太阳能热水器蓄水内胆的吹塑成型技术

2017-02-24

     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，得到了迅速的发展。而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。而塑料蓄水内胆因其成型简单，无需焊接以及密封性好、热传导低、耐高温性强、耐腐蚀、环保清洁、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他助剂对其进行改性，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%。 

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 1 500 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 CaCO3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。

 

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 熔体的黏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 0.1~0.3 MPa，高压吹气大概在 0.4~0.6 MPa之间。

4 制品质量控制

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一般太阳能热水器内胆规格 ：真空管开孔 63 mm ；孔中心距 80 mm；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 1 500 mm，24管的制品更达 2 000 mm。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≥ 2 mm。为达到制品尺寸稳定，可从以下两点考虑 ：

（1）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。

（2）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。佳昊所使用的吹塑机采用了双工位，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 模具及其他

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。

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。