PET瓶在热灌装饮料中的应用

作者：厦门华腾饮料有限公司 郑仁德

欢迎访问e展厅 展厅 4 饮料机械展厅 灌装机, 饮料生产线, 真空脱气罐, 矿泉水设备, 饮料混合机, ... Use of PET Bottles for Hot-Filled Drinks 作者对PET瓶的生产工艺流程、热灌装PET的吹瓶方法、PET瓶的质量问题以及在生产使用过程中影响PET瓶热灌装的因素及其解决方法等问题，提出了自己的看法，可供企业在PET瓶热灌装生产中参考。 The causations of quality for the PET bottles and control on them are described from the production technology flow for PET bottles and the produce method /process/influencing factors for hot-filled PET bottles.The factors influencing the packaging quality of products and control on them are studied from the use of PET bottles in hot-filled. Thereby, a skill data of using for reference content are providing for the use of PET bottles for hot-filled drinks. 由于PET瓶的安全性和经济性较好，在果汁饮料及茶饮料成为饮料主流产品的今天得到了广泛的应用。 一、 热灌装工艺对PET瓶的特殊品质要求 1. 瓶子的耐热性能要好。要克服热液（高温）对瓶子外形的影响：高温使瓶子变软、高温和热的液体使瓶内产生高压。高温下（85℃～90℃）容积收缩率控制在1%～1.5%之间较好。 2. 瓶子要有耐受负压的性能。要克服液体冷却后瓶内产生负压；瓶壁内缩（变扁、负压收缩时瓶子侧壁变形，呈椭圆等现象）。 二、 热灌装PET瓶的吹瓶方法 1. 一步法： 生产出的瓶坯经结晶炉对瓶口结晶后，直接用高温模具吹瓶成形。 优点：产量高，便于大规模生产。缺点：耐高温性能较差，随时间的延长耐高温性能明显下降，存放时间不能太长。 2. 二步法： 生产出的瓶坯经结晶炉对瓶口结晶后，用二套模具完成热灌装的吹瓶成形。先用第一套较大容积的模具(低温模)，对瓶坯进行拉伸吹瓶成超大容积的瓶子；再把瓶子送入加热炉进行热处理(消除因拉伸产生的内应力)；热处理好后送入热模(最终所需容积大小的模具)，对瓶子进一步热处理(提高瓶身结晶度)、定形，最终吹成所需形状和大小的瓶子。优点：瓶子耐高温性能较好，存放时间长。缺点：产量低不适应大规模生产。 ◆ 吹瓶过程的步骤： （1) 先由供坯系统对瓶坯进行整理后输送到瓶坯加热炉。 （2) 瓶坯加热炉在对瓶坯加热的同时，在瓶坯自转使其均匀受热的同时，对瓶口进行冷却，再由炉子风机对瓶坯吹风，使瓶坯的内、外壁受热均匀。 （3) 由输坯机械手把加热好的瓶坯输入吹瓶工位。 （4) 瓶坯进入吹瓶模具后，预吹气进入对瓶坯进行环向拉伸；当拉伸杆到达模具底部时（十位），高压气进入模腔对瓶坯进一步拉伸，使瓶壁紧贴模壁。 （5) 高压气在模具内保持一定时间，一方面消除因瓶坯拉伸而产生的内应力。另一方面使瓶壁紧贴模壁以提高瓶身塑料的结晶度。 （6) 高压吹气结束后开始排气，同时从中空拉伸杆中吹出高压冷却气对瓶壁进行冷却定形。在脱模的同时从底模吹出低压气以便脱模，如底模中无气吹出，则会造成瓶底凸出及瓶子取不出等问题。 （7) 整个吹瓶过程结束，输瓶机械手把瓶子从模具中取出，送入输瓶风送流水线。 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期。(end)

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