要求也就决定了其成型工艺的特点。
一般单纯聚丙烯(PP)在熔融温度下有较好的流动性,成型性能好。而且PP在加工上有两个特点:其一:PP熔体的粘度随剪切速度的提高而有明显的下降(受温度影响较小);其二:分子取向程度高而呈现较大的收缩率。这些特点对注塑成型来说是优势,可以很好地成型。但对于挤出吹塑来说,却成为了劣势,大大增加了成型的困难。主要是造成型坯的下垂严重,进而增加制品壁厚控制的难度,增加了制品重量的不稳定性。但在塑料内胆的生产中,由于已是使用改性过PP,能够采用挤出吹塑成型工艺,型坯的下垂明显比纯PP要减少好多,可以更好地进行吹塑成型。
单纯聚丙烯(PP)的加工温度在200-300℃左右较好。但对于塑料内胆的生产时,由于原料的复杂性,一般温度设定在180℃,在正常生产之后,还需要适当调整,再降低5~10℃。
对于吹气压力的控制基本上没有多大变化,低压吹气大概在0.1~0.3Mpa,高压吹气大概在0.4~0.6 Mpa之间。
4.制品质量控制
一般太阳能热水器内胆规格:真空管开孔63mm;孔中心距80mm;内胆分16孔、18孔、20孔、22孔、24孔和28孔等规格。图2为吹塑成型的太阳能热水器塑料内胆。如前所述,16管的制品约1500mm,24管的制品更达2000mm。如此细长制品,又须相对于其他吹塑制品更严格地要求尺寸精确,以便于后续安装玻璃集热管,这也是制品质量控制的难点所在。根据在整个太阳能热水器中塑料内胆的使用情况,可分析制品主要是控制总长和孔中心距的尺寸稳定。对于制品壁厚的均匀性则是通过控制轴向壁厚控制系统以及制品重量来控制的,但一般要求最小壁厚≥2mm。为达到制品尺寸稳定,可从以下两点考虑:
一、原料的改性以实现型坯稳定,壁厚均匀,不易下垂。当然如前面所述,在原料中加入填充物,也是为了更好地保证尺寸稳定性。
二、冷却时间长些,且冷却均匀。由于PP在熔化过程中,要吸收大量的熔解热(比热较大),产品出模后比较烫,所以在生产中要通过增加高压吹气及气循环时间,在模具中强制冷却,以减少出模后的收缩变形。在秦川塑机开发的SCJ120C×2,采用了双工位,就很好地解决了冷却时间问题,通过两个工位的间歇工作,来延长制品能在模具中的冷却时间。
通过以上措施目的主要还是降低其收缩率,保证尺寸的稳定性。但在生产效率提高时,制品不能在模具中充分冷却,还是有必要在出模后进行二次定型冷却,以防止制品在空气中再次收缩变形。
5.模具及其它。
至于目前市场上的塑料内胆样式,主要以圆筒形为主,这也是客观结构所决定的。所以各个生产厂家虽说各有各的特点,但也只是细节上的不同,设计外观上的稍有差异而已,目的也只是避免专利纠纷。而模具一般是生产厂家按照客户要求而设计,如图1上SCJ120C×2上所安装模具为秦川工模具厂根据用户要求设计制作。而且这种模具可设计成可增加管数的结构,以便于客户根据市场情况来调整模具,安排生产。比如说在成型机模板尺寸允许的情况下,16管模具,就可以增加到18管。
但对于太阳能热水器吹塑成型完,还是半成品。还需要再加工,即开出安装玻璃集热管的Ф63孔。只有开孔后,才能应用太阳能热水器,也才由制品真正变成了产品。但目前,市场上还没有开孔方面的专业设备,而需要生产厂家人工开孔,由此在这个环节就增加了产品的废品率,这是太阳塑料内胆制造行业需要解决的问题。
6.塑料内胆的优点
从前面材质及生产过程的介绍,即可总结出太阳能热水器塑料内胆的优势如下:
一是成本低:相对目前市场上的不锈钢内胆和搪瓷内胆,塑料内胆在保证太阳能产品正常工作性能的基础上大大降低了成本价格,增加了太阳能厂家更多的利润空间。
二是环保:改性聚丙烯材料为环保材料,无毒、无异味,不会与酸碱发生反应,因此不存在长期使用金属容器使人体摄入铝过量的问题,水质符合国家生活饮用水标准GB/T17219-1998不会对人的身体产生任何副作用。
三是无缝防漏:塑料内胆为一次性成型,突破了其他金属材质设计生产局限,解决了金属内胆焊接处易腐蚀漏水的隐患。无缝、无焊点,防漏、密封性好。
四是清洁不结垢:聚丙稀塑料特性有效阻止了水垢的形成,生产工艺精细,内壁均匀光滑,而且自身不产生静电,不容易被侵蚀。
五是耐高温:塑料内胆材质采用改性聚丙稀,产品可耐100℃高温。
六是保温性能好:具有隔热保温性能,大幅度提高了保温效果,延长了热水的使用时间,保温性能更有效。
七是使用寿命长:塑料内胆所用的专用料具有优越的耐酸碱性,韧性强,适用温度范围大,能有效防止因环境外力而造成的开裂,因而使用寿命更长。
总之,随着太阳能市场的拓展以及向不同市场的方向发展,内胆的差异化将会逐步凸现,但无论面对广阔的农村市场,还是工程市场和城市市场;无论是从成本控制还是从制作工艺或者从水质健康考虑;太阳能塑料内胆的优势十分明显,而这也将预示着一个美好前景。

 

 
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