1.2　挤出吹塑产品的创新设计

挤出吹塑中空容器的品种五花八门，样式繁多，在人们的生产、生活中扮演着十分重要的角色。图1-1为挤出吹塑制品部分样品。

由于挤出吹塑制品的品种繁多，在本书中只能选择几种具有代表性的产品设计进行简单介绍。

1.2.1　包装容器的创新设计

本书所涉及的包装容器主要指塑料包装容器。随着石油化工行业的高速发展，塑料工业发展迅猛，塑料包装容器在很多方面已取代用金属、玻璃、陶瓷、木材等材料制作的包装容器，显示出了强大的生命力，这些产品设计的创新给人们的生产、生活带来了便利，也改善了人们的生活质量。

1.2.1.1　塑料包装容器的特点

塑料包装容器的优点如下。

① 塑料密度小、质轻，可透明也可不透明。

② 易于成型加工，只要更换模具，即可得到不同形状的容器，并容易大批量生产。

③ 包装效果好，易于着色，色泽鲜艳，可根据需要制作不同种类的包装容器，取得最佳包装效果。

④ 有较好的耐腐蚀、耐酸碱、耐油、耐冲击性能，并有较好的机械强度。

塑料包装容器也有不足之处。

① 塑料在高温下易软化变形，故使用温度受到限制。

② 容器表面硬度低，易于磨损或划破；在光氧和热氧作用下，塑料会产生降解、变脆、性能降低等老化现象。

③ 导电性差，易产生静电积聚等。

1.2.1.2　塑料包装容器的分类

① 按所用原料性质分类，主要有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酯（PET）、聚碳酸酯（PC）等容器。

② 按容器成型方法分类，主要有吹塑成型、挤出成型、注射成型、拉伸成型、滚塑成型、真空成型等容器。

③ 按造型和用途分类，主要有塑料箱、塑料桶、塑料瓶、塑料袋、塑料软管等。

塑料包装容器一般采用模塑法制得，其形态主要取决于成型方法及使用的模具。有时相同（或相似）的形态也可以采用不同的方法制得。例如，中空容器一般采用吹塑成型的方法制得，但也常常采用滚塑的方法制造（尤其是特大型容器、小批量容器或异形容器）；周转箱一般采用注射成型的方法制造，但在一些比较特殊的情况下，为适应使用的需要采用钙塑板拼裁制造（具有质轻、价廉的优点，但强度稍逊）或者由预发泡聚苯乙烯珠粒模塑成型（具有特别突出的隔热性能及良好的缓冲抗震能力），甚至采用片材热成型的方法制造（成本低但强度有限）。

1.2.1.3　塑料包装容器材料的选用

由于塑料的品种很多，因此其材料的选择是复杂的，包装同一种商品可用不同的材料，包装不同商品可用同一材料，但成型工艺方法可能不同。例如：包装洗发液，可用PP、PVC材料；PET材料，可用来包装食用油、碳酸饮料；HDPE材料，采用注射成型时，可加工成箱类容器，而采用吹塑成型时，又可加工成包装化妆品的中空容器。

了解塑料包装容器常用的各种塑料的特性，对于正确选用塑料包装容器是十分重要的，因为塑料包装容器的材质决定着塑料包装容器的基本特性。具有相同或相似形态的塑料包装容器，由于材质的不同，其使用性能上可能有极其巨大的差异。例如，聚碳酸酯吹塑瓶和普通的聚酯拉伸吹塑瓶，均具有极其良好的透明性与光泽度，在外观上是极为相似的，但聚碳酸酯瓶的耐高温性能突出（可经受120℃以上的高温消毒），但阻隔性能差；而普通聚酯拉伸吹塑瓶阻隔性能好，但耐热性能差（一般推荐在60℃以下的温度下使用）。又如聚乙烯容器耐酸、碱性好，但不耐众多的有机溶剂；而尼龙容器耐烃类及有机溶剂，但耐酸碱性较差（特别是耐酸性能差）等；聚碳酸酯瓶可用于高温下灌装商品（如果汁）的包装，但如将聚碳酸酯瓶用于盛装需要有良好阻隔性的碳酸饮料（需防止饮料中的二氧化碳逃逸）或者食用油（要防止氧气进入瓶中，以免食用油氧化、酸败），则不能很好地保护商品，得不到理想的包装效果，而采用普通聚酯拉伸瓶包装碳酸饮料，可有效地防止饮料中的二氧化碳逃逸（聚酯拉伸瓶的阻隔性能优良），将其用于食用油的包装，可延缓食用油的氧化变质，延长其保质期（聚酯拉伸瓶阻隔氧气的性能好，可有效地防止大气中的氧通过容器的器壁进入瓶中），但将其用于包装高温填充的果汁之类的商品，在高温填充时，聚酯拉伸瓶会发生严重的变质而失去使用价值。聚乙烯瓶可以盛装酸碱之类的物质而不宜盛装苯、甲苯之类的有机溶剂（聚乙烯瓶溶胀，强度明显下降或者有机溶剂通过容器壁逃逸），而尼龙容器虽不宜储存酸碱之类的物质，但用于盛装苯、二甲苯之类的有机溶剂则是十分合适的。多层复合容器PE/PA/PE和PE单层容器，在外观上差不多完全相同，即使是塑料制品行业中的行家里手，也很难就外观上的不同将它们分开，但两种容器在性能上的差异非常大，特别是对氧、二氧化碳、氮气以及有机溶剂的阻隔性能方面，可相差数十倍乃至数百倍之多，因此绝不能仅从塑料容器的外观来判断其适应性，而要把握塑料容器的基本特点，否则往往会因塑料容器的选用不当而造成巨大的损失。因此在选用塑料容器时，一定要充分了解塑料的有关性能。

塑料包装容器材料的选择一般可从以下5个方面考虑。

① 防护、保护性能　根据被包装物品的特性选择塑料包装材料。主要考虑塑料的强度、透明性、光泽性、透气和透湿性、耐热和耐酸碱性等。

② 商品性　主要从美观和促销的角度考虑。

③ 经济性　从成本的角度考虑，选择合适的原材料和加工成型方法。

④ 安全、卫生性　要求塑料材料卫生可靠、无毒。

⑤ 废弃物处理　主要是从节约资源和环境保护的角度考虑，要求我们要有可持续发展的眼光，这就要求我们考虑问题不仅要从当前的需要出发，而且要考虑其对今后长远的影响，要造福于子孙后代。其最为基本的要求是，要尽可能节约资源及对环境不产生有害的影响。就塑料包装容器而言，其生产过程中对环境的有害影响尚不严重。要处理好塑料包装容器与环境保护之间的关系，还有许许多多的问题有待我们去着手解决。工业发达国家通过多年的探索，对塑料包装材料提出了“3R1D”的原则，值得我们借鉴。所谓3R，即塑料包装废弃物的减量化（reduce）、塑料包装的再使用（reuse）以及塑料包装的回收利用（recycle）。所谓1D，即发展分解型塑料包装材料（dissolve）。

1.2.1.4　塑料包装容器的设计基础

塑料包装容器品种繁多、性能各异，要真正设计好塑料包装容器亦非易事。

（1）塑料包装容器设计的一般原则

塑料包装容器主要根据使用要求进行设计，设计时应考虑的一般原则如下。

① 充分发挥塑料的力学性能，避免或弥补其不足。主要应考虑塑料的强度、刚性、韧性、弹性以及对应力的敏感性等机械特性。

② 塑料的成型性以及成型工艺对容器设计的影响。塑料的成型特性包括流动性、结晶性、收缩性、热稳定性、固化特性及分子取向等。

③ 塑料容器在成型后的收缩情况，以及各向收缩率的差异和由此可能引起的翘曲、变形等。

④ 塑料容器的形状，在保证使用要求的前提下应有利于成型，同时还应能适应高效冷却定型（热塑性塑料）或快速受热固化（热固性塑料）。

⑤ 塑料容器设计应考虑成型模具的总体结构，尽可能使模具结构简单，同时应考虑模具零件的形状及其制造工艺，以便使制品具有较好的经济性。

（2）塑料包装容器创新设计的主要内容

塑料包装容器设计的内容包括3大方面。

① 功能结构设计　功能结构设计是塑料包装容器设计的核心，是与包装容器功能有关的要素，如形状、尺寸、精度、表面粗糙度、螺纹、孔等。

② 工艺结构设计　从塑料成型加工工艺的角度考虑，容器设计应考虑的工艺因素包括壁厚、脱模斜度、加强筋、支承面、圆角等。

③ 造型结构设计　塑料容器结构设计的主要内容包括容器的形状、尺寸、精度、表面粗糙度、壁厚、斜度、加强筋、支承面、圆角、螺纹、孔、嵌件以及容器的表面文字、商标、图案等。

（3）塑料包装容器设计的程序

掌握恰当的设计程序是实现塑料包装容器正确设计的重要条件。由于塑料的复杂性及其应用的多样性，不同的塑料包装容器可以采取不同的设计程序。就通常情况而言，塑料包装容器设计的一般程序如下。

① 详细了解制品的功能、环境条件和载荷条件　在设计制品之前，应列出塑料制品应具备的功能、环境条件、载荷条件（动载荷或静载荷），了解零部件之间的联系和对制品功能的影响。制品功能确定得越准确、越详细，制品设计考虑的限制因素就越全面，设计出的制品就能较好地满足使用要求。其中，尤为重要的是了解塑料制品应具备某些特殊的性能，例如光学透明性、耐化学品性、耐高温、耐冲击或耐辐射等性能，就可缩小选择材料的范围。

② 材料选择　塑料包装容器的材料选择是复杂的。不仅要保证实现制品的功能和性能，也要考虑可加工性和生产成本。

③ 成型加工方法的选择　不同的加工方法适用于不同形状和尺寸的制品。加工精度和生产率，要有相应的成型模具和设备作保障。成型加工方法的选择主要根据制品尺寸、形状、生产数量、制品性能等加以考虑。设计者通过分析比较，可选择一种或两种候选材料及其相关的一种或两种成型加工方法。

④ 塑料制品初步设计，绘制制品草图　初步设计的主要内容为制品的形状、尺寸、壁厚、加强筋、孔的位置等。在初步设计时应考虑制品在成型加工、模具设计和制造方面的问题。

⑤ 样品制造，进行模拟试验或实际使用条件的试验　试验样品的制造可以按照初步设计的要求，设计加工模具，按确定的材料和成型工艺方法制造样品，也可以用其他简便方法制造样品，然后进行各种模拟试验或实际使用条件的试验。样品制造和样品试验通常要进行多次。如果初步设计有几种设计方案，在初步试验的基础上，通过评价几种初步设计方案的优劣，选择最佳设计方案，包括确定塑料材料和成型工艺方法，以满足制品的使用要求。在近年的技术创新研究中，许多吹塑制品采用3D打印的办法来成型样品，经过相关测试后，再进行吹塑模具的设计、改进、制造，相对来说，尽管目前3D打印的单个成本较高，但从总体投入来看，采用3D打印还是会节省一些资金投入的。

⑥ 制品设计，绘制正规制品图纸　在大量试验的基础上，综合考虑塑料制品的物理性能、使用寿命、成型工艺性和经济性等多方面的因素，选择最佳制品设计方案，绘制正规制品图。图纸上必须注明塑料品种牌号。近年来一些塑料吹塑工程结构件的研制过程没有经过较长时间的试验与反复测试就开始规模化推广，可能在未来几年会出现大批量的更换或影响工程质量与安全使用问题，值得引起人们的高度重视。

⑦ 编制塑料包装容器设计说明书或技术条件等技术文件　几种超大型吹塑制品外观见图1-2。

1.2.2　吹塑托盘的创新设计

托盘是对产品进行装卸、存储时能够对产品起到负荷作用的垫板，其能够适用于各种形状的商品。

托盘根据材质不同主要分成木制托盘、纸托盘、钢制托盘、塑料托盘和其他复合托盘等。其中塑料托盘根据不同的工艺可分为注塑托盘、压铸托盘、滚塑托盘和吹塑托盘等。在国内市场中运用最普遍的托盘有木制托盘、注塑托盘、钢托盘和吹塑托盘。然而，吹塑托盘具有耐低温、耐化学腐蚀、耐潮湿、耐环境应力开裂、耐冲击、耐化学药品、耐积压、耐磨且综合成本低等优点，见表1-5。

注：☆越多在此项中的性能越优越。

表1-6所示为几种不同托盘综合成本比较，以塑料净重9kg，产品1000件，动载1t，静载1.5t，2年内使用状况为例。

1.2.2.1　双面吹塑托盘

我国对吹塑托盘的研发起步比较晚，在20世纪80年代才开始对高密度聚乙烯吹塑托盘进行研发制造。首先面市的只有双面吹塑托盘。经过几十年的发展，我国在对吹塑托盘成型技术上不断进行探究及试验，在这一领域取得了较大的突破。如今，增加了许多创新设计的吹塑托盘，见图1-3。

双面吹塑托盘是最先推出的吹塑托盘，叉口的方向可分为两向进叉和四向进叉，叉口形式为外叉口（图1-4），其设计可以追溯到30多年以前，相对来说，其模具及成型工艺较为简单与成熟。

目前，新一代的内叉口双面吹塑托盘已上市，如张家港同大机械有限公司近年来研发出来的内叉口双面吹塑托盘（图1-5）。

内叉口（图1-5）双面吹塑托盘是根据客户对外叉口（图1-4）双面吹塑托盘使用情况而实施的改进方案。

内叉口双面吹塑托盘的优势：由于叉口内翻，叉口处的壁厚较厚，在使用时，其叉口处耐用性及承载力更好；此外由于叉口内翻，同样规格的托盘，内叉口的托盘比外叉口的托盘占地面积小，在使用过程中可减少放置空间。

1.2.2.2　九脚围板箱托盘

九脚围板箱吹塑托盘组合图见图1-6。

九脚单面吹塑托盘见图1-7。

九脚围板箱托盘主要用于重要的机电零部件、汽车零部件的仓储及运输。市场中主要采用木制围板箱及注塑围板箱，它们的主要缺点是使用寿命较短、空置堆放比较占地方。目前，市场上已出现了可拆卸的九脚围板箱吹塑托盘（图1-8）。

九脚围板箱托盘（图1-8）由九脚单面托盘（图1-7）衍变而成，在九脚单面托盘周边设有翻卷而形成一条方槽，便于放入围板，顶部盖上吹塑盖板（图1-6）。这种形式的围板箱与注塑、木质卡板箱相比较，优势在于：使用寿命长；空载放置时，吹塑围板箱托盘可灵活拆卸，托盘与盖板套叠放置后占地面积小。

图1-9为九脚围板箱外观。

1.2.2.3　川字型单面吹塑托盘

注塑川字型单面托盘在市场中应用非常广泛，但是一次整体吹塑成型的川字型吹塑托盘较少，图1-10所示的一次整体吹塑成型的吹塑托盘，它的结构赋予了其多重优点：①自适应性比较强，能配合机械铲车与手动液压车使用；②能上货架及冷库货架使用。川字型吹塑单面托盘局部区域拉伸比由于超出了吹塑工艺的拉伸比范围，不容易成型。在市场中，大多都是由组合式川字型吹塑托盘（图1-11）来弥补吹塑托盘在这方面的缺陷。由于组合式川字型吹塑托盘工序多，导致托盘价格较高，与其他工艺的川字型单面托盘相比竞争力偏低。

近几年来，张家港同大机械有限公司通过对成型工艺的研究及合理设计，成功研制出货架川字型吹塑托盘，见图1-10。一次整体吹塑成型与组合式川字型吹塑托盘比较，减少了安装人工成本。川字型单面吹塑托盘具有四向进叉功能；上平面设有可内置方管口，内置方管后，上平面在承载后不易变形。底部平面承载条局部区域由上下型坯挤压成型，此处壁厚较厚，强度提高较大。在货架承载时，这部分区域在货架上使用时底部镂空，容易导致整块托盘弯曲，但是如果将此处的壁厚加厚，提高弯曲强度，则可较好地适应货架上的应用。

组合式川字型吹塑单面托盘（图1-11）是近年来主流的吹塑货架托盘，但之前组合式吹塑川字型托盘未设有方管口，它在货架上使用时，弯曲强度较为欠缺，只能承受较轻的物品。

根据客户要求，张家港同大机械有限公司改进了托盘的设计：在托盘上平面板及下平面承载条都设有方管槽，加入方管后，能较大地提高承载性能及弯曲强度，满足较重载荷时使用。

1.2.2.4　免卸货吹塑托盘

免人工卸货吹塑托盘见图1-12。

免卸货吹塑托盘是一种特殊托盘，主要用于袋包装物料的堆码仓储与产品出入库时的免人工卸货装车，配套多齿叉车使用。

这类吹塑托盘设有承载货物的多齿槽面，其与地面接触的是下平面；上部的多齿槽便于多齿叉车卸货使用，下部的两处进叉口方便普通叉车运输及堆码货物使用。

目前，张家港同大机械有限公司研制了多种规格的免人工卸货吹塑托盘，适合不同产品的免人工卸货使用。此外，为了进一步减少各种不同产品在进出库时的人工操作，还研制了多种不同规格的可循环使用的吹塑型滑托盘，实现货物运输过程的全部机械化操作。

1.2.2.5　防渗漏吹塑托盘

化学品防渗漏吹塑托盘（图1-13）拉伸比较大，不易采用常规的吹塑工艺成型，市场中常见的产品大多都是滚塑托盘，滚塑托盘最大的缺点是生产周期太长，产量低，能耗大。

张家港同大机械有限公司采用特殊的吹塑成型工艺研制了此产品。化学品防渗漏吹塑托盘具有四向进叉功能，类似于单面吹塑托盘，内部设有渗液腔，托盘上部可放置4个200L危包桶，运输时随着危包桶一起运输，可预防在运输化学品液体时危包桶发生泄漏，等到达目的地时可通过侧面的排液孔，将托盘内的化学液体排入指定位置。这种化学品防渗漏吹塑托盘也常用于化工厂的生产与仓储场地。