聚酯(PET)瓶的加工與成型技術

聚酯塑料瓶(PET)是當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、茶飲料、果汁、礦泉水、食用油、調味品、化妝品、農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。首先，聚酯瓶質量輕、成型容易且瓶體牢固。強度和彈性明顯高于其它塑料材料，可以承受相當大的沖擊力而不破損，最適合作為壁薄、質輕、強度高的藥品包裝瓶。PET瓶在我國上世紀80年代初問世后，便以銳不可當?shù)膭蓊^迅速發(fā)展。短短的二十幾年時間便成為全球最主要的液體及固體包裝容器。在藥品包裝領域的應用中，在裝藥容積相同的情況下，PET瓶重量只相當于玻璃瓶的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要求。PET具有優(yōu)良的耐化學藥品性能，能用于除強堿和部分有機溶劑外的所有物品的包裝。第三，PET樹脂的回收利用率高于其它塑料，作為廢棄物燃燒處理時，由于它的燃燒熱卡值低而易燃，而且不產生有害氣體。第四，用PET制造的食品包裝符合食品衛(wèi)生要求，因為PET樹脂不僅是一種無害樹脂，而且還是一種沒有任何添加劑的純粹樹脂，通過了包括美國、歐洲和日本在內的相當嚴格的食品衛(wèi)生法的檢驗，被認為是一種合格并安全的藥品和食品包裝材料。這些優(yōu)點使聚酯瓶成為塑料中的佼佼者。目前，全世界聚酯產量正以兩位數(shù)的速率增長。以聚酯為主要原料制成的藥用塑料瓶無論從外觀、光澤，還是理化性能和質量保證方面都是目前最理想的包裝產品之一。
藥用聚酯瓶的加工技術
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，主要應用性能指標為：特性粘度(IV)應控制在70～85ml/g，使吹塑瓶具有較高的機械強度與透明性；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優(yōu)先選用較高的特性粘度指標的材料生產為宜。由于原材料品種的選用正確與否，關系到生產過程成型工藝參數(shù)的選取和瓶體質量狀況的優(yōu)劣。因此，在生產藥用PET瓶時，原料的特性粘度、結晶溫度、冷卻速率以及取向效應等工藝數(shù)據尤為重要。這是因為聚酯材料是一種可結晶的聚合物，其結晶速率很小，只為6μm／min(max)。即通過工藝控制結晶溫度與冷卻速率等條件，使聚酯瓶成為非結晶性或結晶性，并可改變晶體類型與數(shù)量。聚酯要求的結晶度一般在30％左右。在稍高于玻璃化溫度或稍低于熔點的溫度下，聚酯的結晶速率很小，結晶需要很長時間，在175℃左右的溫度下，結晶時間要短得多�？傊�，僅通過加熱來使聚酯結晶，其結晶過程較慢，有可能形成晶粒較大的球晶，這會折射光線，使制品呈白色，且脆性大。此外，聚酯的結晶速率隨其Ⅳ的提高而降低。取向可使聚酯分子有序排列，促進結晶，所形成的晶體稱為應變誘導晶體，其晶粒很小，不會折射光線，故取向聚酯制品為透明的。若對取向部分結晶的聚酯試樣作熱定形處理，使之進一步結晶，試樣仍為透明的。所以，結晶與取向是影響拉伸吹塑聚酯瓶成型過程中保證性能的關鍵因素。若對瓶體進行熱灌裝并用巴式消毒處理，還需要對部分結晶的聚酯作熱定形處理，使之進一步結晶以提高耐熱性。
2、聚酯材料的去濕與干燥
由于加工聚酯時，其中所含的水分會在水解過程中與聚酯熔體發(fā)生化學反應而快速消耗，即水分在制品中產生氣泡。水解會降低聚酯熔體的特性粘度，也影響制品的機械強度與性能，而聚酯原材料是吸濕性聚合物，故加工前應經嚴格干燥，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)來干燥。由于干燥裝置提供的干燥熱空氣從料斗底部進入原料中，吸收原料所含的濕氣后返回干燥裝置。為延長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過后冷卻裝置(可采用循環(huán)水冷卻)，使空氣溫度低于65℃。要對后冷卻裝置進行恒溫控制，以防止溫度過高的空氣進入去濕床。經冷卻的空氣通過過濾器，以除去空氣中的微粒。空氣由去濕床除去濕氣，最后經過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℃，空氣露點為－40℃，空氣量為0.06立方米／min(kg.h)。干燥時間為4h。掌握好以上條件應注意：(1)當空氣量取值高于0.06立方米／min(kg.h)時可拓寬操作范圍，降低干燥溫度，能耗會過高。(2)保證干燥露點盡可能低是很重要的，但露點低至－10℃時也不會有問題；但應嚴格監(jiān)測空氣露點，發(fā)現(xiàn)過高時，應及時降低。(3)干燥溫度是一個關鍵的參數(shù)，可通過在多種溫度下干燥并測量型坯的特性粘度來確定最佳的干燥溫度，一般為150℃～163℃。停機時，干燥溫度應降至120℃左右。(4)干燥時間加長會降低聚酯原料的特性粘度，合理掌握干燥溫度成為關鍵參數(shù)，溫度小幅提高就會導致聚酯的特性粘度有較大的降低，因此干燥時間應盡可能短些，以拓寬操作范圍。在干燥過程中，由于聚酯的干燥溫度高，設備的料斗應具有良好的隔熱性能并采用玻璃纖維作隔熱層，應避免干燥的聚酯原料與外界空氣的接觸，因為聚酯原料會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濕度為35％～40％的空氣接觸12min后，含濕量即達到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機器上依次完成。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中成為瓶體。即型坯的成型、拉伸與吹塑分別在兩臺機器上完成。一步法注射吹塑PET瓶，注吹設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鍵。因此，需要將模具型坯尺寸參數(shù)結合成型工藝進行合理選取。
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徑比(L／D)
芯棒長徑比一般取值原則是不超過10：1。這是因為在型坯模具中芯棒為懸臂梁，且在充模時受高注射壓力的作用。長徑比選值較大時，其芯棒彎曲較大，容易造成型坯、壁厚分布不均勻。但是，通過程序來控制熔體的充模速度或在充模過程中用滑動頂針暫時固定芯棒頭端以使芯棒對中，此時芯棒的長徑比可取大值。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芯棒連續(xù)進行內冷卻，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。從設備方面考慮，螺桿設計對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，進料段取得長些，過渡段與計量段取得短些。設備的機筒溫度對熔體溫度影響較大，提高機筒溫度會降低PET熔體的特性粘度。機筒溫度對型坯透明度有明顯影響，提高機筒溫度可改善型坯的透明度。例如當機筒溫度為280℃時，對應的熔體溫度為290℃，可保證型坯有最佳的透明度。而機筒溫度進一步提高并不能改善透明度。機筒溫度較低時，適當提高螺桿轉速以霹澆口溫度，可小量地改善型坯的透明度。但由于熔體通過熱流道系統(tǒng)的時間較短，其溫度對型坯透明度改善的程度較小。提高注射壓力，即注射速率時，熔體通過噴嘴時會產生較高的剪切熱，明顯提高熔體溫度，使機筒溫度較低時就可成型透明型坯。保壓壓力較高時，會提高型坯模具內熔體冷卻時的結晶速率，降低型坯的透明度，尤其是在機筒溫度較低時。在實際生產過程中，對某一給定的聚酯樹脂與成型設備，可以這樣來確定合適的熔體溫度：先逐漸降低溫度，至型坯開始出現(xiàn)霧狀，然后提高溫度，剛好達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(即聚酯瓶樹脂)中含有乙醛，會使被包裝的藥品，尤其是液體藥品容易產生化學反應。所以，對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工藝優(yōu)質化的一項重要課題，型坯的乙醛含量與熔體的溫度及停留時間有關。熔體溫度低于265℃時，乙醛含量與時間成線性關系；熔體溫度高于265℃時，兩者成指數(shù)關系。由于型坯中乙醛含量與機筒溫度成線性增加，支管與澆口溫度的提高也會少量地增加乙醛含量，但提高流道溫度時乙醛含量的增加幅度較小，這是因為熔體通過熱流道系統(tǒng)的時間要比其在機筒內停留的時間短。設備的螺桿轉速在較低值下增加對型坯中的乙醛含量沒有影響，但轉速進一步提高時，產生的剪切熱會提高熔體溫度，增加乙醛含量。增加背壓會提高熔體溫度，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。注射壓力增加時要提高熔體溫度，但因熔體通過噴嘴的時間較短，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乙醛含量沒有影響。
由此可以看出，機筒溫度對聚酯型坯的乙醛含量有明顯的影響，螺桿轉速、注射速率、背壓與熱流道溫度對乙醛含量的影響較小。因此，提高注射速率、降低機筒溫度可以成型透明度高、乙醛含量低的型坯。在充模的初始時間內采用高注射壓力，以穩(wěn)定充模過程，然后以低壓力注射，可取得較好效果。所以，成型聚酯型坯時，熔體溫度的選取要適當，以保證型坯的透明度，同時又能控制乙醛的產生，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，在工藝成型過程中，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。對橫截面為橢圓形的瓶體，若其橢圓比即橢圓長短軸的長度之比小于1.5：1時，可采用橫截面為圓形的型坯成型。橢圓比不超過2：1時，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，一般要求芯棒與型坯模腔均設計成橢圓形。橢圓比增加，型坯模具的設計難度與制造成本均提高，一般不應超過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。因目前對此無統(tǒng)一的國家標準，故根據瓶體盛裝物來決定瓶口部的尺寸。確定型坯頸部尺寸與吹塑模具型腔尺寸時，還應考慮瓶體成型后的收縮，PET瓶在型坯內的吹脹氣壓為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方面：(1)確定成型型坯的形狀與瓶體頸部的內徑(2)在機械轉位過程中帶走型坯或瓶體；(3)芯棒內設置有氣道與空氣出入口，輸送壓縮空氣以吹脹型坯；(4)芯棒內部可通循環(huán)液體或空氣，以調節(jié)型坯溫度；(5)芯棒尾部處靠近配合面開設深0.10毫米的凹槽，使型坯端部楔入槽內，避免從型坯成型工位轉至吹塑工位的過程中，型坯因其彈性收縮導致頸部螺紋錯位。凹槽起到密封作用，減少吹脹過程中壓縮空氣的泄漏。
6、芯棒長度與直徑的選值
芯棒長度和直徑主要由型坯來確定，芯棒直徑要比瓶體頸部內徑小些，便于瓶體脫模。但芯棒直徑應在瓶頸內徑范圍內盡可能地取大值，以避免造成過大的吹脹比。芯棒同軸度應在直徑0.05～0.08毫米內。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(對應型坯頸部)取45℃～55℃，中部(對應型坯體)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，芯棒轉至脫模工位時的溫度因內冷而降至下限。在脫模工位頂出瓶體后，從外部對芯棒頭部進行風冷，以降低芯棒的溫度。
8、PET瓶注射吹塑工藝參數(shù)取值
PET瓶在注射吹塑時要控制好熔體溫度，使其處于275℃～285℃范圍內，比多數(shù)注射吹塑級聚合物的溫度高約50℃。熱流道系統(tǒng)要采用流線型、對稱式設計，避免死角。噴嘴用鎖閉式結構，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芯棒連續(xù)進行內冷卻。其中氣冷可使芯棒軸向有更一致的溫度分布，同時還不會出現(xiàn)泄漏問題。芯棒內冷氣壓一般為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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