一步法注射拉伸吹塑PET瓶的工艺理论分析与实践

1、一步法注射拉伸吹塑pet瓶的工艺理论分析与实践邵金荣杭州娃哈哈集团公司 摘要；分析了一步法注射拉伸吹塑pet瓶生产中影响瓶子质量的主要工艺理论，进一步总结介绍这些工艺理论在实践中的应用。关键词：pet一步法注射拉伸吹塑 饮料包装 本世纪塑料包装领域最重要的成果之一，是pet瓶制瓶技术的工业化。美国杜邦公司（du pont）于1973年首推pet双轴取向制瓶技术以来，pet瓶因其良好的阻渗性（阻co2、o2及水蒸气渗透性能）、卓越的机械强度与耐冲击性以及无与伦比的透明度与光泽度等一系列优点，迅速代替了大部分的饮料包装用瓶，并逐渐渗透到酒类、油品及化学制剂等多种行业，在工业领域得到广泛应用。本文着

2、重分析一步法pet瓶注射拉伸吹塑的工艺理论，并结合本人在该领域的工作经验，阐述工艺实现过程的实践经验。1工艺理论分析 以下将从pet的材料特性入手，分析影响瓶子质量的工艺因素，并提出理想的工艺条件。11 特性粘度iv（intrinsic viscosity） iv是指根据astm规定的测试方式d2857测定的pet材料特性粘度指标，单位为dl/gr。iv越高，pet吹胀过程中晶粒取向程度越高，晶粒致密且排序规则，因此使pet瓶有更好的机械性能与透明度。此外，pet瓶的阻渗性也随着iv值的升高而有所提高。 因此，为避免饮料在长途运输过程中瓶子破损，我们推荐尽量选用高iv的pet材料来保证瓶子的机

3、械性能。对于碳酸饮料，使用高iv的pet材料还可提高瓶子的阻渗性，进而延长碳酸饮料的储存时间。尤其是对于小容积（800ml以下）碳酸饮料瓶，iv的提高对瓶子机械性能及阻渗性的改善更为明显（大容积瓶往往有较大的拉伸比，更利于结晶取向而强化瓶体；其容量与表面积比值也更高，阻渗性易得到保证）。 通常，非含气饮料瓶使用的pet材料iv值为，含气饮料瓶所需pet材料iv值则在以上。 除pet造粒过程的工艺因素外，pet加工过程中会导致iv下降的主要因素有： （1）pet材料干燥不足，湿度高于50ppm； （2）过高的干燥温度（超过180）或过长的干燥时间（超过6小时）； （3）过高的熔体温度及过长的高温

4、停留时间。 瓶子加工工艺过程中，上述可能引起pet材料iv值下降的因素必须避免。12 结晶速率与温度的关系 pet为一种可结晶的聚合物，可通过控制结晶温度与冷却速度等条件，有效地控制其结晶状态。pet的结晶速度与温度的关系如图1所示。 v：结晶速率t：温度 t1/2：结晶度50所需的时间（min） 由图1可见，pet在稍高于玻璃化温度（软化点，85）或稍低于熔点温度（255）时，结晶速率很小，所需结晶时间很长；而在175左右的温度条件下，结晶时间要短得多。 此外，pet的结晶速率还随iv值的提高而降低。加热结晶的缓慢过程会形成晶粒粗大的球晶，这不但会因光线折射使瓶体发白而影响外观，而且还会大幅

5、度地提高瓶体的脆性，使瓶体严重丧失机械性能。因此，成形工艺中应坚决杜绝缓慢结晶，取而代之高速的取向结晶。13 取向结晶 取向可使pet分子有序排列，促进结晶。取向过程所形成的晶体称为应变诱导晶体，其晶粒细小，不会折射光线，因而瓶体可获良好的透明度。结晶度越高，其应变诱导晶体的晶粒就越小，瓶体机械性能及透明度也就越好。取向还可明显地提高pet瓶的阻渗性。 影响结晶度的因素主要包括拉伸比（）及拉伸应变速率（），其关系如图2所示。：结晶度（）：拉伸比：拉伸应变速率 由图2可知，要获得高透明度及良好机械性能，提高瓶体拉伸比和拉伸应变速率是最基本也是最重要的手段。为获得较高的拉伸比，瓶胚设计必须保证有一

6、定的壁厚（碳酸饮料瓶瓶胚壁厚必须在以上）。拉伸应变速率的提高则可通过拉胚系统的运动曲线调整及提高吹制用压缩空气压力来实现（碳酸饮料瓶吹制压力不低于a）。14 乙醛（aa）含量 pet材料在被加热过程中会产生乙醛。室温下（高于20），乙醛是一种挥发性的气体，即使含量很低也会影响饮料的味道。 生产实践中矿泉水瓶的乙醛含量不可超过4ppm，碳酸饮料瓶的乙醛含量不可超过9ppm。 瓶体中的乙醛在以下两个过程中产生： （1）pet粒子所含乙醛。进货时应将pet粒子乙醛含量严格控制在 以下； （2）pet瓶胚注射过程：塑化螺杆、机筒、分配阀及热流道、注嘴及模具 热流道等环节中。 瓶胚注塑过程中乙醛产生的主

7、要因素包括pet熔体温度及注射时间，其关系如图3所示。 aa：乙醛含量（ppm） tb：pet熔体温度（） 由图3可见，熔体温度的增加会明显地提高pet瓶胚的乙醛含量。实验表明，熔体温度低于265时瓶胚乙醛含量与时间呈线性关系，高于265时呈指数关系。 因pet熔料在注射机筒及注射器内停留时间最长，因而注射机筒及注射器的温度对乙醛含量的影响更为突出。因此，降低机筒及注射器温度（通常不允许超过285），提高注射速度可有效减少乙醛的产生。因pet熔料在分配阀、热流道及注嘴等处停留时间较短，上述部位的温度对乙醛含量的影响也较小。 此外，因塑化螺杆转速过高时产生的剪切热会提高熔体温度，进而也会导致乙醛

8、的增加。尤其在机筒温度较低时，由于熔体粘度较高，塑化螺杆旋转产生剪切热的趋向更大，对瓶子乙醛含量增加的影响也更为明显。储料背压及注射压力的提高都会提高熔体温度，因此，在保证pet塑化均匀的前提下，要尽可能降低螺杆转速及塑化背压，并在稳定注射过程的前提下，尽可能降低注射压力。通常做法是在注射的初始阶段以高压注射（稳定注射并节省时间），此后即转为低压注射直至保压并结束。2成形工艺实践 结合上述pet加工工艺理论分析，下面将阐述总结pet成形实践中的要点及经验。21 pet材料的干燥及预热 pet是吸湿性聚合物，加工pet时，其所含的水分会在水降解过程中与pet熔体发生水解反应。水解反应导致的后果有

9、： （1）pet的iv降低，进而严重影响瓶子的机械性能； （2）产生粗大晶粒而导致瓶子发白，透明度下降。 因此，为减轻pet干燥工序的负担，pet应储存在干燥、通风良好的仓库中。pet加工前应严格干燥，使其剩余水分小于50ppm。 pet干燥必须采用除湿干燥系统进行干燥。除湿干燥系统工作流程如下： （1）干燥热空气从料斗底部进入原料中，自下而上吸收原料所含湿气并对 pet料进行预热； （2）出自料斗上部的湿空气经冷却（降至65以下）、过滤后进入去湿床； （3）湿空气在去湿床中被除湿； （4）出自去湿床的干燥空气经加热后再次返回料斗，如此循环。 去湿床是由合成结晶金属硅酸铝构成的分子筛，这些晶体

10、在制造过程中已除去湿气。去湿床的主要特性是被加热时可释放湿气，被冷却时可吸收湿气直至湿度饱和。湿度已饱和的去湿床可在随后的加热过程中逐渐释放湿气，此过程称为去湿床的再生（regeneration）。因此，为实现干燥系统的连续工作，系统设有两个去湿床（再生床及工作床）交替工作。 理想的pet干燥条件为： （1）干燥温度：165175。过高的干燥温度易引起iv的降低，而干 燥温度过低则会导致干燥不足； （2）干燥空气露点：4050。干燥露点将直接影响pet干燥效 果； （3）干燥时间：4hr5hr。 此外，170左右的干燥时间过长会明显地降低iv值。因此，停机维护时，干燥温度应降至120左右。22

11、 瓶胚的注塑 瓶胚注塑主要需考虑以下几个方面：221解决瓶胚透明度与乙醛含量这对矛盾。 由于pet中晶体是促进球晶生长（导致瓶胚因粗晶而发白）极好的成核剂，即使晶体量很小，也会加速结晶。因此，注塑成形瓶胚前要使结晶性的乳白色pet粒子充分熔融，破坏结晶。pet熔融以以下两种途径实现： （1）机筒加热； （2）塑化螺杆对pet粒子的剪切及由此而产生的剪切热。 适当提高机筒温度即pet熔体温度可有效改善瓶胚透明度，并在机筒温度280（对应熔体温度290）时达到最佳。因此，为避免因机筒温度过高而过多地产生乙醛，机筒温度不可超过285。 同时，提高注射压力（注射速度）时，熔体通过注嘴时会产生较高的剪切

12、热，明显地提高熔体温度。这样就可使得在较低机筒温度的情况下获得理想的瓶胚透明度，而且因熔体穿过注嘴的时间极短，不至于由此而产生大量的乙醛。 注射保压压力过高会降低瓶胚的透明度而对乙醛含量无影响。因此，保压压力应设置得尽可能低。222 热流道系统因素 热流道因素主要应考虑以下两点：（1）热流道平衡。为确保熔体以相同的流率、压力及时间均匀地充满各型腔， 各注嘴对应的热流道长度应相等；（2）为避免熔体充模时注嘴因与瓶胚注塑模具紧贴所致温度下降而影响瓶胚底 部的透明性，务必在注嘴与模具之间加隔热元件（normax绝热纸或vespel 绝热环）。223 瓶胚在注塑模具中的冷却 由于pet的结晶速率很小，

13、透明熔体被注入瓶胚模具后，务必进行快速冷却，迅速通过结晶温度区（见图1），方可保证瓶胚透明度。如果冷却速度缓慢（瓶胚缓慢结晶），将丧失其透明度。 因此，瓶胚注塑模具必须具有极高的冷却能力，冷却用水的温度（1014）及压力（aa）也务必得到保证。这对缩短成形周期，提高生产效率也是十分有利的。23 瓶胚调温 一步法注射拉伸吹塑瓶胚脱模时温度为105110，使利用余热吹塑成为可能（瓶胚吹塑的最低温度要求为85）。而且温度沿瓶胚壁厚方向呈对称分布，见图4。 t：瓶胚温度 因瓶胚外壁冷却速度较内壁更快，因而当瓶胚被传递至吹塑工位时，瓶胚内壁温度要比外壁的高些，对拉伸吹塑十分有利（瓶胚内壁的周向拉伸比要比

14、外壁大，要求内壁温度高于外壁温度）。因此，一步法注射拉伸吹塑的调温工艺较为简单。 针对不同的瓶胚颈部设计方式，有的一步法工艺仅对瓶颈局部加热，便于颈部材料的充分转移，获得更大的拉伸比。24 拉伸吹塑 拉伸吹塑的工艺控制主要包括以下几个方面：241 拉伸比 拉伸比的增加直接改善了pet瓶的机械性能和阻渗性。碳酸饮料瓶的总拉伸比应在10以上（其中周向拉伸比取46，轴向拉伸比取2）。适当增加瓶胚壁厚（瓶胚重量不变）是增加总拉伸比的有效方法，但同时也会延长瓶胚注塑过程的冷却时间而降低生产效率并影响瓶胚透明度。242 取向温度（吹塑时的瓶胚温度） 瓶胚取向温度过低时会明显提高拉伸应力而导致瓶子应力发白现

15、象，取向温度过高则会使瓶子出现结晶雾状。经验表明，最理想的取向温度为95。 此外，高的取向温度下吹制的瓶子灌装热水后体积收缩率要小得多，有利于提高瓶子的耐热性能。243拉伸吹塑过程瓶胚的拉伸吹塑过程包含以下步骤：（1） 拉伸。吹塑模合模，拉胚杆将瓶胚拉长至瓶胚底部刚好与底模接触（2） 初吹。低压气（以下）吹入瓶胚并将瓶胚吹胀至80变形量。初吹过早或气量过大将易造成瓶底偏心（拉伸杆动作未到位）或瓶壁过早与吹塑模具型腔接触而迅速冷却，丧失进一步吹胀所需的塑性而导致瓶子吹破。初吹过晚将导致瓶胚冷却过度而丧失吹胀塑性，也会吹破瓶子。（3） 二次吹。a以上的高压气快速将瓶子完全吹胀至所需的形状，完成总拉

16、伸比的所有变形。（4） 保压。瓶子被完全吹胀后，瓶壁冷却过程中仍维持有a以上高压气，确保瓶子定形，减少瓶子收缩率。（5） 减压排气。于吹塑模打开前将瓶子内的压缩空气排出，确保开模安全。综上所述，一步法注射拉伸吹塑pet瓶的成形工艺是一个较为复杂的系统，存在着许多需我们克服或综合优化的矛盾。随着pet材质性能的不断改善和注射拉伸吹塑设备的不断发展以及环保技术的突破，pet的加工性能将大大改观，pet瓶的诸多优点也将越来越能在饮料包装领域得到推广应用。作者简介：邵金荣，1990年毕业于西安交通大学，现在杭州娃哈哈集团公司从事注塑/吹塑类设备技术服务工作。地 址：杭州市秋涛北路1281号杭州娃哈哈集团公司 设备工程部邮政编码：310016电 话： 05716911181390传 真： 06716912072the process analysis and practiceof one-stage injection-stretch-blowing pet bottlesshao jinrong(hangzhou wahaha group co.ltd)abstractanalysi