PET 瓶在热灌装饮料中的应用
摘要：通过 PET 的分子结构、物理 / 化学特性来说明影响 PET 瓶品质的物理、化学因素; 通过PET 瓶的生产工艺流程及热灌装 PET 的吹瓶方法/ 过程、及影响因素来说明 PET 瓶品质问题的产生原因及其解决方法; 通过 PET 瓶在热灌装线的使用过程来说明影响 PET 热灌装饮料包装品质的因素及其解决方法; 从而为 PET 瓶在热灌装线的使用提供了较有借鉴意义的一手资料。
PET 的 化 学 名 为 聚 对 苯 二 甲 酸 乙 二 醇 酯( polyethylene terephtalate) , 自 1970 年美国杜邦公司生产出第一个 PET 瓶子以来, 由于其具有优良的物理、化学性能, 应用越来越广泛, 尤其在碳酸饮料、果汁饮料及茶饮料包装上。国内自 1985 年后,年均增长率达两位数, 至今, 年产量已达几十亿个瓶子。
2000 年以来, 因吹瓶和灌装技术的进步, 且PET 瓶安全性、经济性较好, 热灌装技术在我国饮料行业被广泛采用, 果汁饮料及茶饮料成为饮料主流产品。
下面是笔者在实际工作中, 通过对 PET 瓶在热灌装饮料中的应用探索所得的总结分析。
1 PET 的分子结构与特性
1.1 PET 的分子结构
PET 是由碳、氢、氧三种元素构成的高分子有机化合物。
PET 一般由对苯二甲酸 ( PTA) 或对苯二甲酸二甲酯 ( DMT) 与乙二醇 ( EG) 进行直接酯化反应或酯交换反应生成 PET 单体, 再经过固相缩聚而成聚对苯二甲酸乙二醇酯。
1.2 PET 的物理、化学特性
1.2.1 PET 的物理特性
亲水性树脂, 形状为圆柱形或平行六面体形或立方粒状, 呈白色, 体积为 30 mm3～40 mm3, 表面密度为 0.8 kg/ dm3～0.9 kg/ dm3, 为一种半结晶态物体。按聚合方式分为均聚和共聚 PET; 均聚物特性黏度 ( IV 值) 比共聚物低, IV 值约在 0.75 dl / g～0.83 dl / g 之间, 而共聚物在 0.75 dl / g～0.90 dl / g 之间。目前, 用于生产 PET 热灌装瓶的原料一般使用均聚物或 IV 值较低的共聚物; 按用途分为纺织用PET、瓶级 PET、和片材级 PET。
PET 容易吸湿, 需专用的仓库储存, 加工前要进行有效的干燥。在生产原料和注塑成型过程中难以处理的残留量使 PET 瓶释放出乙醛。
1.2.2 PET 的化学特性
用于吹瓶的 PET 为饱和线性热塑性聚酯, 双向拉伸 PET 瓶具有: 无毒, 优良透明性和表面光泽, 良好的机械性能和耐冲击性, 良好的化学稳定性, 阻二氧化碳、氧气和水蒸气, 在 20 ℃～30 ℃的温度下尺寸稳定性良好, 重量轻 ( 随着吹瓶技术的提高, 瓶子重量正日益轻量化) 。在恶劣的环境条件下, PET 瓶化学性能会差一些。下列化合物会破坏 PET 的分子结构: 酮类 ( 丙酮、甲乙酮) 、醚类 ( 二甲烷、四氢呋喃) 、酯类 ( 醋酸乙酯、苯甲酸甲酯、水杨酸甲酯) 、卤化烃类 ( 氯仿、三氯乙烯) 、苯酚类 ( 苯酚、氯酚、甲苯酚) 、强碱类 ( 氢氧化钠、氢氧化钾) 、强酸类 ( 浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸) 、酒精类、乙酰化单甘油酯、环氧乙烷、甘醇、乙二醇醚、氧化胺。
1.2.3 PET 的降解反应
1.2.3.1 水解反应
常温下, PET 基本上不发生水解反应。但在高温、高压或碱性条件下易发生水解反应, 反应速度较快, 水解反应后, PET 分子聚合链断裂, 分子量降低 ( 即 IV 值降低) , 机械强度降低。故, 生产瓶胚时一定要干燥 PET 切片。试验表明, 在碱性条件下, PET 瓶易与水发生水解反应。
1.2.3.2 热降解反应
PET 在高温条件下易发生分解反应, 分解产物主要为乙醛、CO2, 不产生有毒气体, 当 PET 在较高温度下 ( 约 300 ℃～400 ℃) 则会完全分解。故,生产瓶胚时, 要注意调节好温度以免乙醛 ( AA) 浓度太高, 影响饮料口味。
2 PET 瓶的生产工艺流程
PET 原料→干燥预热→熔融塑化→注射成型→迅速冷却→瓶胚储存→倒胚→理胚→穿透炉加热→分布炉加热→预拉伸→热定型→风冷
经过拉伸后的 PET, 分子结构发生定向重排,机械性能大大提高。拉伸率越高, PET 定向程度越大, 瓶强度越高。目前, 生产耐热 PET 瓶最常见的方法是高温热定型法, 这种方法主要是增加 PET 瓶的结晶化, 以使其能抵受更高的温度。在一般情况下, 结晶化程度越高, PET 瓶耐热性越好, 其吸水性也越差, 因而可保存性也越良好。
3 热灌装工艺对 PET 瓶的品质要求
3.1 瓶子耐热性能要好
要克服热液 ( 高温) 带来的对瓶子外形的影响: 高温使瓶子变软、高温和热的液体使瓶内产生高压。高温下 ( 85 ℃～90 ℃) 容积收缩率控制在 1 %～1.5 %较好。
3.2 瓶子要有耐受负压性能
要克服液体冷却后瓶内产生负压; 瓶壁内缩( 变扁) 。
4 热灌装 PET 瓶的吹瓶方法
4.1 一步法
生产出的瓶胚经结晶炉对瓶口结晶后, 直接用高温模具吹瓶成形。优点: 产量高, 便于大规模生产。缺点: 耐高温性能欠缺, 随时间的延长耐高温性能明显下降, 存放时间不能太长。
4.2 二步法
生产出的瓶胚经结晶炉对瓶口结晶后, 用二套模具完成热灌装的吹瓶成形。先用第一套较大容积的模具 ( 低温模) , 对瓶胚进行拉伸吹瓶成快 大容积的瓶子; 再把瓶子送入加热炉进行热处理 ( 消除因拉伸产生的内应力) ; 热处理好后送入热模 ( 最终所需容积大小的模具) , 对瓶子进一步热处理( 提高瓶身结晶度) 、定形, 最终吹成所需形状、大小的瓶子。优点: 瓶子耐高温性能佳, 存放时间长。缺点: 产量低不适应大规模生产。
4.3 吹瓶步骤
a) 先由供胚系统对瓶胚进行整理后输送到瓶胚加热炉。
b) 瓶胚加热炉在对瓶胚加热的同时, 一边瓶胚自转使其均匀受热, 一边对瓶口进行冷却, 再由炉子风机对瓶胚吹风, 使瓶胚的内、外壁受热均匀。
c) 由输胚机械手把加热好的瓶胚输入吹瓶工位。
d) 瓶胚进入吹瓶模具后, 预吹气进入对瓶胚进行环向拉伸; 当拉伸杆到达模具底部时 ( 十位) , 高压气进入模腔对瓶胚进一步拉伸, 使瓶壁紧贴模壁。
e) 高压气在模具内保持一定时间, 一方面消除因瓶胚拉伸而产生的内应力。另一方面使瓶壁紧贴模壁以提高瓶身塑料的结晶度。
f) 高压吹气结束后开始排气, 同时从中空拉伸杆中吹出高压冷却气对瓶壁进行冷却定形。在脱模的同时从底模吹出低压气以便脱模, 如底模中无气吹出则会造成瓶底凸出、瓶子取不出等问题。
g) 整个吹瓶过程结束, 输瓶机械手把瓶子从模具中取出, 送入输瓶风送流水线。
5 生产过程中影响耐热 PET 瓶品质的几种主要因素
5.1 瓶胚
特性黏度≥ 0.81 dl / g, 黏度降≤ 4 %, 存放时间不能快 过 3 个月。纯洁、透明、无杂质、无异色、注点长度及周围晕斑合适。
5.2 加热
在烘箱中由远红外灯管发出远红外线对瓶胚辐射加热, 由烘箱底部风机进行热循环, 使烘箱内温度均匀。瓶胚在烘箱中向前运动的同时自转, 使瓶胚壁受热均匀。烘箱的热量由灯管开启数量、整体温度设定、烘箱功率及各段加热比共同控制。
5.3 预吹
拉伸杆下降的同时开始预吹气, 使瓶胚初具形状。预吹位置、预吹压力、吹气流量是三个重要工艺因素。
5.4 模具温度
模具温度控制在 120 ℃～145 ℃, 用来消除瓶胚拉伸产生的内应力, 提高瓶身塑料结晶度, 以抵受高温热液, 使瓶子不变形。
5.5 环境
室温、低温 ( 空调) 状态下为佳。
7 PET 瓶在热灌装过程中的常见问题及解决方法
7.1 储存、运输条件及瓶子贮存期
由于 PET 具有吸湿性能, 因此将 PET ( 包括切片、瓶胚和瓶子) 摆放在空气中, 会吸收空气中的水分, 摆放时间越长, 吸水越多。而 PET 中的水分含量会直接影响到他的性能, 对于热灌装瓶子来讲, 即会影响到热灌装瓶的耐热温度, 水分含量越多, 瓶子的耐热温度就越低。
瓶子贮存期: 大于 1 L 的 PET 瓶两周内使用,小于 1 L 的 PET 瓶三周内使用。但近来, 越来越多的厂商使用了轻量瓶, 连线生产, 即吹即灌, 瓶子贮存期在 6 h 内。即吹即灌的瓶子可灌装 95 ℃的热液, 吹后存放快 过 24 h 以上的瓶子, 只能灌装88 ℃的热液。
瓶子的材料、储存条件 ( 室温、相对湿度、储存时间的长短) , 都要影响热灌装瓶子的技术要求,即: 生产瓶子时要根据以上不同的材料、储存条件、客户要求等, 相应地调整吹瓶的工艺、技术参数等。
PET 在通常湿度情况下, 进行熔融塑化时会发生水解反应。高湿度常常导致立即反应, 使分子链断裂、降解, 分子量降低 ( 也就是 IV 值降低) 。
PET 的机械性能与特性黏度 IV 值有关, IV 值越低,则 PET 的机械性能越差。
江南和沿海地区全年平均相对湿度为 85 %,部分地区春天和夏天相对湿度可能高达 90 %以上,在高湿度环境下, PET 会吸湿, 达到较大的饱和湿度。
水分含量越高, 则 PET 的 IV 值下降越大。某一型号 PET 在含水量为 0.01 g / 100 g 时, 其特性黏度为 0.73 dl / g, 含水量为 0.02 g / 100 g时, 其特性黏度变为 0.63 dl / g。在 180 ℃时, 由于干燥时间减少, 特性黏度下降 0.10 dl / g。
干燥时间越长则 PET 原料里水分越低, 但过度干燥也会造成 PET 降解。当加热至 180 ℃时, 对于较大初始水分含量 0.3 g / 100 g 的原料, 水分下降至 0.14 g/ 100 g; 干燥 4 h, 水分含量 0.004 g/ 100 g，这是瓶胚控制水分含量的上限。瓶口部分的分子内的水分会加快 PET 的结晶, 而瓶身部分分子内的水分会影响分子链的排列。
7.2 耐热性能不良
7.2.1 热灌装瓶的耐热
7.2.1.1 用的模具设计来抵受瓶内负压
a) 瓶身有长方形凹块 ( 在模具上可进出移动) , 用来吸收液体冷却后瓶内产生的负压。
b) 瓶子设计, 用颈、腰 ( 凹环) 来防止瓶子变成椭圆形。
c) 用瓶底设计 ( 一般为花瓣形) 来抵受应力或二氧化碳压力 ( 常温灌装高温杀菌类瓶子采用凹底设计) 。
7.2.1.2 提高模温
用热油机高温油提高模温 ( 模具温度在 120 ℃～145 ℃) , 用来消除瓶胚拉伸产生的内应力, 提高瓶身塑料结晶度, 以抵受高温热液, 使瓶子不变形。
7.2.2 改善瓶子耐热性能的措施
a) 选择合理的瓶胚与瓶子设计。优质化的瓶胚形状设计与瓶子模具设计有助于改善瓶子的壁厚分布状况, 避免在瓶身不同区域产生扭曲或收缩变形。
b) 瓶胚注射冷却时间控制。严格控制瓶胚注射冷却时间, 让瓶胚尽早脱模。这样即可缩短成型周期, 提高产量, 又可因较高的残余温度而诱发球状结晶。球状结晶的晶体直径快 小 ( 仅 0.3 μm～0.7 μm) ,并不影响透明度。
c) 严格控制注射和拉胚 - 吹瓶工艺参数以及各区域温度分布, 避免残余应力在 PET 玻璃化温度( >75 ℃) 下释放而导致瓶子变形。
d) 吹瓶模调温技术的运用。通常用热油循环法给吹瓶模加温。吹瓶模调温共有三种循环:
( a) 瓶身热油循环。将吹瓶模加热至 120 ℃～145 ℃。这样, 瓶胚与吹瓶模腔间的温度差减小,促发进一步结晶。延长吹瓶保压时间, 使瓶壁与型腔长时间接触, 有充足时间来提高瓶身结晶度, 达到 35 %左右, 但又不牺牲透明度。100 ℃以下的模温对瓶身结晶度的影响快 小, 因为, 瓶身结晶发生在 100 ℃以上。
( b) 瓶 底 冷 却 水 循 环 。 瓶 子 底 部 保 持 低 温( 10 ℃～30 ℃) , 避免未经拉伸的瓶底部分过度结晶而发白。
( c) 瓶颈调温 ( 选用) 。非结晶瓶口部分从注塑模脱模后一直处于完全冷却状态。非结晶瓶口多数采用加强瓶口设计 ( 增加瓶口壁厚) , 从而改善封口性能, 避免压盖过程中瓶口变形。通常, 灌装后瓶口椭圆度控制在 0.2 mm 以内, 螺纹外径收缩率低于 0.6 %。
e) 循环吹气技术。当采用热吹瓶模时, 如何控制瓶子脱模后变形至关重要。吹瓶模开模前吹入空气并排空循环, 对瓶身进行冷却并定形, 从而控制脱模后的变形量。循环冷却空气的进气通过与初吹、二次吹相同的通道, 但从拉胚杆头部小孔经拉胚杆内排气。循环吹气时间约为 0.5 s～2 s。因此,耐热瓶制瓶机的高压空气消耗量比普通瓶制瓶机高得多。
7.3 容量波动较大
双轴拉伸 PET 瓶具有一定的收缩率, 较大收缩率约为 2 %左右, 影响 PET 瓶容量的因素主要有以下几个方面:
7.3.1 模具的影响
PET 瓶的容量主要受模具尺寸、形状影响。每一种瓶型模具尺寸通常是固定不变的。不同形状的瓶子设计其收缩率会有所不同。瓶身上加强筋越少、瓶厚度越薄则瓶的收缩率越大。
7.3.2 环境因素的影响
环境温度和湿度对瓶的容量影响较大, 环境温度越高、湿度越大则瓶的容量收缩越大。
7.3.3 生产工艺的影响
形状复杂的瓶吹瓶时要求有较高的吹瓶压力,如吹瓶压力不足, 则瓶成型不良, 容量会偏小; 如模具温度偏高也会造成容量偏小。
7.3.4 瓶子的自然收缩
由于 PET 瓶会自然收缩, 瓶模具尺寸在设计时会设计成可调的 ( 加减垫片) 。以 1.5 L PET 瓶为例, 刚生产的瓶平均容量为 1508 mL 左右, 室温下存放 3 d 后, 瓶容量会减少 5 mL～6 mL; 随着瓶存放时间延长瓶子容量还会缩小; 这是无法控制的。
所以, 目前, 越来越多的生产线采用连线吹瓶, 即吹即灌, 避免瓶子容量与耐热性能的衰减问题。
7.3.5 灌装方式的影响
不同的灌装方式, 对容量控制的影响有较大差别。定量灌装方式对容量影响最小, 自重式灌装对容量影响较大, 对 1.5 L PET 瓶, 最多可能差别 20 mL～25 mL。
所以, 要解决瓶子的容量问题, 可适当调整模具 ( 垫片) , 控制生产工艺, 改善仓储条件, 还是应尽可能缩短瓶子的储存期。
PET 的 化 学 名 为 聚 对 苯 二 甲 酸 乙 二 醇 酯( polyethylene terephtalate) , 自 1970 年美国杜邦公司生产出第一个 PET 瓶子以来, 由于其具有优良的物理、化学性能, 应用越来越广泛, 尤其在碳酸饮料、果汁饮料及茶饮料包装上。国内自 1985 年后,年均增长率达两位数, 至今, 年产量已达几十亿个瓶子。
2000 年以来, 因吹瓶和灌装技术的进步, 且PET 瓶安全性、经济性较好, 热灌装技术在我国饮料行业被广泛采用, 果汁饮料及茶饮料成为饮料主流产品。
下面是笔者在实际工作中, 通过对 PET 瓶在热灌装饮料中的应用探索所得的总结分析。
1 PET 的分子结构与特性
1.1 PET 的分子结构
PET 是由碳、氢、氧三种元素构成的高分子有机化合物。
PET 一般由对苯二甲酸 ( PTA) 或对苯二甲酸二甲酯 ( DMT) 与乙二醇 ( EG) 进行直接酯化反应或酯交换反应生成 PET 单体, 再经过固相缩聚而成聚对苯二甲酸乙二醇酯。
1.2 PET 的物理、化学特性
1.2.1 PET 的物理特性
亲水性树脂, 形状为圆柱形或平行六面体形或立方粒状, 呈白色, 体积为 30 mm3～40 mm3, 表面密度为 0.8 kg/ dm3～0.9 kg/ dm3, 为一种半结晶态物体。按聚合方式分为均聚和共聚 PET; 均聚物特性黏度 ( IV 值) 比共聚物低, IV 值约在 0.75 dl / g～0.83 dl / g 之间, 而共聚物在 0.75 dl / g～0.90 dl / g 之间。目前, 用于生产 PET 热灌装瓶的原料一般使用均聚物或 IV 值较低的共聚物; 按用途分为纺织用PET、瓶级 PET、和片材级 PET。
PET 容易吸湿, 需专用的仓库储存, 加工前要进行有效的干燥。在生产原料和注塑成型过程中难以处理的残留量使 PET 瓶释放出乙醛。
1.2.2 PET 的化学特性
用于吹瓶的 PET 为饱和线性热塑性聚酯, 双向拉伸 PET 瓶具有: 无毒, 优良透明性和表面光泽, 良好的机械性能和耐冲击性, 良好的化学稳定性, 阻二氧化碳、氧气和水蒸气, 在 20 ℃～30 ℃的温度下尺寸稳定性良好, 重量轻 ( 随着吹瓶技术的提高, 瓶子重量正日益轻量化) 。在恶劣的环境条件下, PET 瓶化学性能会差一些。下列化合物会破坏 PET 的分子结构: 酮类 ( 丙酮、甲乙酮) 、醚类 ( 二甲烷、四氢呋喃) 、酯类 ( 醋酸乙酯、苯甲酸甲酯、水杨酸甲酯) 、卤化烃类 ( 氯仿、三氯乙烯) 、苯酚类 ( 苯酚、氯酚、甲苯酚) 、强碱类 ( 氢氧化钠、氢氧化钾) 、强酸类 ( 浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸) 、酒精类、乙酰化单甘油酯、环氧乙烷、甘醇、乙二醇醚、氧化胺。
1.2.3 PET 的降解反应
1.2.3.1 水解反应
常温下, PET 基本上不发生水解反应。但在高温、高压或碱性条件下易发生水解反应, 反应速度较快, 水解反应后, PET 分子聚合链断裂, 分子量降低 ( 即 IV 值降低) , 机械强度降低。故, 生产瓶胚时一定要干燥 PET 切片。试验表明, 在碱性条件下, PET 瓶易与水发生水解反应。
1.2.3.2 热降解反应
PET 在高温条件下易发生分解反应, 分解产物主要为乙醛、CO2, 不产生有毒气体, 当 PET 在较高温度下 ( 约 300 ℃～400 ℃) 则会完全分解。故,生产瓶胚时, 要注意调节好温度以免乙醛 ( AA) 浓度太高, 影响饮料口味。
2 PET 瓶的生产工艺流程
PET 原料→干燥预热→熔融塑化→注射成型→迅速冷却→瓶胚储存→倒胚→理胚→穿透炉加热→分布炉加热→预拉伸→热定型→风冷
经过拉伸后的 PET, 分子结构发生定向重排,机械性能大大提高。拉伸率越高, PET 定向程度越大, 瓶强度越高。目前, 生产耐热 PET 瓶最常见的方法是高温热定型法, 这种方法主要是增加 PET 瓶的结晶化, 以使其能抵受更高的温度。在一般情况下, 结晶化程度越高, PET 瓶耐热性越好, 其吸水性也越差, 因而可保存性也越良好。
3 热灌装工艺对 PET 瓶的品质要求
3.1 瓶子耐热性能要好
要克服热液 ( 高温) 带来的对瓶子外形的影响: 高温使瓶子变软、高温和热的液体使瓶内产生高压。高温下 ( 85 ℃～90 ℃) 容积收缩率控制在 1 %～1.5 %较好。
3.2 瓶子要有耐受负压性能
要克服液体冷却后瓶内产生负压; 瓶壁内缩( 变扁) 。
4 热灌装 PET 瓶的吹瓶方法
4.1 一步法
生产出的瓶胚经结晶炉对瓶口结晶后, 直接用高温模具吹瓶成形。优点: 产量高, 便于大规模生产。缺点: 耐高温性能欠缺, 随时间的延长耐高温性能明显下降, 存放时间不能太长。
4.2 二步法
生产出的瓶胚经结晶炉对瓶口结晶后, 用二套模具完成热灌装的吹瓶成形。先用第一套较大容积的模具 ( 低温模) , 对瓶胚进行拉伸吹瓶成快 大容积的瓶子; 再把瓶子送入加热炉进行热处理 ( 消除因拉伸产生的内应力) ; 热处理好后送入热模 ( 最终所需容积大小的模具) , 对瓶子进一步热处理( 提高瓶身结晶度) 、定形, 最终吹成所需形状、大小的瓶子。优点: 瓶子耐高温性能佳, 存放时间长。缺点: 产量低不适应大规模生产。
4.3 吹瓶步骤
a) 先由供胚系统对瓶胚进行整理后输送到瓶胚加热炉。
b) 瓶胚加热炉在对瓶胚加热的同时, 一边瓶胚自转使其均匀受热, 一边对瓶口进行冷却, 再由炉子风机对瓶胚吹风, 使瓶胚的内、外壁受热均匀。
c) 由输胚机械手把加热好的瓶胚输入吹瓶工位。
d) 瓶胚进入吹瓶模具后, 预吹气进入对瓶胚进行环向拉伸; 当拉伸杆到达模具底部时 ( 十位) , 高压气进入模腔对瓶胚进一步拉伸, 使瓶壁紧贴模壁。
e) 高压气在模具内保持一定时间, 一方面消除因瓶胚拉伸而产生的内应力。另一方面使瓶壁紧贴模壁以提高瓶身塑料的结晶度。
f) 高压吹气结束后开始排气, 同时从中空拉伸杆中吹出高压冷却气对瓶壁进行冷却定形。在脱模的同时从底模吹出低压气以便脱模, 如底模中无气吹出则会造成瓶底凸出、瓶子取不出等问题。
g) 整个吹瓶过程结束, 输瓶机械手把瓶子从模具中取出, 送入输瓶风送流水线。
5 生产过程中影响耐热 PET 瓶品质的几种主要因素
5.1 瓶胚
特性黏度≥ 0.81 dl / g, 黏度降≤ 4 %, 存放时间不能快 过 3 个月。纯洁、透明、无杂质、无异色、注点长度及周围晕斑合适。
5.2 加热
在烘箱中由远红外灯管发出远红外线对瓶胚辐射加热, 由烘箱底部风机进行热循环, 使烘箱内温度均匀。瓶胚在烘箱中向前运动的同时自转, 使瓶胚壁受热均匀。烘箱的热量由灯管开启数量、整体温度设定、烘箱功率及各段加热比共同控制。
5.3 预吹
拉伸杆下降的同时开始预吹气, 使瓶胚初具形状。预吹位置、预吹压力、吹气流量是三个重要工艺因素。
5.4 模具温度
模具温度控制在 120 ℃～145 ℃, 用来消除瓶胚拉伸产生的内应力, 提高瓶身塑料结晶度, 以抵受高温热液, 使瓶子不变形。
5.5 环境
室温、低温 ( 空调) 状态下为佳。
7 PET 瓶在热灌装过程中的常见问题及解决方法
7.1 储存、运输条件及瓶子贮存期
由于 PET 具有吸湿性能, 因此将 PET ( 包括切片、瓶胚和瓶子) 摆放在空气中, 会吸收空气中的水分, 摆放时间越长, 吸水越多。而 PET 中的水分含量会直接影响到他的性能, 对于热灌装瓶子来讲, 即会影响到热灌装瓶的耐热温度, 水分含量越多, 瓶子的耐热温度就越低。
瓶子贮存期: 大于 1 L 的 PET 瓶两周内使用,小于 1 L 的 PET 瓶三周内使用。但近来, 越来越多的厂商使用了轻量瓶, 连线生产, 即吹即灌, 瓶子贮存期在 6 h 内。即吹即灌的瓶子可灌装 95 ℃的热液, 吹后存放快 过 24 h 以上的瓶子, 只能灌装88 ℃的热液。
瓶子的材料、储存条件 ( 室温、相对湿度、储存时间的长短) , 都要影响热灌装瓶子的技术要求,即: 生产瓶子时要根据以上不同的材料、储存条件、客户要求等, 相应地调整吹瓶的工艺、技术参数等。
PET 在通常湿度情况下, 进行熔融塑化时会发生水解反应。高湿度常常导致立即反应, 使分子链断裂、降解, 分子量降低 ( 也就是 IV 值降低) 。
PET 的机械性能与特性黏度 IV 值有关, IV 值越低,则 PET 的机械性能越差。
江南和沿海地区全年平均相对湿度为 85 %,部分地区春天和夏天相对湿度可能高达 90 %以上,在高湿度环境下, PET 会吸湿, 达到较大的饱和湿度。
水分含量越高, 则 PET 的 IV 值下降越大。某一型号 PET 在含水量为 0.01 g / 100 g 时, 其特性黏度为 0.73 dl / g, 含水量为 0.02 g / 100 g时, 其特性黏度变为 0.63 dl / g。在 180 ℃时, 由于干燥时间减少, 特性黏度下降 0.10 dl / g。
干燥时间越长则 PET 原料里水分越低, 但过度干燥也会造成 PET 降解。当加热至 180 ℃时, 对于较大初始水分含量 0.3 g / 100 g 的原料, 水分下降至 0.14 g/ 100 g; 干燥 4 h, 水分含量 0.004 g/ 100 g，这是瓶胚控制水分含量的上限。瓶口部分的分子内的水分会加快 PET 的结晶, 而瓶身部分分子内的水分会影响分子链的排列。
7.2 耐热性能不良
7.2.1 热灌装瓶的耐热
7.2.1.1 用的模具设计来抵受瓶内负压
a) 瓶身有长方形凹块 ( 在模具上可进出移动) , 用来吸收液体冷却后瓶内产生的负压。
b) 瓶子设计, 用颈、腰 ( 凹环) 来防止瓶子变成椭圆形。
c) 用瓶底设计 ( 一般为花瓣形) 来抵受应力或二氧化碳压力 ( 常温灌装高温杀菌类瓶子采用凹底设计) 。
7.2.1.2 提高模温
用热油机高温油提高模温 ( 模具温度在 120 ℃～145 ℃) , 用来消除瓶胚拉伸产生的内应力, 提高瓶身塑料结晶度, 以抵受高温热液, 使瓶子不变形。
7.2.2 改善瓶子耐热性能的措施
a) 选择合理的瓶胚与瓶子设计。优质化的瓶胚形状设计与瓶子模具设计有助于改善瓶子的壁厚分布状况, 避免在瓶身不同区域产生扭曲或收缩变形。
b) 瓶胚注射冷却时间控制。严格控制瓶胚注射冷却时间, 让瓶胚尽早脱模。这样即可缩短成型周期, 提高产量, 又可因较高的残余温度而诱发球状结晶。球状结晶的晶体直径快 小 ( 仅 0.3 μm～0.7 μm) ,并不影响透明度。
c) 严格控制注射和拉胚 - 吹瓶工艺参数以及各区域温度分布, 避免残余应力在 PET 玻璃化温度( >75 ℃) 下释放而导致瓶子变形。
d) 吹瓶模调温技术的运用。通常用热油循环法给吹瓶模加温。吹瓶模调温共有三种循环:
( a) 瓶身热油循环。将吹瓶模加热至 120 ℃～145 ℃。这样, 瓶胚与吹瓶模腔间的温度差减小,促发进一步结晶。延长吹瓶保压时间, 使瓶壁与型腔长时间接触, 有充足时间来提高瓶身结晶度, 达到 35 %左右, 但又不牺牲透明度。100 ℃以下的模温对瓶身结晶度的影响快 小, 因为, 瓶身结晶发生在 100 ℃以上。
( b) 瓶 底 冷 却 水 循 环 。 瓶 子 底 部 保 持 低 温( 10 ℃～30 ℃) , 避免未经拉伸的瓶底部分过度结晶而发白。
( c) 瓶颈调温 ( 选用) 。非结晶瓶口部分从注塑模脱模后一直处于完全冷却状态。非结晶瓶口多数采用加强瓶口设计 ( 增加瓶口壁厚) , 从而改善封口性能, 避免压盖过程中瓶口变形。通常, 灌装后瓶口椭圆度控制在 0.2 mm 以内, 螺纹外径收缩率低于 0.6 %。
e) 循环吹气技术。当采用热吹瓶模时, 如何控制瓶子脱模后变形至关重要。吹瓶模开模前吹入空气并排空循环, 对瓶身进行冷却并定形, 从而控制脱模后的变形量。循环冷却空气的进气通过与初吹、二次吹相同的通道, 但从拉胚杆头部小孔经拉胚杆内排气。循环吹气时间约为 0.5 s～2 s。因此,耐热瓶制瓶机的高压空气消耗量比普通瓶制瓶机高得多。
7.3 容量波动较大
双轴拉伸 PET 瓶具有一定的收缩率, 较大收缩率约为 2 %左右, 影响 PET 瓶容量的因素主要有以下几个方面:
7.3.1 模具的影响
PET 瓶的容量主要受模具尺寸、形状影响。每一种瓶型模具尺寸通常是固定不变的。不同形状的瓶子设计其收缩率会有所不同。瓶身上加强筋越少、瓶厚度越薄则瓶的收缩率越大。
7.3.2 环境因素的影响
环境温度和湿度对瓶的容量影响较大, 环境温度越高、湿度越大则瓶的容量收缩越大。
7.3.3 生产工艺的影响
形状复杂的瓶吹瓶时要求有较高的吹瓶压力,如吹瓶压力不足, 则瓶成型不良, 容量会偏小; 如模具温度偏高也会造成容量偏小。
7.3.4 瓶子的自然收缩
由于 PET 瓶会自然收缩, 瓶模具尺寸在设计时会设计成可调的 ( 加减垫片) 。以 1.5 L PET 瓶为例, 刚生产的瓶平均容量为 1508 mL 左右, 室温下存放 3 d 后, 瓶容量会减少 5 mL～6 mL; 随着瓶存放时间延长瓶子容量还会缩小; 这是无法控制的。
所以, 目前, 越来越多的生产线采用连线吹瓶, 即吹即灌, 避免瓶子容量与耐热性能的衰减问题。
7.3.5 灌装方式的影响
不同的灌装方式, 对容量控制的影响有较大差别。定量灌装方式对容量影响最小, 自重式灌装对容量影响较大, 对 1.5 L PET 瓶, 最多可能差别 20 mL～25 mL。
所以, 要解决瓶子的容量问题, 可适当调整模具 ( 垫片) , 控制生产工艺, 改善仓储条件, 还是应尽可能缩短瓶子的储存期。
来源：惠合UHT灭菌机网
