PET瓶吹塑设备及加工工艺和出现问题的解决办法


PET瓶吹塑设备及加工工艺和出现问题的解决办法

颜料之家(yanliaozhijia.com)注:PET瓶吹塑设备及加工工艺和出现问题的解决办法

吹塑瓶可分为两类,一类是有压瓶,如充装碳酸饮料的瓶;另一类为无压瓶,如充装水、茶、油等的瓶。茶饮料瓶是掺混了聚萘二甲酸乙二酯(PEN)的改性瓶或与热塑性聚芳酯的复合瓶,在分类上属热瓶,可耐热80℃以上;水瓶则属冷瓶,对耐热性无要求。在成型工艺上热瓶与冷瓶相似。笔者主要讨论冷瓶中的有压饮料瓶成型工艺
1 设备
随着科技的不断进步和生产的规模化,吹瓶机自动化程度越来越高,生产效率也越来越高。设备生产能力不断提高,由从前的每小时生产几千个瓶发展到现在每小时生产几万个瓶。操作也由过去的手动按钮式发展为现在的全电脑控制,大大降低了工艺操作上的难度,增加了工艺的稳定性。
目前,注拉吹设备的生产厂家主要有法国的SIDEL公司、德国的KRONES公司等。虽然生产厂家不同,但其设备原理相似,一般均包括供坯系统、加热系统、吹瓶系统、控制系统和辅机五大部分。
2 吹塑工艺
瓶吹塑工艺流程。 影响瓶吹塑工艺的重要因素有瓶坯、加热、预吹、模具及环境等。
2.1 瓶坯
制备吹塑瓶时,首先将切片注射成型为瓶坯,它要求二次回收料比例不能过高(5%以下),回收次数不能超过两次,而且分子量及粘度不能过低(分子量31000-50000,特性粘度0.78-0.85cm3/g)。注塑成型的瓶坯需存放48h以上方能使用。加热后没用完的瓶坯,必须再存放48h以上方能重新加热使用。瓶坯的存放时间不能超过六个月。
瓶坯的优劣很大程度上取决于材料的优劣,应选择易吹胀、易定型的材料,并制定合理的瓶坯成型工艺。实验表明,同样粘度的PET材料成型的瓶坯,进口的原料要比国产料易吹塑成型;而同一批次的瓶坯,生产日期不同,吹塑工艺也可能有较大差别。瓶坯的优劣决定了吹塑工艺的难易,对瓶坯的要求是纯洁、透明、无杂质、无异色、注点长度及周围晕斑合适。
2.2 加热瓶坯的加热由加热烘箱来完成,其温度由人工设定,自动调节。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。
灯管的布置在烘箱中自上而下一般呈区字形,两头多,中间少。烘箱的热量由灯管开启数量、整体温度设定、烘箱功率及各段加热比共同控制。灯管的开启要结合预吹瓶进行调整。
要使烘箱更好地发挥作用,其高度、冷却板等的调整很重要,若调整不当,吹塑时易出现胀瓶口(瓶口变大)、硬头颈(颈部料拉不开)等缺陷。

PET注坯及吹瓶工艺要点

PET在饮料包装领域的应用推动了饮料包装业的高速发展。与此同时,饮料包装业的发展也为PET的应用提供了发展空间。严格控制PET注坯及吹瓶工艺是保证PET瓶的外观与其经济性的关键。

PET的特性

PET是乙二醇和对苯二甲酸缩合的产物,是饱和的热塑性聚合物。PET分子有线性和半结晶状态。

生产PET最简单的过程,就是对苯二甲酸与乙二醇反应形成单体(酯化),然后缩聚成长链聚合物PET。聚合度随温度和压力而变化。

PET与很多塑料一样,加工过程中有三态变化,即玻璃态、高弹态、粘流态。其中涉及到三个温度转变:玻璃化温度Tg、结晶温度Tc、熔点Tf。

从无定型玻璃态到橡胶态的转变叫玻璃化转变,它表示长链段开始运动。外部加热可以增加分子(链节)自由度,在玻璃态凝固的分子现在可以移动了。玻璃态转变依赖于PET的形态。当特性粘度(IV)高时结晶较明显,分子链的自由度受到限制,同时Tg较高。

随着温度的升高逐步产生局部球晶,导致局部分子链因分子间力而重排,即结晶。对PET而言,最大结晶度约55%,该极限是由芳香环重排缓慢造成的,所以说该芳香环妨碍晶区的形成。

如果T<Tc,PET的粘度妨碍链段向有序运动(不许结晶);T>Tc,热作用妨碍无定形区的形成(趋向结晶)。

熔点Tf即所有晶体解体时的温度。

PET干燥

水解

固体PET极易从空气中吸湿。储存时,PET会吸湿直至与环境条件饱和。饱和值可高达0.6%重量份。通常,PET在供应商处发货时,其含水率低于0.1%重量份。为了获得最好的产品性能,有必要把含水率降低到0.004%,最好熔化前是30ppm。

树脂中若含有水分,即使很低也会引起一系列的反应:

当温度高于PET熔点(约250℃)时,水会很快地引起聚合物降解(由于水的降解导致化学链被切断),这样就会降低分子量,降低表观粘度及相关的物理性能。事实上,水解在较低的温度下(如150℃)就开始发生,但是速度较低,其速度随温度升高而升高。在干燥和成型条件下,IV的降低不能大于0.02dl/g。粘度太大的下降,会导致结晶速度增加,对瓶坯的透明度不利,并导致瓶子的机械性能下降,承载强度和冲击强度下降。

热降解

温度对干燥PET的影响很复杂,它不仅影响水气的扩散速度,还对干燥时的化学过程有影响,所以最终会影响树脂的性能。考虑潜在的水解和热过程是非常必要的,如前所述,伴着IV的下降,水解的速度在150℃以上时加快,因为热转变过程比扩散过程快,干燥时温度过早提高是不利的。

同样,即使大部分水气可以抽走,但是过高的温度(如高过180℃)将导致热降解和热氧化(在空气干燥系统中),这样,聚合物链断裂,还释放出副产品物质,导致物理性能下降。

副产品中有AA成份,物理性能的改变会在瓶坯上表现出来,如雾状结晶、IV的下降、产品发黄等。

PET干燥机的干燥原理和基本性能

在带干燥剂床的干燥器中,空气先被吸收湿气的干燥剂吸湿,一个热空气鼓风机将干燥的热空气压至斗中。回风又通过干燥剂干燥循环,被加热后,干燥剂释放出水气,冷却后又吸收湿气。所以,必须将两条分离的气路最小化,并有干燥剂存在。PET瓶吹塑设备及加工工艺和出现问题的解决办法
PET干燥机系统简图

在该闭环系统中,干燥机组件要用密封管连接至料斗。主料斗圆柱形的长径比约2:1,必须绝热,保证能量。干的热空气流过充压的料斗和分流芯(分流芯是保护料道和空气流道的), 料斗的顶部关闭,有一根回风管通到干燥机的组件,在环路上的过滤器保证干燥剂不被污染。鼓风机将空气鼓至干燥剂床,在那里干燥,直接进入加热筒,最后进入料斗。同时,一只独立的风机和加热器对干燥剂进行再生。

当再生后的干燥剂冷却下来后,又被切换到干燥系统中去干燥空气流。

常见问题

有效的操作系统应该是干燥条件容易达到、故障最少,但下述区域必须控制:

1、空气过滤器

例行的过滤器清洁是必须的。过滤器保护干燥剂床不受灰尘污染。要十分小心,不要损伤过滤器,否则,干燥剂床的效率将受到影响,导致干燥器的效率下降。

2、冷水器故障

如果阻塞或机械不灵,冷水机失效,将限制干燥剂的再生能力,导致高露点,不干燥。

3、加热器失效

空气加热器失效将导致:不能达到正确的干燥温度或不能达到正确的干燥剂再生温度。

4、周围空气的进入

较干燥空气而言,周围空气很潮湿。如果让周围空气进入干燥器或切片处理系统,将影响露点和干燥效率。所以,如果干燥器的组件被拆下修理,必须小心地安装,有合适的密封圈,并检测是否泄漏。

5、干燥机的工艺控制

必须仔细控制两个关键参数:空气干燥温度和空气干燥露点。温度和露点检查必须有规律地进行。

可靠干燥过程中的关键条件

1. 正确的干燥温度:切片温度必须达到170~180℃,理想的是在干燥器出口处测量175℃。

2. 正确的除湿温度:不能超过190~200℃,在干燥器入口处测量。

3. 正确的除湿空气露点:露点不能高于-30℃,最好是低于-40℃,在干燥器出口处测量。

4. 合适的除湿空气流速:大部分干燥器的能力是约1立方英尺/小时/磅切片,这是最低需要。很明显,气流必须是在正确的温度和露点下。

5. 切片滞留时间(干燥时间):PET的绝对滞留时间推荐不小于4小时,最好是6~8小时。这是通过理论计算出来的。

6.特别注意:要遵守干燥器制造商的操作说明。

干燥机的计划维护

每日检查:

·干燥空气的露点控制器;
·合适干燥温度的检查;
·检查后冷却器前后的回风温度;
·检查料斗里的料位,即加载操作;
·清洁回风过滤器,其它过滤器。

每周检查:

·检查气流的露点;
·检查再生空气温度;
·清洁后冷却器的过滤器,确保有合适的水流到达冷却器;
·检查是否有泄漏;
·更换旧管、破损管。

注意:干燥是最重要的工艺步骤,不按正确标准满足工艺要求就不能解决以后过程中的问题。

成功干燥PET的关键是:

仔细留心,良好的维护,遵守干燥器制造商和树脂供应商的建议。

PET瓶坯的成型

瓶坯成型过程中,最好的条件是以尽可能低的温度、尽可能短的时间,快速均匀并完全熔融,最大限度保持IV少下降,尽可能少产生AA,尽可能透明。与之相关的工艺条件有:

温度

成型温度是指料筒、热流道的温度。成型过程中的热量只有30%是来自外部加热,70%是来自于内摩擦热,所以除了合适的加热外,还要用好剪切热。

注射和保压

注射是为克服流道中的阻力,将熔料填充到模具中。对瓶坯来说,最好有三段速度和压力,依次递减。

注射速度太慢,剪切不够,充满前就冷却了,造成产品不饱满或欠注;太快,模腔内排气不及,导致充不满,缩水,AA高。

保压有两个重要作用:防止熔料倒流和确保在压力下冷却(提高冷却效果)。太高会造成充填过量及胀模等,内应力会较高,还可能结晶。太低会造成缩水,瓶坯变形(冷却不够),浇口问题如针孔,气泡等,因为浇口处冷却速率下降。保压时间也要合适,太短也会造成针孔,拉丝等。

释压

释压是为了降低热流道内的压力,防止浇口堵塞,针阀动作不灵活等。但太过则会造成缩水、拉丝、针孔等。

背压

背压是在油马达带动螺杆旋转过程中液压系统通过螺杆施加给熔料的捏合力。作用:加强PET的塑化,消除气泡。刚开机时可以调到0,等瓶坯出齐后慢慢往上加,加到瓶坯中无气泡或疤点时的背压是合适的背压。过高剪切作用就太强,会出现成型不良、堵浇口、热解等问题。

缓冲区

缓冲区是每次注射完毕后螺杆头前面的余量,过少会造成成型不良,过多会造成PET分解。一般是从少往大慢慢调,到瓶坯不发雾或结晶时的量为合适。

冷却

PET不透明,而瓶坯之所以透明,靠的就是冷却。冷却不好将降低瓶坯的冷却速率,会导致缩水、瓶坯变形和影响循环时间,为避免此情况,要做好:水质处理,定期清理水道,检查水流量及水压,型芯及型腔的拆洗等。PET瓶吹塑设备及加工工艺和出现问题的解决办法

PET瓶坯型常见问题与解决方案

吹瓶

吹瓶过程

吹塑过程是一个双向拉伸的过程,在此过程中,PET链呈双向延伸、取向和排列,从而增加了瓶壁的机械性能,提高了拉伸、抗张、抗冲强度,并有很好的气密性。虽然拉伸有助于提高强度,但也不能过分拉伸,要控制好拉伸吹胀比:径向不要超过3.5~4.2, 轴向不要超过2.8~3.1。瓶坯的壁厚不要超过4.5mm。

吹瓶是在玻璃化温度和结晶温度之间进行的,一般控制在90~120度之间。在此区间PET表现为高弹态,快速吹塑、冷却定形后成为透明的瓶子。在一步法中,此温度是由注塑过程中的冷却时间长短决定的(如青木吹瓶机),所以要衔接好注—吹两工位的关系。

吹塑过程中有:拉伸—一次吹—二次吹,三个动作的时间很短,但一定要配合好,特别是前两步决定了料的总体分布,吹瓶质量的好坏。因此要调节好:拉伸起始时机、拉伸速度、预吹起始和结束时机,预吹气压力,预吹气流量等,如有可能,最好能控制瓶坯总体的温度分布,瓶坯内外壁的温度梯度。

在快速吹塑、冷却过程中,瓶壁内有诱导应力产生。对充气饮料瓶来说,它可抗内压,有好处,但对热灌装瓶来说就要保证在玻璃化温度以上让它充分释放。

常见问题与解决方案

1. 上厚下薄:延后预吹时间,或降低预吹压力,减少气流量。

2. 下厚上薄:与上述相反。

3. 瓶颈下有皱折:预吹太晚或预吹压力太低,或此处坯冷却不好。

4. 底发白:瓶坯太冷;过分拉伸;预吹太早或预吹压太高。

5. 瓶底有放大镜现象:瓶底料太多;预吹太迟,预吹压太低。

6. 瓶底里面有皱折:底部温度太高(浇口处冷却不好);预吹太晚预吹压力太低,流量太小。

7. 整个瓶混浊(不透明):冷却不够。

8. 局部发白:过度拉伸,此处温度过低,或预吹太早,或碰到拉伸杆了。

9. 瓶底偏心:与瓶坯温度、拉伸、预吹、高压吹等都可能有关系。降低瓶坯温度;加快拉伸速度;检查拉杆头与底模间的间隙;延后预吹,减小预吹压力;延后高压吹;检查瓶坯是否偏心。

塑料瓶新型短瓶颈结构显著降低生产成本

对于塑料瓶而言,最大程度地节约材料,除了可针对瓶体本身之外,瓶颈和瓶盖的设计都是不可忽视的组成部分,但尤其重要的是不要忘记在改变瓶颈设计的同时保证或改进瓶型对现有生产线的适应性,必须考虑到与现有的预成型设备、吹塑设备和罐装设备最大程度的兼容。
短瓶颈技术

为了尽可能降低PET瓶的材料成本,众多公司陆续推出各自的短瓶颈技术。大量的技术让加工商常常无所适从:应该选择哪一种为我所用?但有一点是显而易见的:在选择瓶型时节约材料并不是唯一需要考虑的因素。

首先短瓶颈表面与现有的瓶颈结构最大的兼容非常重要,这将直接影响现有的预成型工具、吹塑模具以及罐装和封盖生产线。PET瓶吹塑设备及加工工艺和出现问题的解决办法

瓶盖设计专家瑞士Eschlikon的Corvaglia 设计的短瓶颈是目前唯一保持了防盗环到顶端(tamper band)距离与改进前一致的短瓶颈。这意味着现有的夹紧装置可以直接应用于新瓶的罐装。而且,PCO Corvaglia 的高度也与三头螺纹的26.8mm“Alaska”瓶嘴一致。在同一条生产线上,从现有的Alaska瓶切换到PCO Corvaglia所需的工作非常简单。

瓶盖的密封性能也是不可忽视的一个重要方面。在热带国家,可能路面状况很差,对于填充了大量CO2的软饮料或矿泉水要求瓶盖具有优异的密封性能。PCO Corvaglia是唯一在短瓶颈上完成两圈以上螺纹的瓶型设计,其密封性能显然不是其他的瓶颈结构,如有的只有一圈螺纹所可以相提并论的。此外,PCO Corvaglia表面可以适应不同规格的瓶型以及不同形式的瓶盖。

对于加气饮料,打开瓶盖时内部压力的释放也应该是一个受控的过程,必须避免瓶盖飞出伤害消费者。在此,PCO Corvaglia的744°单头螺纹又一次表现出其优越性。而其他的短瓶颈结构一般都少于两圈螺纹,而且采用两头或三头螺纹存在更大的喷出风险。

节约材料

与标准的PCO28相比,PCO Corvaglia短瓶颈每个瓶颈可以节约1.5gPET原料。另外,瓶盖可以节约0.7-1.2g的原料。Corvaglia能够提供三种应用PCO Corvaglia瓶颈的瓶盖设计。最轻的一款只有1.8g,用于不加气的水或饮料;2g和2.3g的瓶盖用于加气饮料,其中2.3g用于加气较多的饮料。以当前的原材料价格计算,使用这一技术在瓶子和瓶盖上节约的原料量大约每1000个瓶子可以节约2.9-3.5欧元。

装盖设备可以全效生产

由于防盗环和螺纹的短距离设计,只有PCO Corvaglia可以使用PCO 28或PCO 19的瓶颈的防盗环设计。而其他的短瓶颈设计通常都会受到某些限制,例如,为了不影响封盖性能需要使用折叠的防盗环等。
PET吹瓶过程中的节能

Krones作为PET瓶全套解决方案的业界领先者之一,对于PET瓶加工不同环节的节能控制均有深刻的体会。

加热中节能

在拉伸吹塑工艺中,首先,最好间隔一定时间就更换灯;其次,需要检查灯与型坯的距离,从而可将加热用的能量费用减少。研究表明:旧灯(使用约11,000小时后)比新灯多耗费高达30%的能量,因此,对灯的经常性检查和及时更换是明智的。第二个节省费用的要素是灯与型坯间的距离。在Krones新提出的灯的案例中,灯是紧靠着型坯放置的。这种新的塑化炉标准,可以促使在加热过程中减少近10%的能量消耗。

将吹塑工艺成本消费减至最小

在吹塑过程中,减少死角空间体积也可减少相关消费成本。根据加工工程学,将500ml到250ml容器的阀区和吹塑喷嘴体积缩小不会产生任何缺陷,因为用于流动的横截面面积仍是相同的。这个区域的缩小是Contiform机械的一个标准特徵,而且对于已经安装的拉伸吹塑设备也可以进行更新。将必须充满压缩气体的容积缩小,气体消耗成本可节省7%以上(在500ml容器时可高达25%),这一点取决于相关容器的尺寸。

空气再利用

在吹塑中另一个显著减少成本的做法是利用Air Wizard来再利用空气,这包括3或4个阶段。如果将最后吹塑的空气再用于预先吹胀中,能量成本可减少约9%。如果这一再利用不仅仅用于预先吹胀中,还用于拉伸的话,能源节省可达到22%。如果反覆利用的空气再回喂到操作空气网络中,能源节省可以达到30%。如果将再利用空气直接回喂到压缩机中,一年能量成本甚至可以减少40%。PET瓶吹塑设备及加工工艺和出现问题的解决办法
操作Contiform机械的客户,从S系列开始,
都可以通过更新减少死角空间体积,明显地减少操作费用

PET瓶重量越来越轻

在PET瓶生产过程中,降低瓶子的重量不只意味着原料成本的降低,同时在加工过程中各种能源的消耗也可以显著降低。

一年前,PET Engineering公司生产出10克的单次服务瓶。今天,该公司为Brau Beviale又提供了一个更轻的解决方案:一个100ml的瓶子只有5g重。这个专为乳类和功能性饮料设计的新容器,是PET Engineering公司与合作伙伴,加拿大的赫斯基注塑技术公司、美国的Invista公司和Sleever International联合设计的。这一工艺使得耗费的原材料明显减少,且某些产品需要的高性能抗氧化剂需求也得到优化。

该产品是一个高性能的瓶子,具有很好的视觉冲击力,且通过采用合适衬套就能很容易地实现定制化生产。这一单剂量瓶相对于现在巿场上的相似容器来说,重量轻了2g左右,从而降低了生产费用,并减少容器对环境的影响。

这个容器设计最关键的是瓶坯的设计,由Husky公司和PET Engineering公司联合进行,从而使重量减至最小,而维持优秀的技术性能。

这个新的单剂量瓶设计成两种版本:一种是用PET树脂,另一种用的是PolyShield PET树脂。

由于乳饮料单剂量瓶的优异性能和降低的生产成本,该瓶将有望取代巿场上广泛使用的HDPE瓶

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