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聚酯(PET)瓶的加工與成型技術(shù)

 
  聚酯塑料瓶(PET)是當(dāng)前最主要的包裝容器之一,主要用于藥品、碳酸飲料的包裝,還可用于酒類(lèi)、茶飲料、果汁、礦泉水、食用油、調(diào)味品、化妝品、農(nóng)藥與洗滌劑等液體的包裝。作為藥品包裝容器,聚酯瓶具有多種優(yōu)點(diǎn)。首先,聚酯瓶質(zhì)量輕、成型容易且瓶體牢固。強(qiáng)度和彈性明顯高于其它塑料材料,可以承受相當(dāng)大的沖擊力而不破損,最適合作為壁薄、質(zhì)輕、強(qiáng)度高的藥品包裝瓶。PET瓶在我國(guó)上世紀(jì)80年代初問(wèn)世后,便以銳不可當(dāng)?shù)膭?shì)頭迅速發(fā)展。短短的二十幾年時(shí)間便成為全球最主要的液體及固體包裝容器。在藥品包裝領(lǐng)域的應(yīng)用中,在裝藥容積相同的情況下,PET瓶重量只相當(dāng)于玻璃瓶的1/10左右;同樣直徑的包裝瓶,PET瓶的容量是玻璃瓶的1.5倍。用PET原料可以制作透明或不透明棕色的瓶體。其次,藥用PET瓶具有良好的氣體阻隔性。在常用的塑料材料中,PET瓶阻隔水汽、氧氣性能最為優(yōu)良,可完全滿足藥品包裝的特殊存儲(chǔ)要求。PET具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性能,能用于除強(qiáng)堿和部分有機(jī)溶劑外的所有物品的包裝。第三,PET樹(shù)脂的回收利用率高于其它塑料,作為廢棄物燃燒處理時(shí),由于它的燃燒熱卡值低而易燃,而且不產(chǎn)生有害氣體。第四,用PET制造的食品包裝符合食品衛(wèi)生要求,因?yàn)镻ET樹(shù)脂不僅是一種無(wú)害樹(shù)脂,而且還是一種沒(méi)有任何添加劑的純粹樹(shù)脂,通過(guò)了包括美國(guó)、歐洲和日本在內(nèi)的相當(dāng)嚴(yán)格的食品衛(wèi)生法的檢驗(yàn),被認(rèn)為是一種合格并安全的藥品和食品包裝材料。這些優(yōu)點(diǎn)使聚酯瓶成為塑料中的佼佼者。目前,全世界聚酯產(chǎn)量正以兩位數(shù)的速率增長(zhǎng)。以聚酯為主要原料制成的藥用塑料瓶無(wú)論從外觀、光澤,還是理化性能和質(zhì)量保證方面都是目前最理想的包裝產(chǎn)品之一。
藥用聚酯瓶的加工技術(shù)
1、藥用聚酯原料的特性
用于瓶體吹塑的聚酯(PET)原料為飽合線性熱塑性聚酯,主要應(yīng)用性能指標(biāo)為:特性粘度(IV)應(yīng)控制在70~85ml/g,使吹塑瓶具有較高的機(jī)械強(qiáng)度與透明性;用于容積大(大于2升)的瓶體,選用聚酯原料的特性粘度為70~75ml/g。注射吹塑成型藥用小容積瓶?jī)?yōu)先選用較高的特性粘度指標(biāo)的材料生產(chǎn)為宜。由于原材料品種的選用正確與否,關(guān)系到生產(chǎn)過(guò)程成型工藝參數(shù)的選取和瓶體質(zhì)量狀況的優(yōu)劣。因此,在生產(chǎn)藥用PET瓶時(shí),原料的特性粘度、結(jié)晶溫度、冷卻速率以及取向效應(yīng)等工藝數(shù)據(jù)尤為重要。這是因?yàn)榫埘ゲ牧鲜且环N可結(jié)晶的聚合物,其結(jié)晶速率很小,只為6μm/min(max)。即通過(guò)工藝控制結(jié)晶溫度與冷卻速率等條件,使聚酯瓶成為非結(jié)晶性或結(jié)晶性,并可改變晶體類(lèi)型與數(shù)量。聚酯要求的結(jié)晶度一般在30%左右。在稍高于玻璃化溫度或稍低于熔點(diǎn)的溫度下,聚酯的結(jié)晶速率很小,結(jié)晶需要很長(zhǎng)時(shí)間,在175℃左右的溫度下,結(jié)晶時(shí)間要短得多?傊瑑H通過(guò)加熱來(lái)使聚酯結(jié)晶,其結(jié)晶過(guò)程較慢,有可能形成晶粒較大的球晶,這會(huì)折射光線,使制品呈白色,且脆性大。此外,聚酯的結(jié)晶速率隨其Ⅳ的提高而降低。取向可使聚酯分子有序排列,促進(jìn)結(jié)晶,所形成的晶體稱(chēng)為應(yīng)變誘導(dǎo)晶體,其晶粒很小,不會(huì)折射光線,故取向聚酯制品為透明的。若對(duì)取向部分結(jié)晶的聚酯試樣作熱定形處理,使之進(jìn)一步結(jié)晶,試樣仍為透明的。所以,結(jié)晶與取向是影響拉伸吹塑聚酯瓶成型過(guò)程中保證性能的關(guān)鍵因素。若對(duì)瓶體進(jìn)行熱灌裝并用巴式消毒處理,還需要對(duì)部分結(jié)晶的聚酯作熱定形處理,使之進(jìn)一步結(jié)晶以提高耐熱性。
2、聚酯材料的去濕與干燥
由于加工聚酯時(shí),其中所含的水分會(huì)在水解過(guò)程中與聚酯熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而快速消耗,即水分在制品中產(chǎn)生氣泡。水解會(huì)降低聚酯熔體的特性粘度,也影響制品的機(jī)械強(qiáng)度與性能,而聚酯原材料是吸濕性聚合物,故加工前應(yīng)經(jīng)嚴(yán)格干燥,使其剩余濕氣含量小于0.005%。聚酯原料要采用去濕干燥系統(tǒng)來(lái)干燥。由于干燥裝置提供的干燥熱空氣從料斗底部進(jìn)入原料中,吸收原料所含的濕氣后返回干燥裝置。為延長(zhǎng)干燥裝置中去濕床的壽命,保持其效率,要使出自料斗的濕空氣經(jīng)過(guò)后冷卻裝置(可采用循環(huán)水冷卻),使空氣溫度低于65℃。要對(duì)后冷卻裝置進(jìn)行恒溫控制,以防止溫度過(guò)高的空氣進(jìn)入去濕床。經(jīng)冷卻的空氣通過(guò)過(guò)濾器,以除去空氣中的微粒?諝庥扇翊渤駳猓詈蠼(jīng)過(guò)加熱器加熱后再次返回干燥料斗。于燥器干燥原料的條件:干燥溫度為140℃~180℃,空氣露點(diǎn)為-40℃,空氣量為0.06立方米/min(kg.h)。干燥時(shí)間為4h。掌握好以上條件應(yīng)注意:(1)當(dāng)空氣量取值高于0.06立方米/min(kg.h)時(shí)可拓寬操作范圍,降低干燥溫度,能耗會(huì)過(guò)高。(2)保證干燥露點(diǎn)盡可能低是很重要的,但露點(diǎn)低至-10℃時(shí)也不會(huì)有問(wèn)題;但應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)空氣露點(diǎn),發(fā)現(xiàn)過(guò)高時(shí),應(yīng)及時(shí)降低。(3)干燥溫度是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù),可通過(guò)在多種溫度下干燥并測(cè)量型坯的特性粘度來(lái)確定最佳的干燥溫度,一般為150℃~163℃。停機(jī)時(shí),干燥溫度應(yīng)降至120℃左右。(4)干燥時(shí)間加長(zhǎng)會(huì)降低聚酯原料的特性粘度,合理掌握干燥溫度成為關(guān)鍵參數(shù),溫度小幅提高就會(huì)導(dǎo)致聚酯的特性粘度有較大的降低,因此干燥時(shí)間應(yīng)盡可能短些,以拓寬操作范圍。在干燥過(guò)程中,由于聚酯的干燥溫度高,設(shè)備的料斗應(yīng)具有良好的隔熱性能并采用玻璃纖維作隔熱層,應(yīng)避免干燥的聚酯原料與外界空氣的接觸,因?yàn)榫埘ピ蠒?huì)快速地吸收空氣中的濕氣。例如,完全干燥的聚酯原料與相對(duì)濕度為35%~40%的空氣接觸12min后,含濕量即達(dá)到0.005%。
藥用聚酯瓶的成型方法
聚酯瓶的成型方法有擠出吹塑與注射吹塑兩種工藝。拉伸吹塑又有一步法與兩步法之分。在一步法成型中,型坯的成型、冷卻、加熱、拉伸與吹塑和瓶體的取出均在一臺(tái)機(jī)器上依次完成。兩步法則采用擠出或注射成型型坯,并使型坯冷卻至室溫,成為半成品,然后將型坯再加熱并在拉伸吹塑機(jī)中成為瓶體。即型坯的成型、拉伸與吹塑分別在兩臺(tái)機(jī)器上完成。一步法注射吹塑PET瓶,注吹設(shè)備中需要有兩副模具,即注塑型坯模和吹塑模具。而注塑型坯模主要由型坯模腔及芯棒構(gòu)成,其各部位尺寸參數(shù)選用的正確與否是瓶體能否成型的關(guān)鍵。因此,需要將模具型坯尺寸參數(shù)結(jié)合成型工藝進(jìn)行合理選取。
1、PET瓶高度與其頸部螺紋直徑的比值可確定型坯與芯棒的長(zhǎng)徑比(L/D)
芯棒長(zhǎng)徑比一般取值原則是不超過(guò)10:1。這是因?yàn)樵谛团髂>咧行景魹閼冶哿,且在充模時(shí)受高注射壓力的作用。長(zhǎng)徑比選值較大時(shí),其芯棒彎曲較大,容易造成型坯、壁厚分布不均勻。但是,通過(guò)程序來(lái)控制熔體的充模速度或在充模過(guò)程中用滑動(dòng)頂針暫時(shí)固定芯棒頭端以使芯棒對(duì)中,此時(shí)芯棒的長(zhǎng)徑比可取大值。型坯高度是參考瓶體的高度乘以高度系數(shù)所得,一般為瓶體高度的92%~95%。為保證瓶體有好的透明度,熔體充入型坯模后,要快速將溫度降至145℃以下,但要比聚酯材料的玻璃化溫度(82℃)高些,且越接近玻璃化溫度,吹塑瓶的透明度就越高。型坯模具冷卻水溫低至10℃~35℃,為了快速冷卻型坯,還要采取液體或氣體對(duì)芯棒連續(xù)進(jìn)行內(nèi)冷卻,其中冷氣可使芯棒有更一致的溫度分布,其空氣壓力一般在1MPa左右。
2、型坯注射時(shí)的熔體溫度
熔體溫度是PET型坯成型要注意的重要參數(shù)之一。從設(shè)備方面考慮,螺桿設(shè)計(jì)對(duì)PET熔融、混合均勻與熔體溫度有較大影響。PET注射要采用低剪切、低壓縮比(約2/1)的螺桿,進(jìn)料段取得長(zhǎng)些,過(guò)渡段與計(jì)量段取得短些。設(shè)備的機(jī)筒溫度對(duì)熔體溫度影響較大,提高機(jī)筒溫度會(huì)降低PET熔體的特性粘度。機(jī)筒溫度對(duì)型坯透明度有明顯影響,提高機(jī)筒溫度可改善型坯的透明度。例如當(dāng)機(jī)筒溫度為280℃時(shí),對(duì)應(yīng)的熔體溫度為290℃,可保證型坯有最佳的透明度。而機(jī)筒溫度進(jìn)一步提高并不能改善透明度。機(jī)筒溫度較低時(shí),適當(dāng)提高螺桿轉(zhuǎn)速以霹澆口溫度,可小量地改善型坯的透明度。但由于熔體通過(guò)熱流道系統(tǒng)的時(shí)間較短,其溫度對(duì)型坯透明度改善的程度較小。提高注射壓力,即注射速率時(shí),熔體通過(guò)噴嘴時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的剪切熱,明顯提高熔體溫度,使機(jī)筒溫度較低時(shí)就可成型透明型坯。保壓壓力較高時(shí),會(huì)提高型坯模具內(nèi)熔體冷卻時(shí)的結(jié)晶速率,降低型坯的透明度,尤其是在機(jī)筒溫度較低時(shí)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)某一給定的聚酯樹(shù)脂與成型設(shè)備,可以這樣來(lái)確定合適的熔體溫度:先逐漸降低溫度,至型坯開(kāi)始出現(xiàn)霧狀,然后提高溫度,剛好達(dá)到成型透明型坯的溫度,成為合適的熔體溫度。
注射吹塑的瓶坯(即聚酯瓶樹(shù)脂)中含有乙醛,會(huì)使被包裝的藥品,尤其是液體藥品容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。所以,對(duì)瓶坯乙醛含量須加以控制,一般要求小于10ppm。降低瓶坯乙醛含量是聚酯瓶生產(chǎn)工藝優(yōu)質(zhì)化的一項(xiàng)重要課題,型坯的乙醛含量與熔體的溫度及停留時(shí)間有關(guān)。熔體溫度低于265℃時(shí),乙醛含量與時(shí)間成線性關(guān)系;熔體溫度高于265℃時(shí),兩者成指數(shù)關(guān)系。由于型坯中乙醛含量與機(jī)筒溫度成線性增加,支管與澆口溫度的提高也會(huì)少量地增加乙醛含量,但提高流道溫度時(shí)乙醛含量的增加幅度較小,這是因?yàn)槿垠w通過(guò)熱流道系統(tǒng)的時(shí)間要比其在機(jī)筒內(nèi)停留的時(shí)間短。設(shè)備的螺桿轉(zhuǎn)速在較低值下增加對(duì)型坯中的乙醛含量沒(méi)有影響,但轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時(shí),產(chǎn)生的剪切熱會(huì)提高熔體溫度,增加乙醛含量。增加背壓會(huì)提高熔體溫度,從而增加乙醛含量,因此在保證聚酯原料塑化均勻的前提下,要盡可能降低背壓。注射壓力增加時(shí)要提高熔體溫度,但因熔體通過(guò)噴嘴的時(shí)間較短,這樣乙醛含量只有少量的增加,而保壓壓力與型坯模具溫度對(duì)乙醛含量沒(méi)有影響。
由此可以看出,機(jī)筒溫度對(duì)聚酯型坯的乙醛含量有明顯的影響,螺桿轉(zhuǎn)速、注射速率、背壓與熱流道溫度對(duì)乙醛含量的影響較小。因此,提高注射速率、降低機(jī)筒溫度可以成型透明度高、乙醛含量低的型坯。在充模的初始時(shí)間內(nèi)采用高注射壓力,以穩(wěn)定充模過(guò)程,然后以低壓力注射,可取得較好效果。所以,成型聚酯型坯時(shí),熔體溫度的選取要適當(dāng),以保證型坯的透明度,同時(shí)又能控制乙醛的產(chǎn)生,熔體溫度一般約取280℃。
3、注塑型坯與瓶體吹脹比的取值
注射吹塑小容積的聚酯瓶時(shí),在工藝成型過(guò)程中,型坯主要發(fā)生軸向拉伸。軸向拉伸越小,吹脹比(指瓶體直徑與型坯直徑之比)越大,瓶壁厚分布不均勻的可能性也越大,易造成瓶肩與瓶身或瓶身與瓶底過(guò)渡區(qū)域的曲線部位壁厚不均勻。小容量瓶體吹脹比一般取1.5~1.8之間。對(duì)橫截面為橢圓形的瓶體,若其橢圓比即橢圓長(zhǎng)短軸的長(zhǎng)度之比小于1.5:1時(shí),可采用橫截面為圓形的型坯成型。橢圓比不超過(guò)2:1時(shí),可采用橫截面為圓形的芯棒與橢圓形的型坯成型。橢圓比大于2:1時(shí),一般要求芯棒與型坯模腔均設(shè)計(jì)成橢圓形。橢圓比增加,型坯模具的設(shè)計(jì)難度與制造成本均提高,一般不應(yīng)超過(guò)3:1。
4、注塑型坯口部及頸部尺寸
型坯口部直徑及螺紋尺寸應(yīng)與瓶口尺寸螺紋相統(tǒng)一,并能與瓶蓋的螺紋尺寸相匹配。因目前對(duì)此無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),故根據(jù)瓶體盛裝物來(lái)決定瓶口部的尺寸。確定型坯頸部尺寸與吹塑模具型腔尺寸時(shí),還應(yīng)考慮瓶體成型后的收縮,PET瓶在型坯內(nèi)的吹脹氣壓為1.2MPa,采用5~10℃的冷卻水冷卻吹塑模具,使型坯吹脹后得以快速冷卻。
5、瓶體注吹成型芯棒的功能
注射吹塑成型使用的芯棒的功能主要有五個(gè)方面:(1)確定成型型坯的形狀與瓶體頸部的內(nèi)徑(2)在機(jī)械轉(zhuǎn)位過(guò)程中帶走型坯或瓶體;(3)芯棒內(nèi)設(shè)置有氣道與空氣出入口,輸送壓縮空氣以吹脹型坯;(4)芯棒內(nèi)部可通循環(huán)液體或空氣,以調(diào)節(jié)型坯溫度;(5)芯棒尾部處靠近配合面開(kāi)設(shè)深0.10毫米的凹槽,使型坯端部楔入槽內(nèi),避免從型坯成型工位轉(zhuǎn)至吹塑工位的過(guò)程中,型坯因其彈性收縮導(dǎo)致頸部螺紋錯(cuò)位。凹槽起到密封作用,減少吹脹過(guò)程中壓縮空氣的泄漏。
6、芯棒長(zhǎng)度與直徑的選值
芯棒長(zhǎng)度和直徑主要由型坯來(lái)確定,芯棒直徑要比瓶體頸部?jī)?nèi)徑小些,便于瓶體脫模。但芯棒直徑應(yīng)在瓶頸內(nèi)徑范圍內(nèi)盡可能地取大值,以避免造成過(guò)大的吹脹比。芯棒同軸度應(yīng)在直徑0.05~0.08毫米內(nèi)。瓶口部位芯棒直徑尺寸是以瓶口外徑和瓶口厚度而定,取值范圍一般是瓶口蒼棒直徑等于瓶口外徑減去兩倍的瓶口壁厚。
7、芯棒底部與型坯底部之間距離尺寸的確定
該距離尺寸即為型坯底部厚度,它的尺寸取值合理與否,直接影響瓶底部的厚度是否符合要求。一般的計(jì)算方法為:型坯底部的厚度(B)等于瓶底的最小厚度(T)加上0.1倍的瓶重量。芯棒體選用的材料為合金工具鋼,硬度為HRC52-54,比模具頸圈的硬度稍低。與熔體接觸的芯棒表面要沿熔體流動(dòng)方向拋光,并鍍硬鉻,以易于熔體充模和型坯的脫模。在PET瓶的吹塑與脫模工位,氣體繼續(xù)在芯棒內(nèi)環(huán)流,保證芯棒有較一致的溫度分布。芯棒各段的溫度取值為:頭部(對(duì)應(yīng)型坯頸部)取45℃~55℃,中部(對(duì)應(yīng)型坯體)取40℃~50℃,尾部取23℃~35℃。在型坯注射工位,因熔體溫度高,芯棒溫度處于上述范圍的上限,芯棒轉(zhuǎn)至脫模工位時(shí)的溫度因內(nèi)冷而降至下限。在脫模工位頂出瓶體后,從外部對(duì)芯棒頭部進(jìn)行風(fēng)冷,以降低芯棒的溫度。
8、PET瓶注射吹塑工藝參數(shù)取值
PET瓶在注射吹塑時(shí)要控制好熔體溫度,使其處于275℃~285℃范圍內(nèi),比多數(shù)注射吹塑級(jí)聚合物的溫度高約50℃。熱流道系統(tǒng)要采用流線型、對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì),避免死角。噴嘴用鎖閉式結(jié)構(gòu),外表面要加熱。為保證型坯有高的透明性,熔體充入型坯模具后要快速冷卻至145℃以下,但要比其玻璃化溫度(82℃)高些,且越接近玻璃化溫度,吹塑瓶的透明度就越高,可拓寬加工范圍。型坯模具冷卻水溫要低至10℃~35℃,以快速冷卻型坯。還要采用液體或氣體對(duì)芯棒連續(xù)進(jìn)行內(nèi)冷卻。其中氣冷可使芯棒軸向有更一致的溫度分布,同時(shí)還不會(huì)出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。芯棒內(nèi)冷氣壓一般為1MPa。最好采用液體,氣體組合冷卻方式,PET型坯的吹脹氣壓約為1.2MPa。采用的冷卻水溫度為5℃~10℃。以冷卻吹塑模具,也使型坯吹脹后得到快速冷卻。
 
     
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