L环塑料桶的发展

文/陆文正

摘要：介绍了德国毛瑟(Mauser-Werke GmbH)公司开发的200升L环塑料桶的过程,第一代、第二代和第三代产品改进之处和特点,并根据我国目前L环塑料桶现状。

关键词：中空容器；L环；塑料桶

L环塑料桶(L-Ring Drum)是一类整体外形为圆柱形的大型塑料桶,在这类桶的顶端或顶底两端有与桶体一步整体成型、横截面为实心的支承搬运环,因支承运输环的截面形状在其第一代产品中像英文字母L而得名。大型塑料桶的发展是随着60年代高分子量高密度聚乙烯(HMWHDPE)树脂的工业化生产开始的。HMWHDPE树脂超高的冲击强度和熔体强度,使得生产能符合国际危险品运输包装要求的大型塑料桶的生产成为可能。1977年德国毛瑟公司和BASF公司联合成功地开发了220L闭口L环塑料大桶,为HDPE大型中空容器在化工行业的广泛使用打开了大门。

我国于1984年开始试产200L塑料桶。当时,北京塑料制品厂从德国贝库姆(BEKUM)公司引进了BA200型大型吹塑中空成型机组,生产200L闭口塑料桶及内衬桶。此后黑龙江肇州县塑料包装制品厂、济南塑料九厂、山东庆云县塑料厂先后从德国克劳伯-考特斯(KRUPP-KAUTEX)、贝库姆和日本的石川岛播磨公司引进了类似的设备。但由于加工大型塑料桶所需的树脂原料当时国内尚不能生产而依赖进口,价格昂贵,也因为塑料桶所用装卸工具与钢桶不同,大型塑料桶的推广出现困难。1986年中国石化总公司为解决即将投产的4套300kt/a乙烯装置的产品后加工问题,根据对国外市场和设备制造厂家的考察,决定安排由齐鲁石化公司研究院和金陵石化公司塑料厂引进德国毛瑟公司的BM201型大型吹塑成型机组,生产可作为国际通用危险货物运输包装容器的200升 L环自承式闭口刚性塑料桶,从而把我国大型塑料桶的生产水平提高到一个新的高度。此后,又有大连塑料十三厂、济宁塑料一厂和青岛塑料五厂引进了毛瑟等德国公司生产L环塑料桶的大型机组。1993年,由秦川机床厂自行设计和制造的首台国产化大型吹塑机组在江苏吴江青云塑料厂投入运行。此后由国内数家企业分别以和德国公司合作生产或与台湾厂商合资生产等方式制造的大型吹塑机组也陆续问世。到当年为止,全国L环塑料桶的生产装置已经超过20台。这充分说明了L环塑料桶在市场竞争中的优势地位。

1　L环塑料桶的发展及专利

毛瑟公司创建于1896年,1903年该公司生产了第一个钢桶,奠定了它作为一个包装企业的基础。50年代中期,毛瑟公司开始进入塑料加工领域,它最早的塑料制品是润滑油罐和化学品罐,当HMWHDPE问世后,毛瑟公司就把它的开发重点转向大容量的塑料桶。1967年推出120L大口塑料桶,1977年又推出了220L L环塑料桶。此后又不断推出一代又一代的新产品。毛瑟公司从一开始就使用专利来保护本企业的利益,从当年检索到的专利来看,从1971年到1998年6月底,毛瑟公司就塑料桶申请而得到授权的美国专利(包括设计专利)已超过20项,包括吹塑机、模具、成型方法、塑料桶及大型托盘容器等在内的在美国已获授权的全部专利总共有58项。而毛瑟公司在德国申请的专利则更要远远超过这个数字。

1.1　第一代L环塑料桶

1977年,毛瑟公司为新研制成功的L环塑料桶在德国和主要西方国家申请了专利。L环塑料桶的特点在环上,但在大型塑料桶上设置支承运输环并非为毛瑟公司首创。按专利说明书的说法,在该发明以前的“环”实际上是“箍”,也就是说,环与桶并非是一起整体成型的。它的制造过程为在桶吹塑成型的过程中,把已经加工好的箍放到吹塑模具中,让挤出的型胚套在箍的中间。在型胚吹胀的过程中,热的型胚接触到箍,并与之熔合。要每次准确地放置箍,需要一些复杂的附加设备,而且由于箍是在冷态通过熔合与桶体结合的,在装卸运输满载的塑料桶时会发现结合不牢的问题。毛瑟公司的发明包括了环的特殊结构和相应的成型方法两部分。结构的特点在于新的支承运输环是一个实心环,它设置在桶的顶端或顶底两端的桶体附近。通常这类支承运输环的横截面有一个水平接片和垂直接片,垂直接片自由端与容器顶平面对齐,而水平接片由容器外壳径向朝外伸出而形成的,如图1所示。

图1 第一代L环塑料桶L环部分的结构剖面

在设计支承运输环时,要求熔接缝区域不受到弯曲应力,并使该环在圆周方向是有弹性的。支承运输环与容器外壳成柔性连接,从而在受到冲击应力时可相对于容器外壳发生变形。由于环的截面形状像英文字母“L”,毛瑟公司把这种桶称为L环塑料桶。环的主要用途是用于装卸,其装卸示意图如图2所示。

图2 第一代L环塑料桶的L环成型示意图

通常用于钢桶的容器夹持器的夹持臂能与L环塑料桶的水平接片和垂直接片相配合,从而方便地提升和平移塑料桶,较好地解决了塑料桶与钢桶所用装卸工具不相兼容的矛盾。毛瑟公司发明的另一个创新点是环的成型方法。与先前的预制方法不同,L环塑料桶的成型方法是在吹制过程中一次整体成型在桶体上形成支承运输环。它在半模上安装了一个或两个可上下移动的滑块。型胚吹胀时,形成了按半模上下滑块张开部分成型的桶壁,继而在滑块合拢时,把这一部分物料熔合压制成L型的支承运输环,如图3所示。使用这一方法,与先前的把预制好的箍放到吹塑模中与型胚相熔合的方法相比,操作要简单得多,整体性也大大提高。

图3 第一代L环塑料桶的L环成型示意图

1.2　第二代L环塑料桶

毛瑟公司在1985年开发了带支承运输环的塑料桶的新一代产品,这一代的环在造型上不再使用L型的截面,但是在毛瑟公司的产品介绍材料中,仍沿用了L环塑料桶的名称,这是L环塑料桶的第二代产品,其结构如图4所示。该公司至少在30个国家为这种产品申请了专利,其中包括了中国。

图4 第二代L环塑料L环和桶口部分的结构剖面

从图4可以看出,新的支承运输环通过环状连接腹板和桶壳连接,该腹板水平地连接到环的界面上,并和桶轴线成锐角角度。支承运输环和相邻该环的桶壳部分之间的槽,其底面位于该环的水平表面的平面内。这样做的好处是可以使连接腹板的弹性以及其倾斜支撑在桶壳上的作用进一步得到加强。在把一个充满物料的桶放倒时,支承运输环首先碰地。该环绕弹性的连接腹板向内倾斜,环的内垂直臂碰到桶壳,这样弯曲力被均匀地向外传递到整个桶壳内,从而减小了熔合区的应力。在进行例行的跌落试验时,这样设计的塑料桶不易在熔合区产生裂纹,从而提高了整个桶的抗冲击能力。并且支承运输环有一个水平交界面和一个垂直交界面,用来与容器夹持器的夹持臂相配合。界面的垂直面和桶的纵向轴线成锐角地向外倾斜,而界面的水平表面则和桶的水平横截面平面成锐角角度向下倾斜。通过这个方法,在把一个充满物料的桶侧翻的时候,支承运输环可以防止该桶从水平夹臂上脱落。另外支承运输环的外凸缘边缘呈现出凹槽,倾斜地环绕着连接腹板。这样的设计,在制造过程中,相应的芯模形状把芯模的环状凸缘部分周围的物料向着腹板的方向挤压,使更多的物料被向下倾斜挤压到桶壳中去。由此产生了高应力的材料增厚部分,同样地熔合区向下移动,超出了临界的环区之外。这样做的目的也是为了提高在桶的熔合部位的冲击能力。第二代L环塑料桶有上下环及仅有上环两种派生设计。金陵石化公司和齐鲁石化公司引进的是上下双L环的设计,而毛瑟公司在美国及南美销售的设备采用了仅有上L环的设计(即所谓的美国设计)。

1.3　第三代L环塑料桶

1988年,毛瑟公司又进一步推出了第三代L环塑料桶,其结构如图5所示。

图5 第三代L环塑料桶L环和桶口部分的结构剖面

新桶设计的主要特征是:支承运输环通过一个紧靠着水平接触面、且与容器外壳相连的连接环(即连接腹板)与容器连成一体,从环形槽向上伸出的外壳部分成圆锥形上升到容器端面。在连接环和朝容器端面成锥形上升的外壳部分之间的槽底设置在支承运输环水平接触面的下一段距离处,该连接环是由容器的圆柱形外壳部分轴向延长而形成的。对照第二、第三代L环塑料桶的桶口截面图,可以看到第三代L环的最主要的是连接环(即第二代L环塑料桶专利说明书中的连接腹板)比第二代L环塑料桶的要长得多,以至于环的水平接触面有可能要超过桶的端面。

由于在第二代L环桶的设计中,从尽可能的弹性连接考虑,连接环(连接腹板)与容器轴以锐角的方式和容器外壳相连,支承运输环及与其相邻、锥形上升的外壳部分之间的槽底终止在该环水平接触面的高度上。因此,在该接触面和容器外壳部分之间的空间很窄小。这样窄小的空间使得安装容器夹持器变得困难,因此要求夹持器具有特殊的形状。为了能装入任何一种形状的夹持器,尤其是那些用于薄金属板容器中的夹持器,第三代L环塑料桶采取了如下的解决方案:将连接环与朝向容器端部上升的锥形外壳部分之间的槽底设置在该环水平接触面下方一段距离处。通过上述措施,为通常的容器夹器留有足够的空间,从而夹持器的上夹持臂可以不受妨碍地放到支承运输环垂直接触面的后面。这样的设计大大方便了人工搬运。与第二代L环塑料桶相比,第三代L环塑料桶的设计加长了连接环,有利于在圆周方向与容器外壳形成弹性连接。由于加长了连接环,当容器以侧面向下落下时,撞击在地面上的环形部分变形所产生的移动距离减小了,因而连接环到圆柱形外壳部分的过渡段的角度变化也减小了,这种移动距离和角度变化的减小有利于减小材料的应力,提高了塑料桶的抗冲击的能力。

在第三代L环塑料桶的数种派生设计中,值得注意的是一种所谓环保型的设计。这种设计的目的是提供一种塑料闭口桶的结构,使其在静止的斜定位情况(没有来回摆动)下,能最大限度地将剩余料倒空。减少桶内剩余料的好处,一方面是提高了物料的利用率,同时也减少了洗桶时桶内剩余物料对环境的污染。为解决此任务而采取的措施是:使桶的上底具有一个基本上呈圆缺形的平面部分或是一个平坦的斜面,该斜面是设置成在两侧对称于塞孔接管(按桶的垂直位置看)并且平坦地倾斜向内进入桶体倾斜伸展到桶边缘,其中斜面在塞孔接管近区内的桶壳一侧有其最深的部位,并在该部位进入塞孔板底处于较深位置的平面内或是进入塞孔接管内,如图6、图7所示。

图6 第三代L环塑料桶-环保型L环和桶口部分的结构

图7 第三代L环塑料桶-环保型-倾倒时L环和桶口部分的结构

据介绍,第三代L环塑料桶数种派生设计在世界各地的生产和使用情况大致是:在欧洲普遍用所谓环保型可倒空、仅有上L环的塑料桶,商品名为L-RING PLUS桶;在亚洲广泛接受的是上下双L环塑料桶;而在美国、加拿大和南美,采用带较长的上L环的塑料桶。

2　国内L环塑料桶现状

自1985年我国实行专利制度以来,毛瑟公司已向中国专利局申请了大量的发明专利,截止1997年底已公开的专利申请有21项,其中已获授权的9项(不包括已放弃的)。有关塑料桶的专利申请7项,其中已获授权的5项,复盖了第二代、第三代L环塑料桶及派生产品的全部范围。
L环塑料桶自从1988年引入中国以来,在短短10年时间已发展到近20条生产线。这些生产线大致可分为以下几类:

(1)从德国毛瑟公司引进,如齐鲁石化公司和金陵石化公司的第二代L环塑料桶生产线、大连塑料十三厂和济宁塑料一厂的第三代L环塑料桶生产线,4家均采用上下双L环的设计,并且在购买设备时同时得到毛瑟公司的专利实施许可;

(2)从其他德国公司引进,如青岛塑料五厂从德国克劳伯-考特斯公司引进、武汉塑料机械厂和德国巴登费尔德-菲歇尔公司合作生产吹塑机,所生产的是第一代L环塑料桶;

(3)江苏吴江青云塑料厂等用国产大型吹塑机组,生产第一代L环塑料桶;

(4)仿制生产第二代和第三代L环塑料桶(主要是第三代),但未得到毛瑟公司的专利实施许可;

(5)生产有别于毛瑟专利特点的带其他形式支承运输环的塑料桶。

值得提醒的是要加强专利意识,有的生产L环塑料桶的厂家专利意识不强或根本没有专利观念,因而生产仿冒产品。使用塑料桶的企业同样要提防专利侵权产品,合法专利受权企业则可采取法律行为,把仿冒产品逐出市场。