交聯(lián)聚乙烯泡沫材料發(fā)泡生產(chǎn)裝備的設(shè)計(jì)與研究

何朝武

摘要：文章首先對(duì)交聯(lián)聚乙烯泡沫材料方面的背景及研究目的進(jìn)行簡(jiǎn)單概述，分析了本項(xiàng)目研究的意義，然后對(duì)交聯(lián)聚乙烯泡沫材料發(fā)泡生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行分析，對(duì)該設(shè)備的技術(shù)特征創(chuàng)新之處重點(diǎn)進(jìn)行研究，最后通過與相關(guān)競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)產(chǎn)品的比較，對(duì)該產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及前景進(jìn)行預(yù)測(cè)。

Abstract： This paper first gives a brief overview on the background and research purpose of crosslinking polyethylene foam material， analyzes the significance of this research， then analyzes the feasibility of the design of foam production equipment of crosslinking polyethylene foam， and then focuses on research on technical characteristics of the equipment innovation. Finally， it predicts the market competitive advantage and the prospect of the product through the comparison with the related competitive enterprise products.

關(guān)鍵詞：交聯(lián)聚乙烯；泡沫材料；發(fā)泡生產(chǎn)設(shè)備

Key words： crosslinking polyethylene；foam；foam production equipment

中圖分類號(hào)：TQ325.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0111-03

0 引言

交聯(lián)聚乙烯泡沫材料不僅有良好的力學(xué)性能，還具有非常好的化學(xué)、物理及減震降噪等性能，在包裝、汽車及建筑工程等領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。但當(dāng)前我國(guó)的交聯(lián)聚乙烯泡沫材料發(fā)泡生產(chǎn)裝備制作依然依靠進(jìn)口，而通過本次項(xiàng)目的研發(fā)成功，就能在很大程度上打破了國(guó)外的壟斷地位，為國(guó)內(nèi)該方面的技術(shù)實(shí)力提升奠定重要的基礎(chǔ)。

1 研究背景、目的及意義

1.1 研究背景

PE泡沫塑料研制的歷史較為悠久，早在1941年，美國(guó)杜邦公司就提出以氮?dú)庾鳛榘l(fā)泡劑進(jìn)行PE泡沫塑料的制取。在1945年的時(shí)候，卡倫特電纜建筑公司研制出新的PE泡沫塑料的方法。七十年代初期，西德巴登苯燒堿廠通過已經(jīng)發(fā)泡的直徑為6～15mm圓形泡沫粒子，通過加熱熔解后成型為泡沫塊。1973年，日本中淵公司又以一種可發(fā)性珠粒塑模法生產(chǎn)聚乙烯泡沫材料。在上個(gè)世紀(jì)90年代，作為電纜絕緣材料，PE泡沫塑料進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)過程。在當(dāng)前交聯(lián)聚乙烯泡沫材料廣泛應(yīng)用的大背景下，對(duì)于交聯(lián)聚乙烯泡沫材料的發(fā)泡設(shè)備工藝也相繼提升。早在2006年的時(shí)候，我國(guó)部分企業(yè)為了進(jìn)一步壓縮成本，逐漸開始對(duì)國(guó)外設(shè)備進(jìn)行仿造與設(shè)計(jì)，然而取得的效果并不理想，并且生產(chǎn)出來的設(shè)備工作效率低、故障率高?，F(xiàn)階段電子輻照交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡的發(fā)泡裝置的加熱方式為加熱管輻照式加熱，該方式往往會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)很多問題，如發(fā)泡產(chǎn)品寬厚不一、爐內(nèi)溫度分布不穩(wěn)定等。經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，雖然在該設(shè)備設(shè)計(jì)與制作方面有所進(jìn)步，但與國(guó)外的技術(shù)水平依然有很大的差距。

1.2 研究目的

本項(xiàng)目要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是符合電子輻照交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡設(shè)備所要求功能的合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；能夠嚴(yán)格保證發(fā)泡溫度變化的溫度精度的控制技術(shù)以及適應(yīng)自然發(fā)泡交聯(lián)聚乙烯泡沫材料設(shè)備生產(chǎn)所要求的設(shè)備和裝備的研制等。主要的目的是為了解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題解決提供思路。其一，符合功能要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的該方面設(shè)備多為國(guó)外制造，其價(jià)格昂貴，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)雖然價(jià)格低廉，但生產(chǎn)效率不佳，且故障率高。為此，本項(xiàng)目旨在從根本上解決該設(shè)備在這方面的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)良的交聯(lián)聚乙烯泡沫材料發(fā)泡生產(chǎn)設(shè)備；其二，精確的溫度梯度和控制技術(shù)。自然發(fā)泡交聯(lián)聚乙烯泡沫材料在制造過程中，不同階段的溫度要求不同，加上存在熱傳導(dǎo)、熱輻射等影響，要想實(shí)現(xiàn)恒溫調(diào)節(jié)的溫度檢測(cè)及反饋控制技術(shù)還需要有十分先進(jìn)的控制技術(shù)；其三，生產(chǎn)試驗(yàn)的裝備與設(shè)備。常規(guī)的裝備可以購買，但部分試驗(yàn)裝備、檢測(cè)裝備只能自己制造及設(shè)計(jì)，該類裝備數(shù)量巨大并且精確度高，所以對(duì)于最終的生產(chǎn)水平有很大的影響，這都是需要解決的問題。

1.3 研究意義

一方面，本次研究自主設(shè)計(jì)了交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡設(shè)備，同時(shí)具有發(fā)泡PE制品均勻性良好，且生產(chǎn)效率高、成品率高，打破了國(guó)外的壟斷地位；另一方面，本次研究設(shè)計(jì)開發(fā)了換熱系統(tǒng)和熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，充分滿足了垂直、水平各溫度梯度分布，并能夠匹配IXPE生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品受熱更加均勻，大大延長(zhǎng)了熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)的使用壽命。此外，通過利用自主研究設(shè)計(jì)出來的擴(kuò)幅器，充分保證了在整個(gè)自然發(fā)泡過程中IXPE卷邊或不打折，并且設(shè)計(jì)的雙面壓光裝置，能及時(shí)對(duì)雙面壓光輥之間的間隙，取得了良好的壓光效果。

2 交聯(lián)聚乙烯泡沫材料發(fā)泡生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)可行性分析

電子輻照交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡制品（簡(jiǎn)稱IXPE）是自然發(fā)泡交聯(lián)聚乙烯泡沫材料的一種，它表面平整光滑，泡孔細(xì)密均勻，具有可加工性和可塑性高、減少環(huán)境污染、過程易于控制等優(yōu)點(diǎn)[1]。通常而言，電子輻照交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡的工藝主要包括以下幾個(gè)方面：完成輻照的母片上爐——預(yù)熱（水平段）——交聯(lián)（垂直段）——發(fā)泡（垂直段）——冷卻收卷（收卷輔機(jī)）。需要二次加工的（如增厚、覆膜、成型等），再由二次加工設(shè)備進(jìn)行加工制作。就該工藝而言，其工作的流程為：首先，片材經(jīng)由水平預(yù)熱裝置預(yù)熱，將預(yù)熱后由傳送裝置傳送至發(fā)泡裝置中，再經(jīng)過電子輻照交聯(lián)發(fā)泡后就能得到交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡片材的半成品，半成品再經(jīng)過正反面壓光裝置進(jìn)行雙面壓光處理后得到交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡片材成品，最后由收卷裝置收卷好成品。見圖1、圖2。

然而在實(shí)驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)溫度、時(shí)間等因素對(duì)XPE/IXPE制品會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此，為了進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)從水平傳送與預(yù)熱階段，針對(duì)不同的產(chǎn)品，首先利用變頻器對(duì)進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證冷空氣條件充分滿足IXPE的預(yù)熱工藝。當(dāng)開啟進(jìn)氣風(fēng)機(jī)之后，將新鮮空氣經(jīng)由水平進(jìn)料口的進(jìn)風(fēng)道傳輸至爐腔之中，進(jìn)而使得水平預(yù)熱裝置內(nèi)部的溫度分布與IXPE要求的溫度相符合。此外，穿芯軸網(wǎng)帶運(yùn)行需要借助平行導(dǎo)軌，而導(dǎo)軌的主要作用就是限位和支撐，其被動(dòng)與主動(dòng)鏈輪的主要作用就是維持穿芯軸網(wǎng)帶寬度能夠均勻受力。而在穿芯軸網(wǎng)帶的外部層上設(shè)計(jì)一層鋼網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，在鋼網(wǎng)上放置待發(fā)泡聚乙烯片材時(shí)，穿芯軸網(wǎng)帶就會(huì)受到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)而不斷運(yùn)行，達(dá)到水平傳片材的效果。在整個(gè)運(yùn)行的過程中，產(chǎn)品承重只對(duì)鋼網(wǎng)有影響，而鋼網(wǎng)所承受的其他外力基本可以忽略。本設(shè)計(jì)鋼網(wǎng)牽引方式見圖3。

在垂直發(fā)泡過程中，待發(fā)泡材料預(yù)熱后被傳送至發(fā)泡裝置之中，然后經(jīng)進(jìn)料口輸送至爐體內(nèi)腔中，經(jīng)輻照加熱處理就能完成發(fā)泡過程，接著通過出料口將其推送至下一道工藝裝置所在位置進(jìn)行加工。由于同一溫區(qū)產(chǎn)生的截面溫差變化幅度在3℃以內(nèi)，這就能夠充分保證了聚乙烯片材寬度尺寸精準(zhǔn)、泡孔分布均勻細(xì)密、材料厚度一致，進(jìn)而大大提高了設(shè)備的成品率和生產(chǎn)效益。

3 交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)的技術(shù)特征及創(chuàng)新點(diǎn)分析

3.1 打破外國(guó)技術(shù)壟斷局面，提升了產(chǎn)品的技術(shù)性能

隨著當(dāng)前我國(guó)在烯烴原料技術(shù)方面的成熟，加上節(jié)能理念與政策的不斷推進(jìn)，我國(guó)在聚乙烯研究方面取得了一系列的顯著成就。在市場(chǎng)領(lǐng)域中，聚乙烯研發(fā)的重要產(chǎn)品就是塑料薄膜，其在運(yùn)輸環(huán)節(jié)和消費(fèi)終端方面的應(yīng)用均有重要價(jià)值，并且對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到一定帶動(dòng)作用。就軟包裝薄膜產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)現(xiàn)狀而言，年增長(zhǎng)速度從2006年起就能達(dá)到12.8%左右。聚乙烯材料研發(fā)的另一個(gè)系列產(chǎn)品就是塑料管材，塑料管材的應(yīng)用隨著建筑工程和管道工程的建設(shè)而發(fā)揮重要作用。本次研究的交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡制品的核心技術(shù)在2006年以前一直被國(guó)外部分企業(yè)壟斷，現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)電子輻照交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡裝置存在多方面的缺陷，這對(duì)于國(guó)內(nèi)該類設(shè)備的研發(fā)與企業(yè)應(yīng)用都產(chǎn)生了很大的影響[2]。

而通過本次設(shè)計(jì)的電子輻照交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡設(shè)備則具有顯著的特征，該設(shè)備的裝置主要有水平預(yù)熱、水平傳送、垂直發(fā)泡、雙面壓光以及收卷等，垂直發(fā)泡爐是垂直發(fā)泡裝置的主要部分，從發(fā)泡爐的進(jìn)料口至出料口分別設(shè)計(jì)有三個(gè)區(qū)域，即過渡、預(yù)發(fā)泡、發(fā)泡區(qū)域。同時(shí)，將較多的熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)設(shè)置在爐壁上，將電熱管設(shè)置在其附近，并且電熱管的組成包括若干個(gè)第一、第二以及第三電熱管。這種裝置設(shè)計(jì)的分布特征有效克服了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷，運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)不會(huì)發(fā)生串溫的現(xiàn)象，且各區(qū)域之間不會(huì)出現(xiàn)較大的溫差波動(dòng)，制成的發(fā)泡產(chǎn)品具有均勻合理的寬度及厚薄度，成品率和生產(chǎn)效率都得到大大提升。

3.2 提高成品合格率，延長(zhǎng)熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)使用壽命

3.2.1 水平段送料裝置能保證制品質(zhì)量

如圖2分析，由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)鋼網(wǎng)僅僅對(duì)產(chǎn)品承重，其余外力基本可以忽略，所以使得鋼網(wǎng)使用壽命得到充分延長(zhǎng)，其使用壽命比當(dāng)前的設(shè)備中鋼網(wǎng)壽命延長(zhǎng)至少6倍，并且還能有效避免發(fā)生了S形邊問題，提高了成品率和生產(chǎn)效率。

3.2.2 控制技術(shù)十分精確，溫度分布合理

一方面，將進(jìn)氣風(fēng)機(jī)設(shè)置在水平預(yù)熱裝置的近爐口處，從而將新鮮空氣傳輸?shù)剿筋A(yù)熱裝置中，這樣水平預(yù)熱的溫度分布更加均勻，并且還能利用變頻器對(duì)不同產(chǎn)品的風(fēng)量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，將集氣罩設(shè)計(jì)在水平預(yù)熱裝置尾部，在日常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的廢氣就能被其收集至工作場(chǎng)區(qū)的外部，不僅降低串溫現(xiàn)象造成的影響，還營(yíng)造了良好的工作環(huán)境。此外，水平預(yù)熱爐內(nèi)的輻照加熱功率下大上小，加熱時(shí)熱空氣向上流動(dòng)，減小了同一溫區(qū)對(duì)流對(duì)溫度的影響，使水平預(yù)熱爐內(nèi)由下到上的溫度分布更加均勻。

另一方面，依據(jù)IXPE發(fā)泡工藝的要求，為了盡可能克服熱對(duì)流的影響。該設(shè)備設(shè)計(jì)擬運(yùn)行時(shí)，各區(qū)電熱管輻照加熱十分均勻，通過熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)向爐體內(nèi)腔輸送熱風(fēng)，同時(shí)利用風(fēng)道再細(xì)回風(fēng)機(jī)，從而形成了空氣循環(huán)，這樣就使得垂直發(fā)泡爐內(nèi)各區(qū)熱空氣保持相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)，并且形成了有均勻溫度分布的熱風(fēng)場(chǎng)。

3.3 有效避免了自然發(fā)泡時(shí)發(fā)生的卷邊或打折現(xiàn)象

IXPE經(jīng)過預(yù)熱后進(jìn)入預(yù)發(fā)泡區(qū)，然后再進(jìn)入發(fā)泡區(qū)進(jìn)行發(fā)泡，為了有效避免自然發(fā)泡時(shí)發(fā)生的卷邊或打折現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)采用了設(shè)置展開裝置——擴(kuò)幅器。擴(kuò)幅器的單元能固定安裝中心軸，使其和傳動(dòng)架通過兩個(gè)軸承進(jìn)行連接，而傳動(dòng)架還能圍繞整體中心軸進(jìn)行擺動(dòng)，從而增強(qiáng)了擴(kuò)幅的效果和平衡穩(wěn)定性。見圖4。

4 交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡生產(chǎn)裝備的優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)

依據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段與本設(shè)計(jì)產(chǎn)品相關(guān)的其他同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品所謂為韓國(guó)統(tǒng)一公司生產(chǎn)，該類產(chǎn)品雖然生產(chǎn)量大、幅寬寬等優(yōu)勢(shì)，但也存在配件供應(yīng)周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴等問題。相比較而言，本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在部分性能指標(biāo)方面較該公司的產(chǎn)品有較大優(yōu)勢(shì)，并且逐漸具備了核心競(jìng)爭(zhēng)力。見表1。

在交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡生產(chǎn)裝備的市場(chǎng)預(yù)測(cè)方面，筆者認(rèn)為隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得農(nóng)林畜牧、土木建筑、車船制造業(yè)、管道設(shè)施、大中型冷庫以及中央空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展，所以保溫材料市場(chǎng)潛力十分巨大[3]。加上國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)要求的不斷提升，以及各項(xiàng)法律法規(guī)逐漸健全，中央空調(diào)、管道設(shè)施保溫材抖的玻璃離心棉以及土木建筑、冷庫保溫材料XPS、PU板等將逐步被XPE（IXPE）發(fā)泡材料所取代。

5 結(jié)語

由于現(xiàn)階段我國(guó)在交聯(lián)聚乙烯泡沫材料發(fā)泡生產(chǎn)裝備應(yīng)用方面主要依賴國(guó)外進(jìn)口，因而要想打破國(guó)外在此領(lǐng)域?qū)ξ覈?guó)的壟斷，自行設(shè)計(jì)與研發(fā)交聯(lián)聚乙烯泡沫材料發(fā)泡生產(chǎn)設(shè)備顯得尤為重要。本次設(shè)計(jì)研究的產(chǎn)品有著獨(dú)特的技術(shù)性能，并且解決了以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中存在的多方面缺陷，與國(guó)外的產(chǎn)品相比具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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