PET瓶的成型法.docx
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PET瓶的成型法
PET瓶的成型法
一,前言
PET制瓶技术于约30年前由杜邦公司开发出双轴延伸制法后.开始迅速成长.在欧洲的使用量从1987年的23万公吨到1992年的55万公吨及2000年
的90万公吨.全世界使用量从1993年的240万吨至2000年的500万吨.
每年平均以10%的速度在增长.
双轴延伸PET瓶具有以下特征;
1,透明性及光泽性能良好,具有现代感.
2,重量比玻璃瓶或直接吹塑PVC瓶轻得多.
3,透气性差,对二氧化碳,氧等的气体阻隔性能良好.
4,食品卫生性优良
5,几乎可耐所有的有机溶剂.
因此,PET广泛的被使用在矿泉水瓶,汽水,软性饮料,及食用油瓶,化妆品,调味品,清洁剂等瓶子.且每年皆持续成长.
PET材料的回收率也是每年都有大幅度的增长.回收处理后的原料用途很广,可再作成瓶子,地毯,打包带,纤维填充物等.对环保而言,是理想的塑料容器.
二,PET材料的特性
（meltphase）融态是初期PET制造过程的聚合物,大约平均有80~100脂单元链接在一起.此融态的PET被押出并切成颗粒,它的I.V.（intrinsicviscosity）值约0.6可直接抽成丝,就成为纺织用的聚脂丝.固态聚合（solidstatepolymerization）,是将初期聚合的PET粒再加热到200∘C以上,但低于熔点,充入氮气循环或抽真空,以取出乙二醇,而产生聚合反应.在固态聚合过程中可使PET的分子量增加.分子量的高低与聚合的时间及温度有关,时间愈长分子量较高,温度高可缩短聚合时间.一般吹瓶用的I.V.值约在0.72~0.80之间,热充填瓶子要求较高,约在0.83左右.
一般用在容器的PET原料需要注意以下的特性;1,分子量（I.V.）2,二甘醇量（diethyleneglycol,DEG）3,乙醛含量（acetaldehye）4,羧基（carboxylendgroups）5,结晶度,6,熔点,7,玻璃转移点,8,共聚合物百分比（copolymercontent）.
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三,PET材料的结晶现象
PET是结晶性材料,结晶状态下为乳白色,为了产品的美观性,容器类产品通常完成品都要求在非结晶状态,以达到美观的透明产品.
图1,PET的结晶现象
四,PET的成型方法
PET用在瓶子的加工方法有两种;
1,一步法:
（又称一段式）（如图2所示）
瓶胚射出与延伸吹气在同一台机器上进行.瓶胚在射出侧完成并冷却至玻璃转移点附近,尚保持在热弹性状态时,转移至延伸吹气装置侧进行延伸吹气.
2,二步法:
（又称二段式）
瓶胚在射出机上生产成型.冷却至室温后,再移至另一台延伸吹气设备上进行加热,延伸,吹气成型.
一步法一般用在产量较小的场合,（2,000.支/hr.）适合小量多样的生产厂商.一台生产一种产品.（一步法的设备换模具难度较高）
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二步法适合用在单一产品产量大的场合,（10,000.支/hr.）.且因瓶胚射出与吹气成型是分开进行,所以可分别调整最合适的参数,不会受两边时间一致性的限制.
图2:
一段式PET瓶生产流程图
图3:
二段式的吹瓶过程图
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图4:
一步法与二步法的热履历图
图5:
一步法与二步法的加工程序
五,PET材料的干燥
PET材料吸湿性较强,且会与水产生水解作用,使聚合度下降.是成型不良的原因之一,所以在成型之前,须经充分的干燥.要得到良好的瓶胚,材料要干燥到含水率0.01%以下,最好达到0.005%.
一般的热风式干燥机无法达到以上的标准,因为空气中的含水率高,无法经由短短的加热过程就把水分除掉,所以需使用除湿式干燥设备.
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除湿式干燥机是先用除湿装置先将空气干燥至露点–30∘C~-40∘C.然后将干燥后的热风送至干燥料斗,进行原料干燥.
一般PET原料的干燥温度在150~160∘C,干燥时间3~4小时
图6:
PET的干燥条件与含水率图
图7:
PET在保温状态的吸水率变化
PET材料的吸湿性强,在已经干燥的情况下,也可能在数分钟内吸水0.005%以
上,所以为防止干燥后的塑料再度吸湿,必须在130∘C以上保温,以防止再度受潮.
干燥四要件:
1,温度2,时间3,风量4,空气露点
六,瓶胚成型
瓶胚的质量对延伸瓶的质量影响很大,因此有效率的制造质量良好的瓶胚是很重要的,所谓良好的瓶胚包含以下几点:
1,分子量下降少,以保持延伸瓶的机械强度.
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图8:
放置时间与吸水率的关系
2,乙醛含量低,以防止容器的内容物味道下降.
3,高度透明不可白化,以获得清澈透明的瓶子.
4,不可凹陷,尺寸精度要高.
5,内部应力要尽量均匀.
6,成型周期短,以降低成本.
以下的因素与获得符合以上条件的良好瓶胚有关:
1,射出成形机.
2,模具（结构,热流道,模穴数,料门阀）
3,瓶胚设计.
4,射出成型参数.
5,取出装置
以下就各个影响因素说明:
1,射出成型机
射出成型机的设计会影响瓶胚的乙醛含量,透明度,生产速度,模具寿命,
及生产安定性.
在注塑机上,塑料的溶化需要热量,而热量来源一是来自于料筒的加热,二是来自于螺杆与材料磨擦产生的剪切热,螺杆剪切力越大瞬间产生的剪切热就越大.
剪切热太大会破坏分子,分解出乙醛.更严重的话,会使部分材料过热而变黄,
影响透明度.所以PET螺杆要设计成低剪切率,也就是说要低压缩比,一般设计在2.2:
1.且螺杆转速不可太快,因转速越快,摩擦产生的剪切热也越大.
生产速度取决于注塑机能力及产品冷却能力（模具及冰水机）,注塑机方面主要取决于预塑速度,另外利用高速射胶,后把胶口关闭进行保压及冷却,可提前进行预塑,也可达到缩短周期的目的.
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机器的锁模平稳度及锁模力大小会影响模具寿命,一般饮料瓶胚因投影面积较小,所需的锁模力也较小,（一般每穴约5吨）但因瓶胚模具大部分是多数取,模具外型尺寸较大,要用较大型的机器,相对锁模力就较大,所以理想的PET瓶胚
成型要用专用机.
影响瓶胚质量的因素
质量项目
原料
成型参数
设备
产生乙醛
聚合法,触媒,分子量,颜料.
料管温度,滞留时间,背压,螺杆转速
注塑机,模具,热流道,
雾度
分子量,DEG含量
料管温度,滞留时间,射出压力,模温,冷却时间
热流道,模具表面含水率.
分子量下降
含水率,触媒
料管温度,滞留时间
螺杆,喷嘴,模具
凹陷
分子量
料管温度,滞留时间,保压压力
热流道
生产速度
分子量,DEG含量
料管温度,滞留时间,预塑速度,模温,冷却时间
模胚设计,注塑机,模具,机械手等辅机.
2,模具
瓶胚模具的设计要根据模穴数来考虑热流道与浇口阀的形状,否则会因热分解而产生乙醛,烧焦,或因射出时的流动产生结晶而白化.通常PET成型要使用热流道模具,要制造优良质量的瓶胚,须注意以下重点:
a,热流道加热容量要够,隔热设计要好,以保持热流道,喷嘴,与分流道于高温
b,浇口（料门）温度控制要准确,以防止白化及拉丝.
C,热流道的组装嵌合部位,及阀件插销的折动部,要有防止泄漏的对策,因为
PET的融熔粘度很低,容易泄漏.
D,要有分流道的设计,以防止原料的滞留而老化.
E,浇口（料门）设计要精密,才容易进行延伸吹气.
瓶胚模具为满足上述要求,其设计及制作的技术要求很高,通常除热流道模具外,不易获得质量稳定的瓶胚.一般设计目前大概有隔热开放喷嘴式,弹簧式阀浇口,空油压式阀浇口等.
图9;弹簧式阀浇口
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图10;开放式浇口
图11:
空油压控制式阀浇口
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3,瓶胚的设计
瓶胚的设计对成型周期的影响最大,瓶胚的厚度越大,冷却时间越长.（冷却时间与瓶胚厚度的平方成正比）此外瓶胚设计也决定延伸倍率,这对延伸后的瓶子机械强度会有很大的影响,并且对延伸吹气成型也有一定程度的影响.
瓶胚设计与瓶的物性
A
B
C
重量（g）
30.5
30.5
28
瓶胚壁厚（mm）
3.43
3.61
3.94
延伸比
圆周方向
4.61
4.25
4.24
轴方向
1.54
1.79
2.05
面积倍率
7.1
7.6
9.06
瓶的容积（cc.）
500
500
500
瓶的强度（10³psi）
圆周方向
18~21
18~21
27~28
轴方向
9~11
11~13
15~18
图12:
瓶胚外型
4,射出成型参数
成型参数对乙醛的产生,透明性,分子量下降,凹陷,及成型周期等均有影响,
一般成型上要注意的大概以下几点:
a,料筒温度,螺杆速度,背压,及成型周期如配合得好的话,可以获得完全融熔均匀的塑脂,提高透明度.若射进模胚里的原料混有未熔融部分,则瓶胚雾度会提高,甚至会有白点.但若温度过高,滞留时间太长,则胶料会分解,使分子量大幅下降,透明性变劣,并产生乙醛.
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图13:
温度与雾度的关系图14:
温度与成品IV.值的关系
图15:
成型温度与乙醛含量的关系
根据行业的标准,原料的乙醛含量为1~2ppm.小瓶胚为4~6ppm.大瓶胚为6~8ppm.吹瓶后（瓶子）:
个别值:
0.5ppm平均值:
0.3ppm
PET的熔点高达250˚c以上,故成型温度较高,若保压不足,会产生凹陷,空孔等异常,瓶胚壁越厚尤其容易发生.
一般瓶胚壁厚约在2mm~4mm,成型收缩率:
内径:
0.002~0.004
外径:
0.003~0.007长度:
0.003~0.005
料门白化:
有时候虽然瓶胚本体部分完全透明,但料门（浇口）或其周围也可能发生白化,称为料门白化,此现象的发生是因为中心部位结晶而产生白化,因为PET很容易结晶,在射胶时受到流动配向应力而产生结晶现象.要避免此现象要降低射出压力（含保压）,提高射出速度,增加料门直径,以降低残流应力.
另外,模具在料门的设计制作也会影响料门白化,隔热不良会因冷却慢而产生结晶,冷却水路设计不良也会产生此现象.
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图16:
料门白化现象图17:
料门白化与料门直径的关系
瓶胚的内外径同心度会影响延伸吹气的质量,偏心会造成吹瓶时的偏心吹气.
造成偏心的原因一是模具的精密度,二是注塑时所造成的.射出速度太慢及过度的挤压,会造成瓶胚的偏心.
5,取出装置
取出装置会影响到瓶胚的外观,及成型周期.
当瓶胚成型后,用自动顶出的方式让瓶胚自由落下,在落下的过程中,胚与胚会互相碰撞而产生受伤,从而影响吹瓶后的外观.
PET的Tg点为80~85˚C,瓶胚未冷却至TG点以下就脱模,容易产生热变形,且瓶胚会粘在一起,并发生擦伤.
目前瓶胚的生产越来越注重循环周期,因为生产成本竞争较讲究.为了缩短周期,可利用机械手于高温取出,并进行模外冷却,以缩短成型周期.
一般瓶胚生产所需的冷却时间如下:
（包含保压时间）
厚度mm
2.5
2.8
3.0
3.2
3.5
3.8
4.0
4.5
5.0
时间（sec.）
10
12.5
14
16
18
21.5
24
30
36
以上时间以冷却至TG点以下为基础
七,适合瓶胚生产的注塑机
1,锁模力
一般饮料瓶胚,因投影面积不大,射出压力也不高,所需的锁模力也就不高
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一穴瓶胚所需的锁模力约只要5吨.且锁模力太大会损坏模具.但因瓶胚模具大多为多模穴设计,所以模具外型尺寸都较大,因此需要较大的容模空间.
2,顶出力
PET原料为结晶性材料,收缩率较大,且瓶胚模腔较深,材料冷却收缩后,抱紧力量较大,所以需要较大的脱模力,一般每穴要一吨的脱模力.同时,顶出行程也需较长,以符和瓶胚的长度.顶出速度也要快,否则瓶胚不容易脱出,会再被拉回而卡住.（瓶胚模具多数为强制拉回式设计,要注意接合机构设计,以方便使用者架模）
3,注塑（射胶）
PET瓶胚要求射出速度在中等,在非结晶状态保压压力太低会引起凹陷,一般保压压力合适范围在300~600kg/cm2左右.压缩残料在10mm左右.
太高的保压压力会因内应力太高而产生结晶白化.
为了避免射胶过程产生太大的剪切热,喷嘴内孔宜大.（10mm~20mm）
4,储料（预塑）
为了避免预塑过程产生太大的剪切热,螺杆转速不可太高,（线速度500mm/sec.以下）螺杆压缩比不要太大,（约2.2）.为了得到完全均匀的熔态,L/D比要求高,（23~26）.或是在螺杆计量段加上低剪切的混料设计.
PET的粘度较高,需要较大的螺杆扭力,所以储料液压马达比一般料要加大.
另外为了缩短预塑时间,不适合提高螺杆转速,要从加大螺杆直径及螺杆设计方式着手.（加热功率要求也较大）
5,其他
A,配合阀胶口控制的气阀,要注意口径及开闭控制的程序.
B,为缩短周期而改变的设计,如液压喷嘴,电动预塑,复合动作,机械手接口等.
C,为配合模具除湿机的选用,防护板金须配合更改.
D,所有食品用容器生产设备,要考虑防止产品受污染.
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附件
1,干燥机的选择:
每小时使用原料量（kg）x干燥时间（hr）÷0.8=干燥机容量
上式中的0.8为宽放余量
PET原料所需干燥时间=4~5小时
2,除湿式干燥机的选择;一般除湿式干燥机都以干燥风量作为机型编号
单位是（m3/hr）PET原料干燥时每公斤每小时需要3~5（m3）的干燥风量.干燥风量越大塑料的干燥度越均匀,
干燥风量太小靠近干燥料筒外围的原料会干燥不足
所以;干燥机干燥风量（m3/hr）÷（3~5）=PET每小时干燥量（kg/hr）（注）:
一般国内配的除湿机容量都太小,（约取2~3）不容易生产出高质量瓶胚
3,冰水机的选择:
冰水机是一部热交换器,它的大小取决于需要热交换标的物的热量大小
例如空调器,空间越大则空调器就要越大.
高温的熔融塑料注射到模腔里,要冷却到玻璃转换点（TG点）以下才能取出.
从接近料筒温度降到TG点以下温度,这其中要有很多热量被带走,而这些要
被带走的热量多少,冰水机的容量就要多大.参考以下公式计算
Q=〔Mx（Cpx△T+L）+WxKx860〕x（1+α）
Q:
产生的热量单位为（kcal/hr.）
M:
单位时间注塑量单位为（kg/hr.）
Cp:
塑料的比热单位为（kcal/kg.℃）
ΔT:
塑料流入模具时和从模具取出之间的温差（℃）
L:
所用塑脂的潜热（热传导）（kcal/kg）
W:
模具内加热器的总功率（KW）
K:
加热器通电时间系数（通常取0.3~0.5）
α:
安全系数（通常取α=0.4）
4,模具所需冷却水量
q=Q/（60x2）
q:
水量（L/min）
Q:
模具所需冷却的热量（Kcal/hr.）
60:
1h=60min.
2:
模具冷却水进出口温差（℃）（一般温差设定在1.0~3.0之间）
案例参考:
有一套16穴瓶胚模具,为600cc水胚模,每穴重量为20g,生产周期
为20秒,请问干燥料筒,除湿干燥机,,冰水机要如何搭配.
1,干燥料筒:
每小时原料使用量=3600秒÷20秒x16穴x20g=57600g≒60kg/小时
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干燥料筒容量=60kg/hr.x（4~5）=240kg~300kg（选用300kg料筒）
2,除湿干燥机:
干燥风量需求=每小时用料量60kgx（3~5）=180~300（m3）
由此查出信易公司的规格为SD200H或SD300H
晏邦公司的规格为DHM-1或DHM-2
3,冰水机:
Q=〔Mx（Cpx△T+L）+WxKx860〕x（1+α）
M=60kg/hr.Cp=0.36Kcal/kg℃ΔT=250–60=190℃
L=48（kcal/kg）W,K等暂时不计算则;
Q=60x（0.36x190+48+3.6x0.4x860）x（1+0.4）
=113803.2（Kcal/hr.）
由冰水机规格表查出该配冰水机为:
4,冷却水水量:
q=Q/（60x2）
=113803÷120=984（l/min.）
5,水的流速控制在紊流范围,下表仅供参考
应避开的水流速范围（不要在表中的流速及流量以下）
孔径
ψ8
ψ10
ψ12
ψ16
流速
流量
Cm/sec.
L/min.
Cm/sec.
L/min.
Cm/sec.
L/min.
Cm/sec.
L/min.
水
20℃
126.3
3.81
101.0
4.76
84.2
5.71
63.2
7.63
温
40℃
82.2
2.48
65.8
3.10
54.8
3.72
41.1
4.96
60℃
59.6
1.80
47.7
2.25
39.8
2.70
29.8
3.59
以上数据以雷诺数在10000~20000之间为依据
Re=d×v×（0.02t平方+5.92t+153.23）
式中:
t=水温d=孔径v=流速
注:
Re=（孔径d×流速v×比重ρ÷粘度μ）
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