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PET瓶應(yīng)力開裂解決途徑
 
來源:中華包裝瓶網(wǎng)    編輯:zynljh    發(fā)表時間:2009/5/15 22:44:03 在線投稿
 
 

包裝材料是聚酯,聚酯在飲料包裝中的地位無疑舉足輕重。在這些包裝產(chǎn)品中,對質(zhì)量要求最高的是碳酸飲料(如可口可樂和百事可樂)的包裝瓶,其中的一個指標是瓶子的耐應(yīng)力開裂性能,對其深入研究有較大理論和應(yīng)用價值   
    碳酸飲料聚酯包裝瓶的生產(chǎn)通常采用兩步法,典型的生產(chǎn)設(shè)備為加拿大的 HUSKEY注塑機配法國的SIDEL吹瓶機。   
    首先是制坯:PET切片在160℃左右干燥5~6h后,通過螺桿熔融注塑制得瓶坯,螺桿溫度285~290℃,模具有冷卻水冷卻,水溫8~10℃,冷卻時間約3.5s。瓶胚放置24h后,可進行吹塑制瓶。  吹瓶:瓶坯加熱至110℃左右,經(jīng)拉伸吹脹后成瓶,模具同樣有冷卻水冷卻,底部水溫11℃。  碳酸飲料聚酯包裝瓶通常有500ml, 600ml,1.25ml,2L等幾種不同的容量,瓶底的形狀相當復(fù)雜,通常為花瓣型,其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)成為制品的應(yīng)力集中點,開裂的位置都發(fā)生在此處,成為質(zhì)量控制的關(guān)鍵點。
    一、 碳酸飲料聚酯包裝瓶對耐應(yīng)力開裂性能的要求及檢測方法  碳酸飲料瓶耐應(yīng)力開裂性能檢測試驗在可口可樂公司被稱為QSCRT(Quick Stress Crack Resistance Test),過程如下:  在瓶中加入相應(yīng)量的檸檬酸(C6H8O7·H2O)和碳酸氫鈉 (NaHCO3),加滿水,蓋好瓶蓋,搖勻,使檸檬酸和碳酸氫鈉充分反應(yīng),所生成的二氧化碳體積相當于瓶內(nèi)容積的4.3倍。接著,將上述瓶子置于濃度為0.2% (質(zhì)量百分數(shù))的NaOH溶液中(溶液溫度為24℃), NaOH溶液浸沒瓶子底部。45min后,受測試的10個樣品都不能漏氣,允許裂紋,換句話說,若10個樣品中的任何一個在45min內(nèi)漏氣,則此試驗為不合格。破裂的位置發(fā)生在瓶底注塑點附近。  新吹制的瓶子應(yīng)力試驗的時間要求大于45min,瓶子隨存放時間延長,漏氣時間縮短,至1個月后應(yīng)力試驗的時間要求大于20min。
    二、 應(yīng)力開裂的機理  高聚物斷裂的微觀過程可歸結(jié)為以下三種情況:(a)化學(xué)鍵破壞;(b)分子間滑脫;(c)范德華力或氫鍵破壞。通過對這三種破壞情況的斷裂強度理論分析表明:由于實際高分子鏈的長度是有限的,同時分子鏈也總會或多或少存在著未取向的部分,因此高聚物正常破壞時,首先將發(fā)生在未取向部分的氫鍵或范德華力的破壞,隨后應(yīng)力集中到取向的主鏈上,盡管共價鍵的強度比分子間作用力大10~20 倍,但是由于直接承受外力的取向主鏈數(shù)目少,最終還是會有化學(xué)鍵的斷裂。  應(yīng)力產(chǎn)生的一個主要原因是在成型過程中,由于制件表里冷卻速度不同,表面物料接觸溫度較低的模壁,迅速冷卻固化成一層硬殼,而內(nèi)部物料還處于熔融狀態(tài),隨著它的冷卻收縮,使得制件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。環(huán)境因素引起的應(yīng)力分布通常是不規(guī)則排列的,它時常直接發(fā)展為環(huán)境應(yīng)力開裂。  根據(jù)環(huán)境因素的不同,環(huán)境應(yīng)力開裂包括:溶劑裂紋、非溶劑裂紋(包括醇、潤濕劑等表面活性物質(zhì))、熱應(yīng)力開裂、氧化應(yīng)力開裂等。其中溶劑和非溶劑引起的應(yīng)力開裂的試驗,已經(jīng)成為研究高聚物內(nèi)應(yīng)力和耐開裂性能的重要方法,如碳酸飲料瓶耐應(yīng)力開裂性能檢測試驗(QSCRT)就是基于此原理。
    三、 碳酸飲料聚酯包裝瓶應(yīng)力開裂的影響因素和解決方法  碳酸飲料聚酯包裝瓶應(yīng)力開裂的影響因素相當復(fù)雜,作者在多年的生產(chǎn)、開發(fā)、售后服務(wù)的實踐中總結(jié)了聚酯原料質(zhì)量和制瓶工藝兩方面的影響因素和相應(yīng)的控制方法,為解決此技術(shù)難題提出了思路,具有極強的針對性和實用價值,按下面所列的影響因素,再結(jié)合實際情況(如不同的原料、機型、瓶型甚至天氣等)做出不同的工藝優(yōu)化,我們在用戶的使用過程中給予指導(dǎo),取得了滿意的效果。1.聚酯質(zhì)量控制(1)控制聚酯結(jié)晶速度  (a) 通過共聚改性:存在諸多技術(shù)訣竅。通過選擇適當?shù)墓簿劢M分和加入量可減慢聚酯的結(jié)晶速度。我們在實踐中采用間酸類和醇類共聚組分均取得了明顯的效果。  (b) 通過物理改性:使用無機添加劑,改善聚酯的后加工性能。存在諸多技術(shù)訣竅。  (c) 瓶底各位置的結(jié)晶度是控制點,與原料配方有關(guān)。(2)清潔生產(chǎn),提高聚酯的純度  (a) 使用更精細的過濾。  (b) 引入在線氣密性檢測。  (c) 對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行修改,減少死角。  (d) 控制聚酯中小分子的含量。  (e) 控制其它雜質(zhì)。(3) 粘度控制  (a) 以0.86~0.88dg/l為合適。   (b) 粘度波動應(yīng)小于0.005dg/l。  (c) 選用中等至寬的分子量分布值。  (d) 控制固相縮聚的幅度。(4)瓶子收縮率  瓶子收縮率大的其抗應(yīng)力開裂性能變差,這與原料配方的設(shè)計有關(guān)。(5)控制二甘醇(DEG)含量  二甘醇直接影響聚酯熔體的流動性能。中心值控制在1.0%~1.2%。 2.注塑工藝調(diào)整(1)螺桿溫度  根據(jù)熔點、 DEG含量和共聚組分的加入量調(diào)整螺桿溫度。(2)瓶坯克重  通過調(diào)整注塑工藝實現(xiàn)對瓶坯克重的控制,減少0.2g的坯重,對應(yīng)力有顯著改善。根據(jù)克重調(diào)整瓶坯溫度分布。(3)瓶坯結(jié)晶度   (a) 瓶坯結(jié)晶度要盡量低。  (b) 如瓶坯結(jié)晶度高,吹瓶時應(yīng)相應(yīng)提高瓶坯加熱溫度。  (c) 確保瓶坯的正確冷卻和原料的正確干燥。3.吹塑工藝調(diào)整(1)拉伸速度  (a) 選擇合適的拉伸速率確保拉伸終點正確,如出現(xiàn)瓶底注點偏離中心位置或瓶身發(fā)白,則需重新設(shè)定拉伸速率。  (b) 運用聚酯的應(yīng)力——應(yīng)變曲線。(2)拉伸溫度  (a) 瓶坯加熱溫度選擇在聚酯的玻璃化溫度(Tg)以上25~30℃內(nèi),因粘度、水分、共聚組分和克重等而異。  (b) 粘度越高,拉伸溫度越高。  (c) 水分越高,拉伸溫度越低。  (d) 共聚組分越高,拉伸溫度越低。  (e) 瓶坯溫度分布隨克重改變。4.解決應(yīng)力開裂難題的工藝條件優(yōu)化實例  下面(表1-5)是我們在國產(chǎn)機器上(震德CJ120型注塑機,配達億隆CP22型吹瓶機)按上述思路進行工藝優(yōu)化的例子,幾種瓶型的瓶子(包括500ml,1.25l,2l,這里只列出前兩種)經(jīng)測試(QSCRT)全部合格(新瓶的QSCRT時間超過60min)。在噴嘴的加熱開度均為60%的條件下,500ml和1250ml碳酸飲料聚酯包裝瓶生產(chǎn)過程中1,2,3,4段的料筒溫度分別為275,280, 280,275℃;6,7,8,9,10段吹瓶溫度控制參數(shù)(電壓)均為0。  
    聚酯的內(nèi)在特性是影響制品耐應(yīng)力開裂性能的基本因素,如結(jié)晶性能、特性粘度和分子量分布等。選擇合適的注塑和吹塑工藝條件對提高聚酯瓶的耐應(yīng)力開裂性能至關(guān)重要,本文所總結(jié)的耐應(yīng)力開裂性能的影響因素和控制方法在實踐中取得了滿意的效果,有實際應(yīng)用價值和參考意義。

 
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