吹塑PET成型工艺简述

2016-12-03

       近年来，PET吹塑瓶以其质轻（占同等玻璃瓶的1／10）、强度高、透明、无毒等优点被大量用于饮料包装，特别是碳酸性饮料的包装（如可乐等）更是异军突起。
一般对于热灌装瓶来讲，从瓶坯生产到灌装饮料期间，摆放时间建议：瓶子储存期：>1L两周内使用，<1L三周内使用；但近来越来越多的厂商使用了轻量瓶并连线生产，即吹即灌，瓶子贮存期在6小时内。
PET吹塑瓶成型工艺
近年来，PET吹塑瓶以其质轻（占同等玻璃瓶的1／10）、强度高、透明、无毒等优点被大量用于饮料包装，特别是碳酸性饮料的包装（如可乐等）更是异军突起。另外，由于捆装的玻璃啤酒瓶屡次出现爆炸伤人事故，国外已有意转向PET瓶包装，因此PET吹塑瓶市场前景广阔。
PET吹塑瓶的生产按型坯的预成型不同，可分为注射拉伸吹塑（简称注拉吹）和挤出拉伸吹塑（简称挤拉吹）两种成型方法。
注拉吹的工艺过程为，先注射有底瓶坯，冷却后由输送带连续送至加热炉（红外线或电加热）经加热至拉伸温度，而后纳入吹塑模内借助拉伸棒进行轴向拉伸，最后经吹胀吹制成型。以下是对预成型瓶坯经过再加热、拉伸吹塑成型的工艺影响因素进行了探讨。
1、设备
目前国内使用的多为德、法等国制造的、国际上较先进的二步吹塑机，该种设备自动化程度高、产量大、废次品率低、工艺易控制，每台设备可装4-40个模具，多的可达60个以上，每小时产量约几千个，有的可达六万个。这类设备一般由供坯系统、加热系统、主机、控制系统和辅机五大部分组成，其中较重要的是主机，全电脑控制，包括主机启闭、烘箱灯管启闭和成型工艺的调整等。
2、影晌因素
工艺中的影响因素有：瓶坯及其加热，预吹（位置、压力和流量），拉伸杆，高压吹（压力、位置），以及模具等。
2.1 瓶坯
瓶坯又称为型坯，是PET粒料经注射成型的，它要求回收料比例不能超过10％，回收次数不能超过两次。注塑成型后的瓶坯或加热后再用的瓶坯必须冷却48h以上，而且使用的瓶坯存放时间不能超过6个月，不同生产日期，特别是间隔过长的瓶坯不能混用，主要原因是瓶坯所用原料型号、混入的二次料比例和瓶坯内残余应力不同所致，而这些因素对吹瓶的成型工艺都有重大影响，应根据实际情况具体对待。
2.2 加热
瓶坯的加热由加热炉来完成，由人工设定，自动调节。加热炉的高度在25mm左右为宜，离输送轮19.6mm左右。瓶坯在输送轮上连续运转通过整个烘箱，这样瓶坯受热较为均匀，能更好地成型，克服了以前瓶坯静止加热、人工转动而受热不匀的缺点。但是加热炉如调整不当，会造成吹制的瓶子壁厚上下分布不匀（如上轻下重）、瓶口变大超标、硬颈等制品缺陷，甚至造成机械部件的扭力故障。
瓶坯加热温度一般设定为85-120℃，无色瓶坯要高一些，带色瓶坯则要低些。温度设定太高或太低都会造成制品缺陷，如拉破、白雾等。各个区域的温度可根据制品成型情况具体调整，同时要考虑烘箱灯管开启情况。另外，烘箱输出功率的设定对瓶坯的加热也有很大影响，它控制着整个烘箱热量的输出。当长期不开机，再次开机时，初始输出功率应相应设定高一些，正常生产过程中再逐步降低到正常状态，输出功率一般为80％左右为宜，特别是环境温度在5℃以下时，效果更为显着。
吹瓶生产工艺与生产环境温度也有一定关系，环境温度一般以室温（22℃左右）为宜。如温度太高，则制品易出现凝点结块；温度太低，机器启动时产品性能不稳定，具体操作要根据实际情况和经验来调节。
2.3 预吹
预吹在吹制过程中的作用是使瓶坯初具形状，同时由拉伸棒纵向拉伸增大其纵向强度。整个过程是预吹凸轮在吹瓶过程中把三通阀推到预吹位置，并由单向阀配合完成。预吹位置、压力和流量都能影响瓶子的质量。
（1）位置 预吹位置提前，会出现瓶子底部中心点偏斜、变薄，脚部壁厚不匀且发白，上重下轻，硬颈，甚至底部穿透等缺陷；预吹位置错后，则会出现上轻下重、中心点变厚、凹陷等缺陷。
（2）气流量 预吹气流量由单向阀控制，一般开3-4圈为宜。气流量大，底部重，中心点薄、偏，脚部发白，壁厚不匀；气流量小，中心点变厚，分段件重超标。
（3）压力 预吹气压力在0.8-1MPa为宜。压力高时，可能造成上重下轻，中心点偏斜，脚部壁厚不匀，发白等；压力低时，不能充分拉伸，底部重，中心点厚。
瓶子脚部、中心点的成型情况对瓶子质量影响最大，调整不当常引起爆瓶（正常实验条件下）、渗漏等致命缺陷。
2.4 拉伸杆
拉伸杆是在预吹的同时在预吹气配合下把加热后的瓶坯拉伸的装置，它在高压吹后、排气前复位。拉伸杆必须在吹瓶过程中能上下垂直平稳移动，驱动压力为0.55-0.8MPa，与底模的间隙为2.3-2.5mm，也即瓶坯厚度1／3-1／2。间隙过大，会造成瓶底中心点偏移；间隙过小，中心点变薄。
2.5 高压吹
高压吹的作用是使熔料充分伸展，紧贴模具壁，使瓶子充分成型，同时进行
三、 生产过程中影响耐热PET瓶品质的几种主要因素
1. 瓶坯：特性粘度≥0.81cm3/g，粘度降≤4%，存放时间不能超过3个月。色泽纯洁、透明、无杂质、无异色、注点长度及周围晕斑合适。
2. 加热：在烘箱中由远红外灯管发出远红外线对瓶坯辐射加热，由烘箱底部风机进行热循环，使烘箱内温度均匀。瓶坯在烘箱中向前运动的同时自转，使瓶坯壁受热均匀。烘箱的热量由灯管开启数量、整体温度而设定，烘箱功率及各段加热比共同控制。
3. 预吹：拉伸杆下降的同时开始预吹气，使瓶坯初具形状。预吹位置、预吹压力、吹气流量是三个重要工艺因素。
4. 模具温度：模具的温度控制在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. 环境：室温、低温（空调）状态下为佳。
四、耐热PET瓶子在生产工艺中出现的一般质量问题产生的原因及解决方法
瓶颈歪斜
1. 油路堵塞 疏通模身油路
2. 拉伸杆排气孔堵塞 疏通拉伸杆吹气孔
3. 喷嘴密封圈损坏 更换喷嘴密封圈
中心点偏
1. 预吹气压力太高 降低预吹气压力
2. 预吹流量太大 减小预吹气流量
3. 预吹气位置太早 推迟预吹气位置
4. 拉伸杆弯曲 更换拉伸杆
5. 拉伸杆离底模间隙太大 调整拉伸杆间隙
6. 瓶坯温度太高 降低瓶坯设定温度
瓶子底部变形
1. 底模油温太高 降低热油机油温
2. 底模吹气阀损坏 更换底模吹气阀
3. 瓶坯底部温度太高 降低瓶坯底部温度
瓶底部褶皱
1. 预吹气压力太小 增大预吹气压力
2. 预吹气流量太小 增大预吹气流量
3. 预吹气太迟 提早预吹气
硬颈
1. 颈部加热不足 增加颈部加热量
2. 预吹气压力太大 减小预吹气压力
3. 预吹气流量太大 减小预吹气流量
4. 预吹气太早 延迟预吹气
5. 加热炉位置太高 调整加热炉位置
6. 拉伸杆速度慢 检修拉伸气缸
合模线成形不良
1. 模具补偿密封圈损坏 更换补偿密封圈
2. 模具间隙调整不当 调整好模具间隙
灌前侧壁变形
1. 冷却吹气时间太短 延长冷却吹气时间
2. 模身温度太高 降低模身温度
3. 拉伸杆中无冷却气吹出 检修拉伸杆吹气系统
灌后侧壁变形
1. 模身温度太低 提高模身热油温度
2. 瓶坯设定温度太低 提高瓶坯设定温度
3. 冷却吹气时间太长 减少冷却吹气时间
4. 塑料分布不匀 调整吹瓶工艺使料分布均匀
5. 热油流量太小 疏通油路及清洗油路过滤网
收缩率大
1. 模具温度低 提高模具温度
2. 瓶坯温度低 提高瓶坯设定温度
3. 冷却吹气时间太长 缩短冷却吹气时间
4. 油路堵塞 疏通油路
直径偏大或偏小
1. 冷却吹气时间设定不当 调整冷却吹气时间
2. 塑料分布不均匀 调整工艺使料分布均匀
五、PET瓶在热灌装线使用过程的常见问题及其解决方法
1. 储存和运输条件及瓶子的储存期。
由于PET具有吸湿性能，因此将PET（包括切片、瓶坯和瓶子）摆放在空气中，它就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它的性能。对于热灌装瓶子，会影响到热灌装瓶子的耐热温度。水分含量越多，瓶子的耐热温度就越低。
一般对于热灌装瓶来讲，从瓶坯生产到灌装饮料期间，摆放时间建议：瓶子储存期：>1L两周内使用，<1L三周内使用；但近来越来越多的厂商使用了轻量瓶并连线生产，即吹即灌，瓶子贮存期在6小时内。即吹即灌的瓶子可灌装95℃的热液，吹后存放超过24小时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），都会影响到热灌装瓶子的技术指标，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。高湿度含量常常导致立即反应，结果分子链断裂、降解，分子量降低（也就是IV降低）。PET的机械性能与特性粘度IV有关，IV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高达90%以上，在高湿度环境下，PET会吸湿并达到最大的饱和湿度。
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%时，其特性粘度为0.73，含水量为0.02%时其特性粘度变为0.63。在180℃时由于干燥时间减少3/4小时，特性粘度下降0.10。
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，对于最大初始水分含量0.3%的原料，水分下降至0.14%；干燥4小时可获得0.004%的水分含量，这是瓶坯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。
2. 耐热性能不良。
◆ 热灌装瓶是这样实现耐热的：
（1） 用特别的模具设计来抵受瓶内负压：
① 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。
② 瓶子设计，用颈、腰（凹环）来防止瓶子变成椭圆形。
③ 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）。
（2） 用热油机高温油提高模温（模具温度在120℃～145℃），用来消除瓶坯拉伸产生的内应力，提高瓶身塑料结晶度，以抵受高温热液，使瓶子不变形。
◆ 改善瓶子耐热性能的措施：
① 选择合理的瓶坯与瓶子设计。最优化的瓶坯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；
② 瓶坯注射冷却时间控制。严格控制瓶坯注射冷却时间，让瓶坯尽早脱模。这样即可缩短成型周期并提高产量，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极小（仅0.3mm～0.7mm），并不影响透明度；
③ 严格控制注射和拉坯-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。
④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：
瓶身热油循环。将吹瓶模加热至120℃～145℃。这样，瓶坯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并有充足时间来提高瓶身结晶度，达到35%左右，但又不破坏透明度。100℃以下的模温对瓶身结晶度的影响极小，因为瓶身结晶发生在100℃以上。
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。
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0.2mm以内，螺纹外径收缩率低于0.6%。
⑤ 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，但从拉坯杆头部小孔经拉坯杆内排气。循环吹气时间约为0.5秒～2秒。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。
3. 容量波动较大。
双轴拉伸PET瓶具有一定的收缩率，最大收缩率约为2%左右，影响PET瓶容量的因素主要有以下几个方面：
（1） 模具的影响
PET瓶的容量主要受模具尺寸和形状影响。每一种瓶型模具尺寸通常是固定不变的。不同形状的瓶子在设计其收缩率时会有所不同，瓶身上加强筋越少、瓶厚度越薄则瓶的收缩率越大。
（2） 环境因素的影响
环境温度和湿度对瓶子的容量影响较大，环境温度越高，湿度越大则瓶的容量收缩越大。
（3） 生产工艺的影响
形状复杂的瓶子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；模具温度偏高也会造成容量偏小。
（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应设计成可调形式（加减垫片）。以1.5LPET瓶为例，刚生产的瓶子平均容量为1508ml左右，室温下存放3天后，瓶容量会减少5ml～6ml；随着瓶存放时间延长瓶子容量还会缩小并难以控制。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。
（5） 灌装方式的影响
不同的灌装方式，对容量控制的影响也有较大差别。定量灌装方式对容量影响最小，自重式灌装对容量影响最大，对1.5LPET瓶，最多可能差别20 ml～25ml。
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，最重要的是应尽可能缩短瓶子的储存时间。