摘要：本文讲述了塑料中空制品脱模温度与收缩规律的试验方法及研究的意义，并通过试验研究，指导生产实践，取得了巨大经济效益和社会效益。对其它方法成型的塑料制品的也有借鉴意义。
关键词：脱模温度、收缩规律、冷却时间、成型周期
起源于上世纪30年代的塑料吹塑中空成型技术，经过八十多年的发展，目前已经成为仅次于挤出成型和注射成型的第三大塑料成型方法，且是发展速度最快的一种塑料成型方法，其塑料中空制品广泛应用于食品、饮料、药品、日用化工、汽车、家电、玩具等多个行业。
对于塑料吹塑中空制品，因其制品冷却时间占成型周期的60%以上，对厚壁制品达90%。①因此，提高吹塑制品的冷却效率，提高制品的脱模温度，对提高产量、降低能耗有极为重大的意义。以常见的乳业100mL塑料奶瓶为例，冷却时间缩短1秒，其产量即可提高12%以上。影响冷却时间的因素很多，本文重点讨论脱模温度的影响。
1、塑料中空制品的最小冷却时间
塑料吹塑过程，聚合物熔体与模腔接触，表层很快固化，内壁热量通过热传导传热，随时冷却时间的推移，熔体逐渐转化为固体，因聚合物熔体状态与固体状态的热传导率不相同，即使是固态，在不同温度下的热传导率也不相同，且因塑料中空制品壁厚通常较薄，熔融状向固态转化时间短，内壁还与压缩空气进行对流传热，所以，整个冷却过程很难推导出理论公式，通常都是理论与试验相结合，分析各因素对冷却时间的影响。理论和试验分析，塑料中空制品的最小冷却时间与制品壁厚的2次方、塑料本身的热扩散系数的－1次方和系统温度相关，可以用下面公式来表达：
②
式中
——最小冷却时间；
——制品壁厚；
——塑料的热扩散系数，
，（
、
和
分别是塑料的热导率、定压比热容与密度。）
——塑料熔体的温度；
——模具温度；
——制品脱模温度。
制品壁厚b是根据制品的使用条件决定的，在制品设计时已经确定了；塑料的热扩散系数α与塑料本身特性相关，在制品设计时已经确定了使用塑料的种类；塑料熔体温度Ti由塑料的特性（如分子链结构、结晶情况、平均分子量、分子量分布等）和加工工艺确定，注射成型的熔体温度较高，挤出成型的熔体温度相对低些；模具温度TM与冷却系统和熔体质量有关；制品脱模温度Td与冷却系统和成型工艺参数有关。
2、提高脱模温度的影响
从上面公式知道降低Ti、TM和提高Td都可以缩短冷却时间，但Ti和TM在设备和制品确定后基本已经确定，TM降低过多会引起空气中水分冷凝，影响制品成型质量，并会造成制品冷却应力过大。在不改其它生产条件下，仅缩短成型时间，可能得到较高的制品脱模温度TM。但较高的制品脱模温度TM，会引起制品完全冷却定型后的尺寸收缩，甚至翘曲变形、瓶口歪斜等，因此，只能在制品合格的前提下尽可能提高脱模温度，以缩短冷却时。下面以1升机油瓶来做试验，寻找不同脱模温度下的收缩规律，及与冷却时间之间的关系。
试验条件：
——65%的全新HDPE5502原料+35%的一次回收料；
——采用单腔1升机油瓶钢制模具；
——模具冷却水温度固定在16℃，流量和压力固定；
——采用SCJ-65-45-25K+S2×1.5D吹瓶机，瓶子净重控制在63±1克。
——测量工具：红外测温仪、游标卡尺、高度尺、量杯、电子称。
试验方法：将吹瓶机的动作时间和排气时间固定为8秒，通过缩短吹气时间的方法缩短冷却时间（即缩短成型周期），从18秒开始，每次缩短0.5秒，吹5个制品，直到吹气时间缩短到6.5秒为止。制品每次脱模后立即测量瓶口、瓶身、瓶底温度。因HDPE瓶，其收缩率的80～90%是在成型后24小时内发生的③，因些，将制品在室温静置24小时后再测量外形尺寸和满口容量。
试验结果：
1）制品脱模温度随吹气时间（冷却时间）的变化情况，见图1.
图1 吹气时间（冷却时间）对脱模温度的影响
由图可见瓶口温度、瓶身、瓶底脱模温度与吹气时间基本呈线性负相关关系，随吹气时间（冷却时间）的加长，温度线性降低。因挤出吹塑原理的原因，瓶口与瓶底的冷却与瓶身有些区别。对瓶身脱模温度与冷却时间做线性回归分析，瓶身脱模温度与冷却时间的关系为：
式中：Td身——瓶身脱模温度，℃；
t——冷却时间（吹气时间+排气时间），s。
从式中可见，冷却时间每延长1秒，瓶身脱模温度大约可降5℃。
2）制品外形尺寸随吹气时间（冷却时间）的变化情况，见图2～5.
图2 吹气时间（冷却时间）对瓶口外径的影响
图3 吹气时间（冷却时间）对瓶身高度的影响
图4 吹气时间（冷却时间）对瓶身厚度的影响
图5 吹气时间（冷却时间）对瓶身宽度的影响
从上述折线图可以看出：吹气时间在13.5秒以上（冷却时间在15秒以上）时，外形尺寸几乎不变，可以认为是已经完全冷却定型，后续收缩
可以忽略不计。但吹气时间在13.5秒（冷却时间在15秒以下）时，制品尺寸收缩明显，而且与冷却时间呈近似负线性相关。对照图1，吹气时间在13.5秒时，瓶身温度为67℃。即制品脱模温度在67℃及以下时，制品收缩很少，制品脱模温度在67℃以上时，必须在模腔做出补偿。另外，根据试验结果，在制品脱模温度超过80℃时，制品产生了翘曲变形，因此，吹气时间不能少于11秒（冷却时间不能少于12.5秒）。需要指出的是，制品形状、壁厚分布和所用原料对翘曲变形的临界温度有影响，对不同的制品需要做试验找出翘曲变形的临界脱模温度。
对各尺寸线性变化段做线性回归分析：冷却时间（8秒≤t≤15秒）
3、分析结果的应用
根据上述试验及分析结果，在不改变设备的情况下，按冷却时间为12.5秒（脱模温度为80℃），计算瓶身各尺寸收缩量分别为：瓶口0.36mm，瓶高1.95mm，瓶厚0.47mm，瓶宽0.42mm。根据计算出的收缩量，将模腔对应加大作为收缩补偿。然后再吹瓶，将原来26秒的成型周期缩短到19秒，产能提高了36.84%，并且节约了近30%的冷却能源消耗。
笔者按照此方法指导国内某机油瓶生产厂家修改模具，在不改变设备的情况下，仅投入少量的模具修改费用，就取得了巨大的经济效益。
4、结束语：
据行业统计，目前国内塑料中空成型机保有量大约12万台，配套模具近百万套，如果按照此方法修改模具，仅投入少量费用，即可取得巨大的经济效益，并为社会节约大量能源，有极大的社会效益。
参考文献：
[1]黄汉雄.挤出吹塑模具设计[J].模具工业，1994.NO.6：18～28
[2]黄汉雄.塑料吹塑技术[M].北京化学工业出版社，1995.
[3]黄汉雄.塑料吹塑技术[M].北京化学工业出版社，1995.
论文作者:高世凡
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：时间论文; 温度论文; 制品论文; 塑料论文; 吹气论文; 瓶身论文; 瓶口论文; 《基层建设》2019年第19期论文;