交联聚乙烯泡沫材料发泡生产装备的设计与研究

何朝武

摘要：文章首先对交联聚乙烯泡沫材料方面的背景及研究目的进行简单概述，分析了本项目研究的意义，然后对交联聚乙烯泡沫材料发泡生产装备设计的可行性进行分析，对该设备的技术特征创新之处重点进行研究，最后通过与相关竞争企业产品的比较，对该产品的市场竞争优势及前景进行预测。

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.

关键词：交联聚乙烯；泡沫材料；发泡生产设备

Key words： crosslinking polyethylene；foam；foam production equipment

中图分类号：TQ325.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0111-03

0 引言

交联聚乙烯泡沫材料不仅有良好的力学性能，还具有非常好的化学、物理及减震降噪等性能，在包装、汽车及建筑工程等领域中均有广泛应用。但当前我国的交联聚乙烯泡沫材料发泡生产装备制作依然依靠进口，而通过本次项目的研发成功，就能在很大程度上打破了国外的垄断地位，为国内该方面的技术实力提升奠定重要的基础。

1 研究背景、目的及意义

1.1 研究背景

PE泡沫塑料研制的历史较为悠久，早在1941年，美国杜邦公司就提出以氮气作为发泡剂进行PE泡沫塑料的制取。在1945年的时候，卡伦特电缆建筑公司研制出新的PE泡沫塑料的方法。七十年代初期，西德巴登苯烧碱厂通过已经发泡的直径为6～15mm圆形泡沫粒子，通过加热熔解后成型为泡沫块。1973年，日本中渊公司又以一种可发性珠粒塑模法生产聚乙烯泡沫材料。在上个世纪90年代，作为电缆绝缘材料，PE泡沫塑料进入了工业化生产过程。在当前交联聚乙烯泡沫材料广泛应用的大背景下，对于交联聚乙烯泡沫材料的发泡设备工艺也相继提升。早在2006年的时候，我国部分企业为了进一步压缩成本，逐渐开始对国外设备进行仿造与设计，然而取得的效果并不理想，并且生产出来的设备工作效率低、故障率高。现阶段电子辐照交联聚乙烯发泡的发泡装置的加热方式为加热管辐照式加热，该方式往往会导致出现很多问题，如发泡产品宽厚不一、炉内温度分布不稳定等。经过数年的技术进步与发展，虽然在该设备设计与制作方面有所进步，但与国外的技术水平依然有很大的差距。

1.2 研究目的

本项目要解决的关键技术问题是符合电子辐照交联聚乙烯发泡设备所要求功能的合理的结构设计；能够严格保证发泡温度变化的温度精度的控制技术以及适应自然发泡交联聚乙烯泡沫材料设备生产所要求的设备和装备的研制等。主要的目的是为了解决以下几个关键技术问题解决提供思路。其一，符合功能要求的机械结构。当前的该方面设备多为国外制造，其价格昂贵，而国内生产虽然价格低廉，但生产效率不佳，且故障率高。为此，本项目旨在从根本上解决该设备在这方面的技术问题，设计出性能更加优良的交联聚乙烯泡沫材料发泡生产设备；其二，精确的温度梯度和控制技术。自然发泡交联聚乙烯泡沫材料在制造过程中，不同阶段的温度要求不同，加上存在热传导、热辐射等影响，要想实现恒温调节的温度检测及反馈控制技术还需要有十分先进的控制技术；其三，生产试验的装备与设备。常规的装备可以购买，但部分试验装备、检测装备只能自己制造及设计，该类装备数量巨大并且精确度高，所以对于最终的生产水平有很大的影响，这都是需要解决的问题。

1.3 研究意义

一方面，本次研究自主设计了交联聚乙烯发泡设备，同时具有发泡PE制品均匀性良好，且生产效率高、成品率高，打破了国外的垄断地位；另一方面，本次研究设计开发了换热系统和热风循环系统，充分满足了垂直、水平各温度梯度分布，并能够匹配IXPE生产工艺，产品受热更加均匀，大大延长了热风循环风机的使用寿命。此外，通过利用自主研究设计出来的扩幅器，充分保证了在整个自然发泡过程中IXPE卷边或不打折，并且设计的双面压光装置，能及时对双面压光辊之间的间隙，取得了良好的压光效果。

2 交联聚乙烯泡沫材料发泡生产装备设计可行性分析

电子辐照交联聚乙烯发泡制品（简称IXPE）是自然发泡交联聚乙烯泡沫材料的一种，它表面平整光滑，泡孔细密均匀，具有可加工性和可塑性高、减少环境污染、过程易于控制等优点[1]。通常而言，电子辐照交联聚乙烯发泡的工艺主要包括以下几个方面：完成辐照的母片上炉——预热（水平段）——交联（垂直段）——发泡（垂直段）——冷却收卷（收卷辅机）。需要二次加工的（如增厚、覆膜、成型等），再由二次加工设备进行加工制作。就该工艺而言，其工作的流程为：首先，片材经由水平预热装置预热，将预热后由传送装置传送至发泡装置中，再经过电子辐照交联发泡后就能得到交联聚乙烯发泡片材的半成品，半成品再经过正反面压光装置进行双面压光处理后得到交联聚乙烯发泡片材成品，最后由收卷装置收卷好成品。见图1、图2。

然而在实验期间，发现温度、时间等因素对XPE/IXPE制品会产生很大的影响。因此，为了进行更好的设计，本次设计从水平传送与预热阶段，针对不同的产品，首先利用变频器对进风量进行调节，保证冷空气条件充分满足IXPE的预热工艺。当开启进气风机之后，将新鲜空气经由水平进料口的进风道传输至炉腔之中，进而使得水平预热装置内部的温度分布与IXPE要求的温度相符合。此外，穿芯轴网带运行需要借助平行导轨，而导轨的主要作用就是限位和支撑，其被动与主动链轮的主要作用就是维持穿芯轴网带宽度能够均匀受力。而在穿芯轴网带的外部层上设计一层钢网进行覆盖，在钢网上放置待发泡聚乙烯片材时，穿芯轴网带就会受到传动机构的带动而不断运行，达到水平传片材的效果。在整个运行的过程中，产品承重只对钢网有影响，而钢网所承受的其他外力基本可以忽略。本设计钢网牵引方式见图3。

在垂直发泡过程中，待发泡材料预热后被传送至发泡装置之中，然后经进料口输送至炉体内腔中，经辐照加热处理就能完成发泡过程，接着通过出料口将其推送至下一道工艺装置所在位置进行加工。由于同一温区产生的截面温差变化幅度在3℃以内，这就能够充分保证了聚乙烯片材宽度尺寸精准、泡孔分布均匀细密、材料厚度一致，进而大大提高了设备的成品率和生产效益。

3 交联聚乙烯发泡生产装备设计的技术特征及创新点分析

3.1 打破外国技术垄断局面，提升了产品的技术性能

随着当前我国在烯烃原料技术方面的成熟，加上节能理念与政策的不断推进，我国在聚乙烯研究方面取得了一系列的显著成就。在市场领域中，聚乙烯研发的重要产品就是塑料薄膜，其在运输环节和消费终端方面的应用均有重要价值，并且对我国国民经济发展起到一定带动作用。就软包装薄膜产量统计现状而言，年增长速度从2006年起就能达到12.8%左右。聚乙烯材料研发的另一个系列产品就是塑料管材，塑料管材的应用随着建筑工程和管道工程的建设而发挥重要作用。本次研究的交联聚乙烯发泡制品的核心技术在2006年以前一直被国外部分企业垄断，现有的国内电子辐照交联聚乙烯发泡装置存在多方面的缺陷，这对于国内该类设备的研发与企业应用都产生了很大的影响[2]。

而通过本次设计的电子辐照交联聚乙烯发泡设备则具有显著的特征，该设备的装置主要有水平预热、水平传送、垂直发泡、双面压光以及收卷等，垂直发泡炉是垂直发泡装置的主要部分，从发泡炉的进料口至出料口分别设计有三个区域，即过渡、预发泡、发泡区域。同时，将较多的热风循环风机设置在炉壁上，将电热管设置在其附近，并且电热管的组成包括若干个第一、第二以及第三电热管。这种装置设计的分布特征有效克服了传统的设计缺陷，运行时炉内不会发生串温的现象，且各区域之间不会出现较大的温差波动，制成的发泡产品具有均匀合理的宽度及厚薄度，成品率和生产效率都得到大大提升。

3.2 提高成品合格率，延长热风循环风机使用寿命

3.2.1 水平段送料装置能保证制品质量

如图2分析，由于设备运行时钢网仅仅对产品承重，其余外力基本可以忽略，所以使得钢网使用寿命得到充分延长，其使用寿命比当前的设备中钢网寿命延长至少6倍，并且还能有效避免发生了S形边问题，提高了成品率和生产效率。

3.2.2 控制技术十分精确，温度分布合理

一方面，将进气风机设置在水平预热装置的近炉口处，从而将新鲜空气传输到水平预热装置中，这样水平预热的温度分布更加均匀，并且还能利用变频器对不同产品的风量进行有效调节。与此同时，将集气罩设计在水平预热装置尾部，在日常运行过程中产生的废气就能被其收集至工作场区的外部，不仅降低串温现象造成的影响，还营造了良好的工作环境。此外，水平预热炉内的辐照加热功率下大上小，加热时热空气向上流动，减小了同一温区对流对温度的影响，使水平预热炉内由下到上的温度分布更加均匀。

另一方面，依据IXPE发泡工艺的要求，为了尽可能克服热对流的影响。该设备设计拟运行时，各区电热管辐照加热十分均匀，通过热风循环风机向炉体内腔输送热风，同时利用风道再细回风机，从而形成了空气循环，这样就使得垂直发泡炉内各区热空气保持相对独立的状态，并且形成了有均匀温度分布的热风场。

3.3 有效避免了自然发泡时发生的卷边或打折现象

IXPE经过预热后进入预发泡区，然后再进入发泡区进行发泡，为了有效避免自然发泡时发生的卷边或打折现象，本设计采用了设置展开装置——扩幅器。扩幅器的单元能固定安装中心轴，使其和传动架通过两个轴承进行连接，而传动架还能围绕整体中心轴进行摆动，从而增强了扩幅的效果和平衡稳定性。见图4。

4 交联聚乙烯发泡生产装备的优势及市场前景预测

依据调研发现，现阶段与本设计产品相关的其他同类竞争产品所谓为韩国统一公司生产，该类产品虽然生产量大、幅宽宽等优势，但也存在配件供应周期长、价格昂贵等问题。相比较而言，本次设计的产品在部分性能指标方面较该公司的产品有较大优势，并且逐渐具备了核心竞争力。见表1。

在交联聚乙烯发泡生产装备的市场预测方面，笔者认为随着我国经济的快速发展，使得农林畜牧、土木建筑、车船制造业、管道设施、大中型冷库以及中央空调等基础设施快速发展，所以保温材料市场潜力十分巨大[3]。加上国家对于环境保护要求的不断提升，以及各项法律法规逐渐健全，中央空调、管道设施保温材抖的玻璃离心棉以及土木建筑、冷库保温材料XPS、PU板等将逐步被XPE（IXPE）发泡材料所取代。

5 结语

由于现阶段我国在交联聚乙烯泡沫材料发泡生产装备应用方面主要依赖国外进口，因而要想打破国外在此领域对我国的垄断，自行设计与研发交联聚乙烯泡沫材料发泡生产设备显得尤为重要。本次设计研究的产品有着独特的技术性能，并且解决了以往产品设计过程中存在的多方面缺陷，与国外的产品相比具有强大的市场竞争力，对于促进我国相关产品生产企业的发展具有重要意义。

参考文献：

[1]连建中.应用于聚乙烯发泡材料生产的新工艺和设备[J].企业技术开发，2014（09）：175-176.

[2]吴嘉辉，杨丽庭，宋科明，林少权.新型聚烯烃发泡材料的研究进展[J].中国塑料，2011（12）：7-11.

[3]周林平，丁海伟，闫孝敏，于友姬.过氧化物交联聚乙烯材料的研究[J].新材料产业，2013（05）：48-51.