（机械制造及其自动化专业论文）pet饮料瓶结构优化设计及瓶坯减重方法的研究.pdf

摘要 自从p e t 材料出现在包装市场上时，就广泛的应用于各种饮料包装。据统 计，p e t 瓶在饮料包装中所占的比重已经达到了7 0 。因此，国内外研究人员一 直通过各种方法来研究关于p e t 为材料的饮料包装，使得以p e t 包装最终实现 包装性能佳、瓶体轻、外观美三者的最佳结合。 本论文的研究内容主要分为两部分。第一部分是关于p e t 瓶在新瓶设计时 的结构优化设计，第二部分是针对已批量生产的p e t 瓶的壁厚优化及瓶坯减重。 论文在第二章中介绍了包装材料p e t ，p e t 瓶的相关设计要点，并阐述其生 产过程中的注一拉一吹的成型工艺，分析了在整个p e t 瓶的成型过程中各个参 数对p e t 瓶。陆能的影响。 第三章是关于新的p e t 瓶设计时的结构优化设计。根据p e t 饮料瓶在实际 生产，运输，灌装等过程中所需要满足的性能，建立p e t 瓶的各种客观物理模 型。同时，通过有限元方法分析新设计的p e t 瓶的各种情况，观察p e t 瓶各个 部位的模拟结果是否超出p e t 瓶材料的极限性能，并以此为根据，优化p e t 瓶 的结构。最后探讨了基于有限元分析的p e t 瓶结构设计流程的应用研究。 第四章是针对己大批量生产的瓶子进行壁厚优化及瓶坯减重。在第三章所建 立的相关p e t 瓶客观物理模型的基础上，通过拉伸实验测出2 0 个样瓶上不同拉 伸比的p e t 片材的机械性能和厚度。通过现代计算机模拟技术分析每一个p e t 瓶在负载状况下的应力应变状态，最终得到2 0 组数据样本。结合现代数学算法， 建立关于应力一厚度、应变一厚度的数学模型，并求得在可行范围内的最优壁厚， 从而实现瓶坯减重的目的。 综上所述，论文针对现代市场和生产企业对p e t 瓶在饮料包装上的需求， 以p e t 包装的优化设计及减重为研究方向，研究内容不仅可丰富和发展p e t 包 装在实际应用中设计，而且减少单个p e t 包装的成本，大大降低了企业的生产 成本。有利于企业提高p e t 瓶设计效率、市场竞争力，具有巨大的经济效益和 社会应用价值。 关键字：p e t 瓶结构优化设计有限元模拟b p 算法遗传算法 t h er e s e a r c ha b o u to p t i m a ld e s i g no fb o t t l es t r u c t u r ea n dh g h t e n d e s i g no fp e r f o r m o np e t b e v e r a g eb o t t l e a b s t r a e t s i n c ep e tw a sa p p l i e di nt h ep a c k a g i n gm a r k e t ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e b e v e r a g ep a c k a g i n g s t a t i s t i cs h o w st h a tt h ep e r c e n t a g eo fp e tb o t t l ei nb e v e r a g e p a c k a g i n gh a sr i s e na t7 0 t h e r e f o r e t h er e s e a r c h e r sa th o m eo ra b r o a da d o p t v a r i o u sm e t h o d st os t u d yt h ep e tb e v e r a g ep a c k a g i n g , t og e tt h en e wp e t b e v e r a g e b o t t l ew h i c hc o m b i n e dw i t ht h e h i g h e rp e r f o r m a n c e ，l i g h t e r , m o r eb e a u t i f u l 印p e a r a n c e t h i sp a p e rh a st w op a r t s t h ef i r s tp a r ti sa b o u tt h eo p t i m a ld e s i g no ft h en e w d e s i g nb o t t l e ，a n dt h es e c o n dp a r ti st h el i g h t e nd e s i g no fp e tb o t t l ew h i c hi si nm a s s p r o d u c t i o n i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep e t p a c k a g i n gm a t e r i a la n dt h e m a i np o i n to fp e tb o t t l ed e s i g n e x p o u n d st h ei s b mp r o c e s si nt h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s a n da n a l y z e st h ei n f l u e n c eo f v a r i o u sp a r a m e t e r so nt h ep e tb o t t l e t h et h i r dc h a p t e ri sa b o u tt h eo p t i m a ld e s i g no ft h en e wp e t b o t t l e a c c o r d i n gt o t h ep e tb e v e r a g eb o t t l et om e e tt h ep e r f o r m a n c eo fp r o d u c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n , a n d f u l f i l l m e n t ，t h i sp a p e rs e t su pt h ep h y s i c a lm o d e l m e a n w h i l e ，a n a l y z e st h e p e r f o r m a n c eo ft h en e w b o t t l ew i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a d j u s tt h es t r u c t u r eo f t h eb o r l ea c c o r d i n gt ot h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ef o r t hc h a p t e ri sa b o u tt h el i g h t e nd e s i g no ft h eb o t t l ew h i c hh a sb e e ni nm a s s p r o d u c t i o n b a s e do nt h em o d e lw h i c hf o u n di nt h et h i r dc h a p t e ra n dt h ep e ts h e e t m e e h a n i c a lp r o p e r t ya n dt h i c k n e s sf r o mt h e2 0s a m p l eb o t t l et e s t su n d e rt h es t r e t c h e x p e r i m e n t ，w ec a ng e tt h e2 0g r o u p ss a m p l ed a t ai n c l u d et h es t r e s sa n ds t r a i nt h r o u g h t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dt h e n ，f o u n dt w om a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s ，o n ei s b e t w e e ns t r e s st ot h et h i c k n e s s a n da n o t h e ri sb e t w e e ns t r a i n st ot h et h i c k n e s s b a s e d o nt h et w or e l a t i o n s h i p s 。w ec a l lc a l c u l a t et h eo p t i m i z a t i o nt h i c k n e s sa m o n gt h e p r a c t i c a b l es c o p ea n dr e a l i z et h el i g h t e nd e s i g no fp e tb o t t l e i nc o n c l u s i o n ，t h i sp a p e rf o c u so nt h en e e do fm o d e m p a c k a g i n gm a r k e to i lt h e p e t b o t t l e ，w i t ht h ep u r p o s eo fp e t b o t t l el i g h t e nd e s i g n ，t h er e s e a r c hn o to n l ye n r i c h t h ep r a c t i c a ld e s i g no fp e tb o t t l e b u ta l s or e d u c et h ee v e r yc o s to fp e tb o t t l e i nt h i s w a y , i tc a ng r e a t l yr e d u c et h ec o s to fe n t e r p r i s e ，i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y , m a r k e t c o m p e t i t i v ep o w e r , h a st r e m e n d o u se c o n o m i ca n ds o c i a lv a l u e k e yw o r d s ：p e tb o t t l e ；o p t i m a ld e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；b pa l g o r i t h m ； g e n e t i ca l g o r i t h m 浙江理工大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 进入2 1 世纪以来，饮料行业在我国蓬勃发展，各饮料生产商在不断地生产各种类的 饮料，丰富了整个饮品的消费市场。在此之际，p e t 饮料瓶的包装也各式不同，其最常见 的是注一拉一吹成型的p e t 饮料瓶具有阻隔性好、耐腐蚀性强、机械性能高、呈透明状、 可以多次回收再利用等优点，被大量应用于各种饮料产品的包装【l 】。现阶段，国内7 0 的 饮料包装中都是用了p e t 材料作为载体的，p e t 瓶的年消耗量将近有上百亿只。随着国家 “绿色发展”已成为社会发展主流，p e t 包装技术正是符合这一绿色环保政策，适应社会 和谐发展需要，受到广大饮料商的青睐，具有广阔的市场前景【2 】。 对于饮料包装生产商来说，希望能够研究出可以取代用铁、铝、玻璃等材料制成的包 装材料来使他们获得最大利润，而p e t 作为饮料包装是目前可以利用的最佳材料。最早使 用p e t 瓶技术的是美国可口可乐公司，主要是针对清凉饮料系列的包装。他们把原先生产 的容龟为1 0 0 0 m l 的玻璃瓶用1 5 0 0 m lp e t 瓶取代，从而节省了整个包装的成本，大大提高 利润。从此以后，p e t 瓶包装技术开始登上了饮料包装的舞台，各种采用p e t 包装的食品 和饮料，深受顾客们的喜欢。p e t 瓶从刚开始的轻巧、包装性能好到后来的适用性强、加 工方便、运输便捷等特点，备受市场欢迎。另外p e t 瓶设计加工方便，可以根据个人爱好 在瓶上设计图案及文字，因此，越来越多的p e t 瓶包装设计朝着艺术化、个性化的方向发 展。目前国内饮料品种装有如可乐、果汁、纯净水是p e t 瓶的主流产品，这些对包装的要 求比较低。但是p e t 技术的低成本、高回收利用受广大消费者的欢迎【3 】。 2 0 世纪3 0 年代，吹塑技术开始发明与应用，但它的应用范围并不广。技术水平的非 常有限，只能在几种热塑性聚酯塑料上应用。2 0 世纪5 0 年代，基于聚合物成型工艺技术 的研究不断深入，塑料的中空吹塑成型技术的发展已能够适合大规模生产的p e 、p v c 等 材料的热塑性聚酯，并不断的进行创新和发展。2 0 世纪8 0 年代，吹塑成型技术进入了成 熟应用的阶段，在这之前人们还不敢相信吹塑技术会应用的一些市场，尤其更不可能使用 于汽车制造业。现在，塑料中空吹塑成型工艺已经与压塑成型工艺、注塑成型工艺、挤塑 成型工艺并列成为塑料的四大成型工艺，是塑料成型加工领域的重要组成部分。多层吹塑 技术在塑料中空吹塑技术中也有着飞速的发展，极大的丰富了吹塑制品的应用领域，增加 了吹塑制品的性能范围；由最原始的人力控制更换成利用计算机、电子技术的闭环控制系 统的吹塑成型的生产设备，满足现代企业自动化生产需求，降低了劳动成本，提高企业效 浙江理工大学硕士学位论文 率；c a d c a e c a m 计算机软件技术也逐步完善，使得吹塑机械朝着专业化、特色化的 方向发展。随着机械自动化技术与生产管理技术的日益成熟与完善，把计算机技术应用到 了吹塑成型工艺e ，使整个生产过程完全更加自动化。而且p e t 瓶的壁厚变化和成型质量 在拉伸吹塑过程中由计算机程序控制，比人工控制更加精确、可靠。另外，随着更深层次 的对吹塑成型工艺学的研究，各种针对吹塑成型工艺工程的仿真以及对制品的优化仿真也 得到了迅速的发展，这些技术的开发特别是在预测和控制制品的形状、重量、质量、成本、 回收、环保等方面发挥着举足轻重要的作用【4 】。低成本、高效益、工艺简单是塑料中空成 型工艺的主要优点，它与其他方法成型的产品的市场竞争力大。但其也有很明显的缺点， 主要是它所成型的制品壁厚均匀性不易控制，从而对制品的质量有着重要的影响。 注射吹塑成型工艺、挤出吹塑成型工艺和拉伸吹塑成型工艺是中空制品的吹塑成型工 艺的三种基本成型方法【5 】。注射吹塑成型工艺主要用于注塑与吹塑两大步骤组成，首先注 塑模具成型瓶坯是由金属型芯制成的，然后由吹塑加工成制品；挤出吹塑成型工艺主要是 熔融的塑料通过挤出机头形成管状的瓶坯，然后由吹塑加工成制品；注射一拉伸一吹塑、 挤出一拉伸一吹塑是拉伸吹塑的两种成型方法，通过双轴取向可加工成型要求较高的制 品，这种成型工艺极大地改进制品整体性能和降低生产成本。另外，吹塑相关的成型工艺 还有压制吹望成型工艺、多层吹塑成型工艺、三维吹塑等成型工艺等【6 】。但采用挤出吹塑 成型在吹塑制品中占7 5 ，注射吹塑成型占2 4 ，其它吹塑成型占1 ；双向拉伸吹塑而 成的产品在所有的吹塑中占7 5 。 为了实现制品的高效生产，在实际生产过程中，p e t 瓶生产常采用注一拉一吹二步法 成型方法。同时为了提高生产效率和产品质量，在注射成型阶段采用多腔瓶坯注塑模具， 有3 2 腔，6 4 腔，9 6 腔。在二步法中，由注塑成型的瓶坯通过生产线引导到吹塑设备上进 行制品成型。在这种情况下，对瓶坯注塑和加热，制品的成型和脱模成型操作可同时完成。 我国现在所生产的p e t 瓶以及相关的成型技术。相对国外而言，属于比较落后的技术， 主要由于我国在研究发展p e t 瓶技术上起步较晚。2 0 世纪8 0 年代，国内首条能实现注一 拉一吹成型p e t 瓶的流水线生产是从日本引进，在碳酸饮料包装( 主要是可乐) 上取得了非 常好的效果。同时发现我国在p e t 瓶包装行业的具有很大的市场潜力；不久我国又引进了 大批国外含有先进技术水平的p e t 瓶生产设备，学习吸收国外先进技术，再不断的自主研 发，适应我国国内的发展需求以及市场需要，最终研发出二步法p e t 瓶拉伸吹塑机，以及 相应的具有国内自主知识产权配套设施。这种设备与我国自主生产的通用高效注射机配合 使用，大批量生产利用通用高效的注射机制成的p e t 瓶坯，经过双向拉伸，高品质的p e t 2 浙江理t 大学硕十学位论文 瓶被吹制而成。我国所生产的二步法p e t 吹瓶机中，不仅能生产出一般的p e t 双向拉伸 纯净水瓶，抗热耐压型的p e t 瓶也可被生产，如适合热茶和热咖啡等饮料包装的p e t 瓶。 国产目前设备所牛产的p e t 制品的容积应用性强，基本上与进口设备所能生产的容积范围 相抗衡，从几十毫升的小型包装瓶到5 加仑的大桶。这种自主研发，自主生产的p e t 瓶吹 瓶机不仅具有价格低廉，机动性强，市场应用广，生产效率高等优点，而且也能生产出机 械性能好、外观独特、实用性好的p e t 制瓶，因此得到了国内外p e t 瓶生产企业的广泛 认可，除了在国内大量销售与生产之外，也有部分出口销往世界各地。 然而，我国在对p e t 瓶结构优化设计及瓶坯的减重设计所开展的研究还很浅。生产 p e t 瓶的高端技术，相应配套的模具加工生产以及精度控制技术完全被国外大型制瓶企业 控制。再加上在整个国际范围内还没有出台一套完整实用适合各个方面和国家的p e t 瓶设 计、生产、制造的相关规范，对我们国内的p e t 瓶生产企业形成了相对的垄断地位与市场。 国外p e t 瓶生产厂商在进行新产品开发的过程中，往往都是根据企业内部研究部门在以往 摸索过程中所积累的经验和所总结的研究结果，来确定p e t 瓶及其瓶坯的设计，制造等整 个方案。在p e t 瓶的设计和瓶坯的设计之后，仍然需要经历多次的注塑模具开发、试验、 修改，吹塑模具丌发、试验、修改，以及p e t 瓶整体性能( 整体机械性能，灌装性能，运 输性能等) 校验以及p e t 瓶设计方案反复确定的过程，从而导致p e t 瓶的整个的设计、 制造、生产周期非常长，不但需要大量的设计和试验投入，同时也造成大量人力和物力上 的浪费。回顾国内的相关生产企业，情况更加的恶劣，既缺乏研究人员，又缺乏相应的技 术。正是如此，在外资相对垄断的市场上，中国p e t 瓶生产企业的生存情况非常艰难。先 进的p e t 瓶及瓶坯设计、制造技术已作为国外大公司自身最具竞争力的核心技术，基本上 对外不公开【r 7 j 。 随着国内p e t 原材料价格的不断提高、生产企业对利润的追求以及人们不断的加强环 保意识，p e t 瓶的制造企业更加重视节约材料，降低生产成本，希望能以较轻的，较美观 的，机械性能好的制品来满足消费者的需求，同时获得自身的利润空间以及生存空间。因 此对于p e t 瓶的轻量化研究是一个很重要的研究方向，有着重要的实用价值和经济效益。 1 2 国内外p e t 饮料瓶相关技术的研究现状 1 2 1p e t 瓶轻量化技术的研究现状 s i p a 公司在不影响p e t 瓶使用性能的前提下，把轻量化作为最优先考虑发展方向。该 公司提出了不同的解决方案：标准型p e t 瓶( 1 0 9 克、5 0 0 m l 纯净水瓶或苏打水瓶坯，而行 业的标准是1 3 - 1 6 克) 、热灌装p e t 瓶( 特别开发的颈部螺纹设计，可减重2 0 ) 、大型容 3 浙江理- t 大学硕士学位论文 器p e t 瓶( 只有7 4 克，普通的5 l 的3 8 m m 颈部螺纹容器重8 0 克) 引。 法国西得乐公司，在k 2 0 0 7 展会上推出了一款新的p e t 瓶坯n o b o t t l e ，这款瓶坯仅重 9 9 克却能灌装o 5 升的纯净水。西得乐公司采用的是柔性控制技术，这项技术充分地利用 加温后的p e t 材料的柔韧性和形状的记忆功能，并在加工过程中进行干预，是p e t 瓶坯 成型出最佳的p e t 瓶。同时由于没有采用加强筋而得到超轻的瓶坯。目前，这项技术己被 多家矿泉水生产商采用【9 】。 百事可乐北美公司在2 0 0 8 年宣称，该公司已将用于盛装非碳酸饮料的5 0 0m lp e t 塑 料瓶减轻了2 0 的重量：通过改进瓶子结构设计，将冰红茶瓶和果汁饮料瓶的重量从2 3 5 克削减到1 8 6 克。该公司开展这项减轻p e t 瓶重量的行动后，每年可减少产生大约9 万 多吨的p e t 瓶的废弃物。这种p e t 瓶被列入该公司5 0 0m l 风味饮料及非碳酸饮料包装瓶 中质量最轻的一种【1 0 】。 1 2 2p e t 瓶研究现状分析 通过以上关于p e t 瓶的相关技术研究现状分析，可以得到：在原材料价格上涨，节能 减排的政策落实，都要求生产企业能够采用最轻的p e t 瓶包装，国内外的研究机构已经开 始着手研究p e t 瓶的各种轻量化技术。p e t 瓶的减轻可以直接给企业带来成本的降低，也 会降低整个社会的资源消耗。 1 3 本文的主要研究内容 针对目前各项研究的展丌都是局限于p e t 瓶成型过程的模拟分析【1 5 1 ，本文在综合考 虑实际应用与p e t 瓶设计与制作，提出根据实际应用情况对p e t 瓶进行结构优化设计及 瓶坯减重，首先通过实验对p e t 瓶在生产、灌装、码垛等物理性要求制定一个标准。在标 准的基础上，优化p e t 瓶结构以及实现瓶坯减重。文中，建立了针对p e t 瓶实际应用中 的跌落，顶压，内压，外压的几何模型与物理模型，在有限元环境中分析p e t 瓶的各种应 力应变结果，根据分析结果，运用现代数学算法实现瓶坯减重。 第二章中，首先介绍了p e t 材料的各种成型工艺参数和p e t 瓶结构设计的相关要点， 分析在流变状态下的p e t 材料的状态，并说明了p e t 材料作为包装材料的优点。其次， 详细的阐述了关于p e t 瓶的成型方法，以及成型原理，并分析在成型过程中，各参数对 p e t 瓶的影响。在分析参数及其影响时，总结出作为瓶坯减重的理论依据。 第三章中，主要是针对新设计的p e t 瓶进行结构优化设计。在本章中，根据p e t 瓶 实际应用要求，借用有限元分析方法，确定分析目标，建立关于p e t 瓶的客观的物理模型 和数学模型并对其进行求解，得到相应的应力应变量。通过相应的应力应变值，分析p e t 4 浙江理工大学硕士学位论文 瓶的受力分布情况，优化p e t 瓶结构，使得p e t 瓶在所建立的模型分析中的得到的应力 或者应变的最大值不超过所规定的极限值。 第四章中，主要是针对已在生产的p e t 瓶实现相应的瓶坯减重。在本章中，对已在大 批量生产的p e t 瓶按照拉伸比进行分段处理，分别测出p e t 瓶不同区域内的厚度和弹性 模量。通过第三章建立好的物理客观模型进行求解。得到与实际情况较接近的应力和应变 量，通过现代数学算法改进的b p 神经网络算法，对相应的瓶身厚度与应力和应变， 建立非线性关系式。并通过所建立的关系式，得到最优的瓶身厚度，从而计算出p e t 瓶优 化后的总体体积，实现减重的目标。 最后在第五章中对全文的研究工作进行了总结和归纳，并提出进一步需要研究解决的 问题。 5 浙江理工大学硕士学位论文 第二章p e t 瓶的材料及其成型工艺分析 2 1 引言 p e t 瓶的注一拉一吹成型是一个非常复杂的成型过程。虽然国内外很多专家针对该复 杂过程的数值模拟，有了很深入的研究，同时也提出了各种各样的模型去描述。并用于指 导生产过程，提高p e t 瓶综合性能。本文主要的研究内容是通过以p e t 瓶在满足实际应 用的条件下，进行分析计算，实现p e t 瓶的结构优化及瓶坯减重。这也需要研究人员从 p e t 瓶的材料及其成型工艺的研究入手，寻找理论依据及相应的规律。 本章首先介绍了p e t 瓶的材料，p e t 瓶结构设计的相关要点及其成型工艺，然后通过 对其成型工艺的研究分析，得出了在p e t 瓶沿着拉伸方向上，每一环向上的局部p e t 材 料的机械性能都不一样，而且呈现某种规律，在一定的拉伸比内，存在一个最大的p e t 材 料的机械性能。另外分析了成型过程中的各项参数对p e t 片材的力学性能的影响。 2 2p e t 材料 2 2 1p e t 的分子结构 p e t 材料发展有近7 0 年的发展历史，其各种性能不断的被开发出来 1 6 - 1 8 】，最基本的 p e t 分子根据其分子组成元素和分子结构是属于有机高分子化合物。主要是由碳、氢、氧 三种元素构成。具体分子结构如下 1 9 乏1 】： q p e t 材料属于大分子链结构，是由多个聚对苯二甲酸乙二醇酯的链节重复而成，良好 的规整性使其具备了良好的结晶性能。其分子链比较刚硬( 主链中存在有苯环) ，分子间 的相互作用力较强( 有较强的极性) ，这就使得p e t 高分子材料具有在刚性、强度和阻隔性 能等方面都有卓越的表现，p e t 分子具体的结晶态与无定形态【2 0 1 。 2 2 2p e t 材料的性能分析 a ) p e t 的物理性能 p e t 按用途( i v 值) 可分为瓶级p e t 、纺织用p e t 和片材p e t 2 1 1 ，如表2 1 所示。 6 浙江理工大学硕士学位论文 表2 1p e t 的分类 廊用 i v ( d l g r ) 纺织品 胶片磁带 吹瓶 0 5 5 0 6 5 0 6 5 - o 7 5 0 7 0 0 8 5 其中，i v 值表示材料特性粘度，单位m l g ，用来表征材料的机械性能和透明度。 低值的p e t 材料具有较高的分子自由度、低机械强度、较低的分子间作用力。易 于促进分子重排，便于结晶。如图2 1 所示。 ，确差露辫蠓墨兰 暑淼筘漱鼬一言暑莩融警磺每蒌囊一j 图2 1 低值的p e t 材料 高值的p e t 材料具有低的分子自由度、高机械强度、分子间的作用力增强。不易 于p e t 分子的重排，阻碍结晶。如图2 2 所示。 暑菇毽矮三 三蓦基鬈蒌舞未 图2 2 高值的p e t 材料 b ) p e t 的化学性能 在经过双向拉伸后，p e t 具有较高、较稳定的化学性质，但是仍然会与外界的因素发 生一些化学反应，破坏整个p e t 分子结构。如p e t 分子的水解反应与热降解反应【2 0 1 。 p e t 的水解反应指的是，在高温、高压或者碱性条件下p e t 分子链发生断裂的一种化 学反应。而且当p e t 发生水解反应时，反应速度非常快，分子量急剧降低，整个机械性能 也伴随着降低。冈此在p e t 材料热加工之前，必须将p e t 分子干燥至水分含量低于5 0 。 同时还需要控制整个加热时间，不然将会造成p e t 分子的热降解。 p e t 分子的热降解反应指的是，p e t 分子在高温条件下，p e t 分子易分解为乙醛、二 氧化碳等一些消小分子物质的一种化学反应，其中的各种分解物均不带毒性。但是当p e t 分子在较高温度下( 3 0 0 。c 4 0 0 c ) ，则会发生完全分解。 7 浙江理工大学硕士学位论文 o | i p e t 一c h 3 c h + 短链分子 2 2 3 吹塑用p e t 材料的加工性能分析 吹塑用的p e t 材料主要是通过共聚或者均聚的方式获得，共聚p e t 与均聚p e t 的典 型性能【2 2 】，如表2 2 所示。 表2 2 吹塑用p e t 的典型性能 根据p e t 的物理性质和化学性质，可以得出p e t 材料属于热塑性工程塑料。而热塑 性塑料的特点是在加热时变软以至熔融流动，冷却时凝固变硬，并且这种过程是可逆的， 因此p e t 是可以反复利用【2 3 】，与其他品种的材料相比有着明显的优势【2 4 1 ，具体可见表2 - 3 。 表2 3 拉伸吹塑p e t 瓶相对于其他瓶的性能比较 注：+ + ：好得多；+ ：好些；o ：相近；一：差些 8 浙江理下大学硕士学位论文 除了温度可以导致p e t 制品尺寸变化外，与其他材料一样，湿度也会影响p e t 制品 尺寸的稳定性。p e t 是吸湿性聚合物，当其吸收水分膨胀而失去水分收缩时，制品尺寸随 相对湿度变化而变化，同时当p e t 材料吸收水分时，会使p e t 的特性粘度降低，严重影 响容器的力学一g q 土- 台日匕k 和力学性能【2 5 】，如图2 3 所示，湿度易使容器表面出现气泡或纹路。因 此，在成型加工前，必须要对材料进行严格干燥。吹塑用p e t 材料的干燥条件一般为：干 燥温度为1 4 0 18 0 ，干燥时间4 h ，空气露点4 0 ，其含湿量 o 0 0 3 ，经干燥过的p e t 材料避免与外界空气接触，以免影响干燥效果。 毋 删 由噬 b 盘 馨 专 拉伸强度 孓 、 、 拉长率、 无首i冲击产叭 口，口，n 口2口口，0 0 4d 0 5n 0 6 湿度 图2 3 湿度对p e t 塑料的力学性能影响 总之，p e t 材料分子具有高度几何规整性、刚性，分子中没有侧链，结构对称，满足 紧密堆砌的要求。注射拉伸吹塑用p e t 的特性黏度一般为7 0 8 5 m l g ，容积小的瓶，应优 先选用特性黏度高的p e t 。成型时的熔体温度一般为2 8 0 ；型坯冷却温度为1 0 1 5 ， 若型坯厚度大于4 m m 时，模温应低至2 5 ，型坯再加热，进行拉伸吹塑时的取向温度为 8 8 1 1 5 。 2 3p e t 瓶的结构设计 一个好的产品是从设计开始，一个好的设计可以规避很多后续的问题。p e t 瓶的结构 设计是整个p e t 瓶生产过程的核心阶段。p e t 瓶的机构设计是一个综合性的问题，它涉及 到材料、成型加工工艺、技术结构、艺术造型、商品学、消费心理学等多方面的知识。设 计p e t 瓶时要兼顾制品的功能、外观、可成型性与成本等各种因素。 9 枷 船 朋 刀 甜 卯 浙江理下大学硕士学位论文 2 3 1p e t 瓶的设计流程 目前，p e t 瓶应用越来越广，要推出结构新颖、节能环保、吸引消费者的p e t 瓶，就 必须在形体造型、结构形式、材质、表面处理等方面精心设计 2 7 1 。 在进行设计时首先要了解其设计流程，其一般设计流程如图2 4 所示。 图2 4 p e t 瓶的设计流程 p e t 瓶的设计流程说明如下： a ) p e t 瓶包装的调查在饮料行业，p e t 瓶的包装种类越来越多，有纯净水，茶饮 料，碳酸饮料等，不同的包装物对p e t 瓶有着不同的要求。根据包装物确定p e t 瓶的功 能特点、环境条件、载荷条件。这是设计中首要的环节； b ) p e t 瓶形状的初步设计在了解p e t 瓶所需要的要求时，设计进行市场调查及资 料分析，同时提啦几种方案，对各个方案所包含的加工性，经济性进行分析，确定初步设 计方案，设计样瓶； 1 0 浙江理工大学硕七学位论文 c ) p e t 瓶样品的制造准备主要包括制品的工艺设计和相应的模具设计。在该步骤 主要考虑针对样品的工艺性最佳。同时提出多种工艺方案，选用最佳的工艺方案，一般企 业内，都有相应的较成熟的工艺流程，因为可以为此阶段节省不少时间； d ) 样品的试制、检测根据工艺要求及所设计的模具，吹制成p e t 瓶样品。在此阶 段会有不断的修模及试模，为达到最佳的p e t 瓶样品性能； e ) 定额测算及成本核算 通过批量试制，测算生产效率、原料消耗及废品率等定额， 计算原料成本及工资成本得到合理的制品成本，如果未能达到设计要求或者用户要求，则 返回初步设计，修改设计； f ) 编写技术文件并归档编写相关技术文件，如生产流程、工艺操作规程、产品技 术标准、安全操作规程、试用报告、产品性能的测试报告以及产品的设计说明书等。 2 3 2p e t 瓶的设计要点 p e t 瓶的设计不单单是瓶体的设计，还包括后期制作时候的模具设计，相应的工艺设 计，因此是一个非常复杂的过程。首先，p e t 瓶的设计是根据实际包装要求进行设计的。 在设计时，要考虑充分发挥p e t 材料的优越性能，在满足使用要求的条件下，修改p e t 瓶模型，尽可能使得p e t 瓶的美化，其次是成型p e t 瓶的吹塑模具和注塑模具设计与制 造。主要考虑以下儿个因素； a ) p e t 瓶是否能够满足包装要求； b ) 所设计的p e t 瓶生产工艺是否最具效益； c ) 模具的结构能否采用以前生产的，是否有现有的生产设备和材料； d ) 模具结构能否再改进或者再优化。 2 3 3p e t 瓶的结构设计 p e t 瓶设训2 2 2 5 ，2 7 1 的主要内容包括p e t 瓶的容积、外形、垂直载荷强度、刚度、壁厚、 底部( 支承面) 、边缘及转角( 圆角) 、口部、螺纹、嵌件、脱模斜度、表面印刷等。 a ) 容积容积是p e t 瓶设计最基本的指标。一般情况下，企业都是先确定容积，再 决定整体的设计。按照国际海上危险货物运输规则对货物运输包装用语的说明，容积 有两个含义：l 、实际容积，指容器的内容量。即使容器在水平放置时，盛装水的最大容 量。2 、标称容量，也成为公称容量，是容器预计盛装液体的体积。除另有说明外，使用 “容积 一词，系指标称容积( 公称容积) 。 公称容积= 实际容积x9 5 设计容积= 公称容积x ( 1 0 5 - 1 1 0 ) 1 1 浙江理工大学硕士学位论文 b ) 整体外形p e t 瓶的外形设计会影响到后期吹塑模具的设计与制造。p e t 瓶的 几何设计除了考虑其实用性外，还应注意美术造型、装饰图案、纹路、增强p e t 瓶的直观 美。为了增加p e t 瓶的局部负荷强度、刚度、变形性等，就需要在某些部位特别设计嵌件。 p e t 瓶外形设计及其附属的嵌件设计将会影响到整个p e t 瓶的应用性能，因此设计者应该 对p e t 瓶的外形整体进行综合分析研究，得到一个最佳方案。 ( 1 ) 圆形p e t 瓶从理论上分析，p e t 瓶一般应是圆形。这种造型，可用少量的材 料，吹制出最大的p e t 瓶容量；而且生产效率高，成型方便，不易出现不合格产品。因此 广泛应用于p e t 瓶的外形设计，约占所有形状的7 0 以上。圆形p e t 瓶的优点是：模具 制作方便，瓶坯壁厚均匀，生产效率高，制品刚性好。而圆形p e t 瓶的缺点是运输或盛装 在包装箱内有效面积的利用率仅有7 5 左右，从而需要更大的包装箱或者较大的运输空间。 ( 2 ) 方形p e t 瓶常见的方形p e t 瓶有长方形和正方形两种。这类形状的p e t 瓶 的优点是包装的有效面积利用率大，运输、包装方便、支承面大，堆放稳固。其缺点是扁 平或四面的强度不如圆形的承受力大，刚性差，易向外膨胀，瓶坯设计要求严格，壁厚偏 差大，边角初的壁厚小于其他部位。也是一种用途较广的形状。 ( 3 ) 椭圆形p e t 瓶这种形状的p e t 瓶是针对圆形和方形制品的缺点进行改进的。 它综合了它们的优点，在强度和刚度、变形性等力学性能方面都较好；外观造型好，开发 应用颇多，这类p e t 瓶一般用于日化用品的包装。 p e t 瓶的外形没计原则是不要设计极端脱离瓶坯形状或者偏离瓶坯中心的制品，不要 设计成棱角形。因为这都会造成p e t 瓶的薄壁，质量下降，导致极度变形等不良现象。 为了更加具体的区分三种形状的p e t 瓶的区别，将三种形状的各自优缺点列于表2 2 中。 表2 2p e t 瓶外形的优缺点比较 浙江理工大学硕士学位论文 曲瓶口及瓶- 1 螺纹p e t 瓶瓶口具有如下作用：吹胀瓶坯时，压缩空气的进气口或 排气口；p e t 瓶灌装时的进口；还是主要的密封部位。为使p e t 瓶口部能更好地与盖及密 封器配合，瓶口部分有螺纹、非螺纹等结构设计。p e t 瓶的瓶口一般采用梯形或圆形截面， 因为一般金属制件式的螺纹及细牙螺纹难以成型。在企业中一般采用注拉吹方法吹制p e t 瓶，而瓶口及其螺纹部分都是往注塑瓶坯模具内成型，因此p e t 瓶的设计者应该了解相应 的注塑模具设计，而且瓶口尺寸及瓶口螺纹尺寸的精度。 d ) 瓶颈与瓶肩p e t 瓶的瓶颈与瓶肩是承受瓶体垂直负荷强度的关键部位。作为一 个瓶体，必须能够承受几个不同方向的垂直载荷，如承受加料嘴和压盖机构的垂直压力， 同时瓶体还要支撑外包装的压缩强度。如图2 5 所示，瓶颈与瓶肩在垂直负荷下易变形， 其变形的大小与瓶肩倾斜角( c 1 ) 、瓶肩长度( l ) 或瓶肩高度( h ) 有关。合理的瓶肩倾 斜角可使瓶口所受乖直负荷部分地分担到直立的瓶身上。瓶肩的弧度曲率半径不同，垂直 方向上的压缩强度是不一样的。其压缩强度随弧线曲率半斤的增大而增加，如图2 6 所示。 加，良好结构倒不良结构 图2 5 瓶肩结构图 弱 图2 6 不同瓶肩弧线的抗压性能比较 强 浙江理工大学硕+ 学位论文 e ) 瓶底( 支承而) p e t 瓶瓶底部分很少采用整个平面作为制品的支承面，并要尽 量减少支承面。对r 瓶类制品来说，一般采用环形支承面，并设计成内凹陷形，如图2 7 所示。瓶身与瓶底n ，j 交接处应设计成以大曲率半径进行过渡，这样的设计可以减少局部应 力集中，提高瓶底的耐应力丌裂和耐冲击性，从而减少p e t 瓶受压和跌落时的凹陷和破裂 现象。目前针对不i i i j 种的瓶形，有不同的瓶底，如包装碳酸饮料的p e t 瓶一般采用爪形瓶。 由于碳酸饮料使用的p e t 瓶底部需要承受较大的压力和较好的稳定性。 图2 7 内凹底的容器底部 f ) 壁厚擘厚的设计不在p e t 瓶的外观设计范围里面，但是也是需要设计人员考虑 的，因为壁厚影响着后期的加工制作，以及整个p e t 瓶的成本。在考虑设计壁厚时，应注 意一下几个问题： ( 1 )对于p e t 瓶，增加其瓶身厚度，可提高其耐冲击强度和刚度；但是这样就会 导致单个p e t 瓶的成本上升。对于已有初步设计方案的p e t 瓶，当其形状处于最小表面 积时，容器壁厚具有为最大。 ( 2 )改变p e t 瓶表面的形状，如加一下环向或者径向加强环，这样可以有效的提 高p e t 平的刚度和弯曲性，也可以消除p e t 瓶在长期使用下的偏移、下垂或变形的现象。 ( 3 )为了使p e t 瓶的壁厚分布均匀，容器的外形，应有完美的对称性，尽量减少 计算拉伸的点及部位。 2 4p e t 瓶成型工艺 在2 0 世纪8 0 年代，随着塑料成型技术的发展，注射吹塑成型技术在塑料制品制造 领域得到了发展。昕目前在企业，一般也采用注拉吹技术生产高质量的p e t 瓶。 2 4 1p e t 瓶注拉吹成型工艺过程 由于p e t 瓶采用注拉吹成型方法，因此在成型过程中需要两套模具：一套注射模具和 一套吹塑模具，汴射模具主要用于p e t 瓶坯成型，而吹塑模具是用于p e t 瓶的吹制成型。 p e t 瓶的成刑过程基本可以分为三个阶段【2 2 2 5 ，2 7 】：第一阶段，是由注塑机将熔融的p e t 材料注入注射模具内成型p e t 瓶坯；第二阶段，开模后将瓶坯转移至吹塑模内，并调节 p e t 瓶坯温度，使p e t 瓶坯达到拉伸的加工温度；第三阶段，对瓶坯进行拉伸吹胀，冷却 1 4 浙江理r 大学硕士学位论文 后得到p e t 瓶。j i f 小过程如图2 8 所示。 。一。一l 一 jb 注塑得到瓶坯过程；( b ) 饮料赢拉伸吹塑过程 图2 8 注射拉伸吹塑成型的工艺流程 生产p e t 瓶m ：j _ 2 常用的方法是用常规的往复式螺杆注塑机。在第一阶段，注塑机通过 喷嘴将熔融状态下的p e t 注入到一腔或多腔带有芯棒的模具中生产p e t 瓶坯。其中p e t 材料由传统的注舅 j 成，丝方法塑化，精确计量p e t 材料注入到每一个型腔中。p e t 的瓶坯外 形很像试管，并行州 部形成螺纹，该螺纹即为瓶子的最终螺纹，因此注射成型的p e t 瓶口 及螺纹都是很接近成品的公差。第阶段，在这个阶段，主要是针对p e t 瓶坯的一个调温 加工，使得p e t 瓶坏处于最佳的拉伸吹塑状态，为下一阶段的拉伸吹塑成型做准备。第三 阶段，主要是p e t ： c 的吹制成型。但是仍需要安排一道工序，用于实现制品的顶出，可用 脱模板、吹气、脱模板和吹气结合、机械手等来实现。而在整个过程中，有些注拉吹生产 过程会把中问瓶坏颅加热及拉伸吹制成型放在同一道工序内完成。 p e t 瓶坯质量决定产品质量，p e t 瓶坯生产中的加工参数有注射速度、注射压力、保 压压力、瓶坯温度、瓶坯冷却时间和各种因素的均衡状态等。整个操作周期主要由注塑成 型p e t 瓶坯的时1 1 i j 决定【2 引，典型的p e t 瓶注拉吹成型循环时间举例如图2 9 所示。 n节o n鲁m一 浙江理t 大学硕士学位论文 图2 9 典型p e t 瓶注拉吹成型循环周期 注拉吹成犁的p e t 瓶与其他成型方法制造的瓶子，有以下几个优点：同批量生产的 p e t 瓶之间同一性好，无熔接痕，边角余料少，材料损耗少，无需进行二次加工或修整； 制品的质量精确度高，可控制( - 0 2 0 2 ) g ；制品的尺寸精度高，薄厚均匀，瓶颈或瓶的 尺寸偏差，可控制在( o 3 0 3 ) m m ；制品的尺寸和质量有较好的重复性，可供生产流水 线进行自动装配或罐装作业；制品在吹塑成型时，有一定的双轴取向作用，使p e t 瓶的透 明度或力学性能提高。 当然，p e t 瓶l 勺注拉吹成型方法也存在如下缺点：机械设备费用高；生产