交聯聚乙烯泡沫材料發泡生產裝備的設計與研究

何朝武

摘要：文章首先對交聯聚乙烯泡沫材料方面的背景及研究目的進行簡單概述，分析了本項目研究的意義，然后對交聯聚乙烯泡沫材料發泡生產裝備設計的可行性進行分析，對該設備的技術特征創新之處重點進行研究，最后通過與相關競爭企業產品的比較，對該產品的市場競爭優勢及前景進行預測。

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.

關鍵詞：交聯聚乙烯；泡沫材料；發泡生產設備

Key words： crosslinking polyethylene；foam；foam production equipment

中圖分類號：TQ325.1+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0111-03

0 引言

交聯聚乙烯泡沫材料不僅有良好的力學性能，還具有非常好的化學、物理及減震降噪等性能，在包裝、汽車及建筑工程等領域中均有廣泛應用。但當前我國的交聯聚乙烯泡沫材料發泡生產裝備制作依然依靠進口，而通過本次項目的研發成功，就能在很大程度上打破了國外的壟斷地位，為國內該方面的技術實力提升奠定重要的基礎。

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，美國杜邦公司就提出以氮氣作為發泡劑進行PE泡沫塑料的制取。在1945年的時候，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發泡的直徑為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性珠粒塑模法生產聚乙烯泡沫材料。在上個世紀90年代，作為電纜絕緣材料，PE泡沫塑料進入了工業化生產過程。在當前交聯聚乙烯泡沫材料廣泛應用的大背景下，對于交聯聚乙烯泡沫材料的發泡設備工藝也相繼提升。早在2006年的時候，我國部分企業為了進一步壓縮成本，逐漸開始對國外設備進行仿造與設計，然而取得的效果并不理想，并且生產出來的設備工作效率低、故障率高?，F階段電子輻照交聯聚乙烯發泡的發泡裝置的加熱方式為加熱管輻照式加熱，該方式往往會導致出現很多問題，如發泡產品寬厚不一、爐內溫度分布不穩定等。經過數年的技術進步與發展，雖然在該設備設計與制作方面有所進步，但與國外的技術水平依然有很大的差距。

1.2 研究目的

本項目要解決的關鍵技術問題是符合電子輻照交聯聚乙烯發泡設備所要求功能的合理的結構設計；能夠嚴格保證發泡溫度變化的溫度精度的控制技術以及適應自然發泡交聯聚乙烯泡沫材料設備生產所要求的設備和裝備的研制等。主要的目的是為了解決以下幾個關鍵技術問題解決提供思路。其一，符合功能要求的機械結構。當前的該方面設備多為國外制造，其價格昂貴，而國內生產雖然價格低廉，但生產效率不佳，且故障率高。為此，本項目旨在從根本上解決該設備在這方面的技術問題，設計出性能更加優良的交聯聚乙烯泡沫材料發泡生產設備；其二，精確的溫度梯度和控制技術。自然發泡交聯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、熱輻射等影響，要想實現恒溫調節的溫度檢測及反饋控制技術還需要有十分先進的控制技術；其三，生產試驗的裝備與設備。常規的裝備可以購買，但部分試驗裝備、檢測裝備只能自己制造及設計，該類裝備數量巨大并且精確度高，所以對于最終的生產水平有很大的影響，這都是需要解決的問題。

1.3 研究意義

一方面，本次研究自主設計了交聯聚乙烯發泡設備，同時具有發泡PE制品均勻性良好，且生產效率高、成品率高，打破了國外的壟斷地位；另一方面，本次研究設計開發了換熱系統和熱風循環系統，充分滿足了垂直、水平各溫度梯度分布，并能夠匹配IXPE生產工藝，產品受熱更加均勻，大大延長了熱風循環風機的使用壽命。此外，通過利用自主研究設計出來的擴幅器，充分保證了在整個自然發泡過程中IXPE卷邊或不打折，并且設計的雙面壓光裝置，能及時對雙面壓光輥之間的間隙，取得了良好的壓光效果。

2 交聯聚乙烯泡沫材料發泡生產裝備設計可行性分析

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

然而在實驗期間，發現溫度、時間等因素對XPE/IXPE制品會產生很大的影響。因此，為了進行更好的設計，本次設計從水平傳送與預熱階段，針對不同的產品，首先利用變頻器對進風量進行調節，保證冷空氣條件充分滿足IXPE的預熱工藝。當開啟進氣風機之后，將新鮮空氣經由水平進料口的進風道傳輸至爐腔之中，進而使得水平預熱裝置內部的溫度分布與IXPE要求的溫度相符合。此外，穿芯軸網帶運行需要借助平行導軌，而導軌的主要作用就是限位和支撐，其被動與主動鏈輪的主要作用就是維持穿芯軸網帶寬度能夠均勻受力。而在穿芯軸網帶的外部層上設計一層鋼網進行覆蓋，在鋼網上放置待發泡聚乙烯片材時，穿芯軸網帶就會受到傳動機構的帶動而不斷運行，達到水平傳片材的效果。在整個運行的過程中，產品承重只對鋼網有影響，而鋼網所承受的其他外力基本可以忽略。本設計鋼網牽引方式見圖3。

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

3 交聯聚乙烯發泡生產裝備設計的技術特征及創新點分析

3.1 打破外國技術壟斷局面，提升了產品的技術性能

隨著當前我國在烯烴原料技術方面的成熟，加上節能理念與政策的不斷推進，我國在聚乙烯研究方面取得了一系列的顯著成就。在市場領域中，聚乙烯研發的重要產品就是塑料薄膜，其在運輸環節和消費終端方面的應用均有重要價值，并且對我國國民經濟發展起到一定帶動作用。就軟包裝薄膜產量統計現狀而言，年增長速度從2006年起就能達到12.8%左右。聚乙烯材料研發的另一個系列產品就是塑料管材，塑料管材的應用隨著建筑工程和管道工程的建設而發揮重要作用。本次研究的交聯聚乙烯發泡制品的核心技術在2006年以前一直被國外部分企業壟斷，現有的國內電子輻照交聯聚乙烯發泡裝置存在多方面的缺陷，這對于國內該類設備的研發與企業應用都產生了很大的影響[2]。

而通過本次設計的電子輻照交聯聚乙烯發泡設備則具有顯著的特征，該設備的裝置主要有水平預熱、水平傳送、垂直發泡、雙面壓光以及收卷等，垂直發泡爐是垂直發泡裝置的主要部分，從發泡爐的進料口至出料口分別設計有三個區域，即過渡、預發泡、發泡區域。同時，將較多的熱風循環風機設置在爐壁上，將電熱管設置在其附近，并且電熱管的組成包括若干個第一、第二以及第三電熱管。這種裝置設計的分布特征有效克服了傳統的設計缺陷，運行時爐內不會發生串溫的現象，且各區域之間不會出現較大的溫差波動，制成的發泡產品具有均勻合理的寬度及厚薄度，成品率和生產效率都得到大大提升。

3.2 提高成品合格率，延長熱風循環風機使用壽命

3.2.1 水平段送料裝置能保證制品質量

如圖2分析，由于設備運行時鋼網僅僅對產品承重，其余外力基本可以忽略，所以使得鋼網使用壽命得到充分延長，其使用壽命比當前的設備中鋼網壽命延長至少6倍，并且還能有效避免發生了S形邊問題，提高了成品率和生產效率。

3.2.2 控制技術十分精確，溫度分布合理

一方面，將進氣風機設置在水平預熱裝置的近爐口處，從而將新鮮空氣傳輸到水平預熱裝置中，這樣水平預熱的溫度分布更加均勻，并且還能利用變頻器對不同產品的風量進行有效調節。與此同時，將集氣罩設計在水平預熱裝置尾部，在日常運行過程中產生的廢氣就能被其收集至工作場區的外部，不僅降低串溫現象造成的影響，還營造了良好的工作環境。此外，水平預熱爐內的輻照加熱功率下大上小，加熱時熱空氣向上流動，減小了同一溫區對流對溫度的影響，使水平預熱爐內由下到上的溫度分布更加均勻。

另一方面，依據IXPE發泡工藝的要求，為了盡可能克服熱對流的影響。該設備設計擬運行時，各區電熱管輻照加熱十分均勻，通過熱風循環風機向爐體內腔輸送熱風，同時利用風道再細回風機，從而形成了空氣循環，這樣就使得垂直發泡爐內各區熱空氣保持相對獨立的狀態，并且形成了有均勻溫度分布的熱風場。

3.3 有效避免了自然發泡時發生的卷邊或打折現象

IXPE經過預熱后進入預發泡區，然后再進入發泡區進行發泡，為了有效避免自然發泡時發生的卷邊或打折現象，本設計采用了設置展開裝置——擴幅器。擴幅器的單元能固定安裝中心軸，使其和傳動架通過兩個軸承進行連接，而傳動架還能圍繞整體中心軸進行擺動，從而增強了擴幅的效果和平衡穩定性。見圖4。

4 交聯聚乙烯發泡生產裝備的優勢及市場前景預測

依據調研發現，現階段與本設計產品相關的其他同類競爭產品所謂為韓國統一公司生產，該類產品雖然生產量大、幅寬寬等優勢，但也存在配件供應周期長、價格昂貴等問題。相比較而言，本次設計的產品在部分性能指標方面較該公司的產品有較大優勢，并且逐漸具備了核心競爭力。見表1。

在交聯聚乙烯發泡生產裝備的市場預測方面，筆者認為隨著我國經濟的快速發展，使得農林畜牧、土木建筑、車船制造業、管道設施、大中型冷庫以及中央空調等基礎設施快速發展，所以保溫材料市場潛力十分巨大[3]。加上國家對于環境保護要求的不斷提升，以及各項法律法規逐漸健全，中央空調、管道設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）發泡材料所取代。

5 結語

由于現階段我國在交聯聚乙烯泡沫材料發泡生產裝備應用方面主要依賴國外進口，因而要想打破國外在此領域對我國的壟斷，自行設計與研發交聯聚乙烯泡沫材料發泡生產設備顯得尤為重要。本次設計研究的產品有著獨特的技術性能，并且解決了以往產品設計過程中存在的多方面缺陷，與國外的產品相比具有強大的市場競爭力，對于促進我國相關產品生產企業的發展具有重要意義。

參考文獻：

[1]連建中.應用于聚乙烯發泡材料生產的新工藝和設備[J].企業技術開發，2014（09）：175-176.

[2]吳嘉輝，楊麗庭，宋科明，林少權.新型聚烯烴發泡材料的研究進展[J].中國塑料，2011（12）：7-11.

[3]周林平，丁海偉，閆孝敏，于友姬.過氧化物交聯聚乙烯材料的研究[J].新材料產業，2013（05）：48-51.