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瓶身
第三章瓶身的制作
3.1瓶身性能要求
饮料瓶的瓶身需要承受所盛液体的重力并传给与压柄的连接处，要求材料具有一定的力学性能。
瓶身需要和压柄发生磨损，要求材料具有一定的耐磨损性能。
瓶身为透明材质，能转印花纹和文字，要求材料透明且具有一定的染色性。
可乐瓶作为经常用到的物品，要求材料无臭、无味、无毒、安全。
可乐瓶的大量使用，要求材料具有可回收性或可降解性。
3.2原料选择
3.2.1常用原料对比
该种中空容器一般是由拉伸软的或熔融塑料的预成型件后冷却成型的，其成功的关键是拉伸过程的塑料有足够的熔体强度。
所以聚合物的黏弹性，长时间耐热性很重要。
为满足产品性能要求所提到的各项指标，瓶身所选择的材料还应成本低廉，加工方便。
HDPE、PP、PET和PC都是常用的塑料，且符合上述性能要求，四者综合性能比较如表1所示。
表1HDPE、PP、PET和PC综合性能比较
材料名称
优点
缺点
高密度聚乙烯
HDPE
耐冲击、耐低温、耐劳损、耐化学腐蚀、自身润滑
能吸收冲击能。
耐低温，-40时也具有良好的抗冲击性能。
加工过程中容易出现热分解。
表面容易产生凹凸，滋生细菌。
聚丙烯
PP
密度低、耐热，加热不变形。
化学性质稳定，无毒无害。
抗有机溶剂能力强。
可耐高温，可用于微波炉。
抗冲击性能一般。
韧性一般，耐氧性一般。
低温容易脆化。
聚对苯二甲酸乙二醇酯
PET
坚硬、刚度好、强度高、韧性好、摩擦系数小、尺寸稳定性好。
透明度高，可阻挡紫外光。
无毒无味，安全性好，可做盛装食品。
结晶速率慢，成型加工困难，模塑温度要求高。
主链含有酯基，易水解断链。
不耐高温，长时间使用会释放DEHP，对人体有害。
抗有机溶剂能力较弱，一般不能接触酒、油等。
聚碳酸酯
PC
可做成无色透明，耐热、抗冲击性好，普通温度下机械性能好。
抗冲击性能好、着色性好。
加工性能好。
自阻燃。
耐酸、耐油。
耐腐蚀性不好。
自润滑性差。
高温易水解。
共混性能差。
耐磨性差。
不耐紫外光，不耐强碱。
通过上述表格的对比，结合产品性能要求，以及市场调查分析（详见五、经济成本分析），HDPE拥有优良的抗冲击，耐低温和耐化学腐蚀性能，但由于其成本过高，使用后表面容易滋生细菌，不能做成透明瓶身以及需要加如抗氧剂防止加工时的分解，此添加剂对人体有害，因此此材料不建议用作与人体密切相关耐氧性差，且不耐低温，不能作为此类生活用品的材料。
PET透明性好，无毒无味，只要不接触高温，其性能很稳定且对人体友好，价格低廉，加工方便，可以用作瓶身材料。
PC透明性好，抗冲击性能优良，加工性能好，耐酸耐油，虽然不耐碱腐蚀也不耐高温，但是低于饮料瓶使用上限温度，因此适合做瓶身材料。
综上所属，PET和PC可用作瓶身材料。
从上面分析我们选出了两种可做瓶身的材料，为了更好地制造出性能优良、造价低廉的瓶身，我们下面将这两种材料再次细化对比（如表2）：
表2PET和PC性能对比
材料
透明性
卫生性能
耐温
耐冲击性能
加工性能
耐溶剂
造价
PET
高
一般
70
低
一般
一般
低
PC
高
好
130
高
好
一般
高
通过上述对比我们不难看出：
虽然PC比PET拥有更加优异的性能，但结合加工方式和成本考虑，PET从性能上讲已经完全符合我们所需材料的要求，并且在成本方面远小于PC。
因此，在性能要求不高的情况下，家用喷水壶的瓶身一般采用PET材料。
3.2.2PET材料性能综述
聚对苯二甲酸乙二醇酯，英文名称Polyethyleneterephthalate，简称PET，由对苯二甲酸乙二醇酯发生脱水缩合反应而来。
对苯二甲酸乙二醇酯是由对苯二甲酸和乙二醇发生酯化反应所得。
PET是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。
在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。
有良好的力学性能，冲击强度是其他薄膜的3～5倍，耐折性好。
耐油、耐脂肪、耐稀酸、稀碱，耐大多数溶剂。
具有优良的耐高、低温性能，可在120℃温度范围内长期使用，短期使用可耐150℃高温，可耐-70℃低温，且高、低温时对其机械性能影响很小。
气体和水蒸气渗透率低，既有优良的阻气、水、油及异味性能。
透明度高，可阻挡紫外线，光泽性好。
无毒、无味，卫生安全性好，可直接用于食品包装。
PET容器的特征：
1）力学强度高。
PET瓶，特别是常用的拉伸PET瓶的强度明显的高于其他常用塑料瓶。
以下是PET瓶和PVC瓶的部分强度指标的比较数据。
项目
双相拉伸PET瓶
非拉伸PET瓶
PVC瓶
轴向
圆周方向
轴向
圆周方向
轴向
圆周方向
拉伸屈服强度/Mpa
81.5
95.3
46.1
44.8
45.7
44.3
拉伸断裂强度/Mpa
157.8
162.2
60.7
68.5
39.1
36.4
断裂伸长率/%
80.1
55.3
340
350
134
169
落锤冲击强度/J
3.0
3.0
1.0
试样厚度/mm
0.30（低黏度）
3.0（高黏度）
2）阻隔性能良好。
PET瓶的阻隔性，特别是对氧和二氧化碳的阻隔性能优异。
3）单耗低，质量轻。
由于PET瓶强度高可以做的很薄，因此PET瓶的单耗低、质量轻，有利于降低成本和运输费用。
4）保香性能好。
PET瓶对于多种有香味物料，如华尼拉香料、大蒜制剂、咖啡粉、可可、红茶、腌火葱等，保香性突出。
5）良好的耐药品性。
PET耐多种化学物质的侵蚀，耐油耐有机溶剂，耐酸性能良好并具有一定的耐碱性。
6）对商品的展示性好。
PET具有很高的透明性，透光率达90%以上，雾度小于3%且光泽度好，其外观可与优质玻璃瓶媲美。
7）回收应用和处理方便。
PET瓶是被普遍公认的有利于环境保护的一种塑料制品，可通过如下几种途径，有效地处理其废弃物。
a通过净化、熔融造粒可回收利用，其回收粒子可用于生产PET短切纤维或复制PET塑料制品。
b通过化学降解可制备单体。
用以重新合成PET或者生产其他化工产品的原料。
c焚烧处理回收热能。
PET焚烧时产生的热量约为焚烧PE时的一半[约23MJ/kg（5500kcal/kg）]不会损坏焚烧炉，且不产生危害环境的毒物，只生成CO2和H2O。
3.2.3原料准备：
1）PET的制备：
如果采用TPA为原料，PET聚酯聚合物的生产主要有以下两步反应：
第一步是PTA与EG进行酯化反应，生成对苯二甲酸乙二酯（BHET）；第二步是BHET在催化剂作用下发生缩聚反应生成PET。
酯化反应阶段，为了缩短反应时间，酯化反应的反应压力要高于大气压力，反应温度要高于醇的沸点。
具体反应中所用的醇与TPA的摩尔比为1.1：
1-2：
1，反应采用的温度为258-263℃。
缩聚反应的反应温度须高于聚合物的熔化温度（260-265℃），低于300℃（当温度达到这个值时，聚合物开始出现降解），因此缩聚反应最合适的温度范围是275-290℃。
缩聚反应的反应时间至少为2个小时，具体视反应器不同而有所不同。
这个反应的反应常数较小，因此在反应过程中还须尽快地除去反应所生成的乙二醇，打破反应平衡，促使反应继续向右进行，否则不但会影响反应速度，而且聚合度也提不高。
因此缩聚要求在真空下进行，特别是缩聚后期要求在高真空度下进行，同时应尽量增加蒸发表面。
2）材料改性
PET树脂为乳白色半透明或无色透明体，相对密度1.38，折射率为1.655，透光率为90%；PET属于中等阻隔性材料，对O2的透过系数为50～90cm3∙mm/（m2∙d∙MPa），对CO2的透过系数为180cm3∙mm/（m2∙d∙MPa）；PET的吸水率为0.6%，吸水性较大。
a力学性能
PET膜的拉伸强度很高，可与铝箔媳美，是HDPE膜的9倍，是PC和PA膜的3倍。
PET的蠕变性小、耐疲劳极好（好于增强PC和PA）、耐磨性和耐摩擦性良好。
PET的力学性能受温度影响较小。
b热学性能
纯PET的耐热性能不高，但增强处理后大幅度提高，在180℃时的机械性能比PF层压板好，是增强的热塑性工程塑料中耐热较好的品种；PET的耐热老化性好，脆化温度为70℃，在30℃时仍具有一定韧性；PET不易燃烧，火焰呈黄色，有落滴。
c电学性能
PET虽为极性聚合物，但电绝缘性优良，在高频下仍能很好保持。
PET的耐电晕性较差，不能用于高压绝缘；电绝缘性受温度和湿度影响，并以湿度的影响较大。
d环境性能
PET含有酯键，在高温和水蒸气条件下不耐水、酸及碱的作用。
PET对有机溶剂如丙酮、苯、甲苯、三氯乙烷、四氯化碳和油类稳定，对一些氧化剂如过氧化氢、次氯酸钠及重铬酸钾等也有较高的抵抗性。
PET耐候性优良，可长期用于户外。
3.2.4配方：
现以中国石油辽阳石化公司烯烃厂牌号为PET80-K的原料，列举相关技术数据，说明制作瓶身的材料性能，结果如表6所示。
表680-K原料技术数据
性能项目
测试方法
数值
数据单位
特性粘度
GB/T17931-1999
0.806
dL/R
乙醛含量
GB/T17931-1999
0.3
mg/kg
色度L值
GB/T17931-1999
96.4
-
色度b值
GB/T17931-1999
0.1
-
二甘醇含量
Q/SYLYF0167-2004
1.0
%
氨基含量
Q/SYLYF0160-2004
24
mol/t
熔点
GB/T17931-1999
244
℃
粉屑含量
GB/T17931-1999
79
mg/kg
水分
GB/T14190-1993
0.01
%
灰分
GB/T14190-1993
0.01
%
结晶度
Q/SYLYF0899-2004
61.1
%
原料可直接加工成成品，无需添加新料。
因此配方为：
PET80-K（中国石油辽阳石化公司烯烃厂）
考虑到光、氧气等因素会影响到PET瓶的使用时间，用作瓶身的PET需要加入吸氧剂（如Amosorb或者AmosorbSo102）和紫外光吸收剂（如UltimateUV390）和高效阻光剂（如Lactra）。
为了提高加工性能，增加PET颗粒在挤出机中的塑形和降低加工温度减少能耗，原料还应加入增塑剂（如DEHP）等添加剂。
综上所述，制作瓶身的PET配方为：
原料
生产厂家
作用
配比
备注
PET80-K
中国石油辽阳石化公司烯烃厂
主体原料
99.9%
AmosorbSo102
美国嘉洛斯塑料着色剂（苏州）有限公司
吸氧剂
0.01%
UltimateUV390
美国嘉洛斯塑料着色剂（苏州）有限公司
紫外光吸收剂
0.005%
Lactra
美国嘉洛斯塑料着色剂（苏州）有限公司
高校阻光剂
0.005%
DEHP
增塑剂
0.1%
3.3加工工艺流程
3.3.1PET的加工性能
加工特性
PET属极性聚合物，熔融温度和熔体粘度都较大。
PET属非牛顿流体，粘度对温度的敏感性小而对剪切速率敏感大。
PET吸水性大，加工前必须干燥处理；干燥条件为温度130～150℃，时间3～4h。
PET的加工温度范围较窄，一般为270～290℃，接近分解温度为300℃，加工中要注意温度不能太高。
PET的结晶速度慢，为促进结晶，常采用高模温，一般为100～130℃。
PET的成型收缩率较大，增强改性后可大大降低，但生产高精度制品是要进行后处理。
后处理的条件为:
温度130～140℃，时间为1～2h。
3.3.2加工工艺选择
中空制品的吹塑包括三个主要方法：
挤出吹塑,注射吹塑和拉伸吹塑。
现介绍比较如下：
1）注射吹塑：
用注射成型法先将塑料制成有底型坯，再把型坯移入吹塑模内，用压缩空气将型坯吹胀，冷却成型后，从模具内取出制品的方法。
a直接吹塑成型。
由注射机在高压下将熔融塑料注入型坯模具内并在芯模上形成适宜尺寸、形状和质量的管状有型底坯。
喷雾器瓶颈部分及上面的螺纹也在这一时刻同时成型。
所用心模为一端封闭的管状物，压缩空气可从开口端通入并从管壁上所开的多个小孔逸出。
型坯成型后，注射模立即开启，通过螺旋机构将留在心模上的热型坯移入吹塑模内，合芯后从通道吹入0.2MPa——0.7MPa的压缩空气，型坯立即被吹胀而脱离芯模并紧贴到吹塑模的型腔壁上，并在空气压力下进行冷却定型，然后开模取出吹塑制品。
直接吹塑成型方法的优点：
制品壁厚均匀，不需要后加工；注射制得的型坯能全部进入吹塑模内吹胀，故所得的中空制品无接缝，废边废料较少。
缺点：
成型需要注塑和吹塑两套模具，设备投资较大；注塑所得型坯温度较高，吹胀物需较长的冷却时间，成型周期较长；注塑所得型坯的内应力较大，生产形状复杂、尺寸较大制品时已出现应力开裂现象，因此生产容器的尺寸和形状受限。
b注坯-吹塑-成模：
在成型过程中型坯被横向吹胀前受到轴向拉伸，所得制品具有大分子双轴取向结构。
在这一成型过程中，型坯的注射成型与直接注坯吹塑法相同，但所得型坯并不立即移入吹塑模，而是经适当冷却后移送到一加热槽内，在槽中加热到预定的拉伸温度，在转送至拉伸吹胀模内。
在拉伸吹胀模内先用拉伸棒将型坯进行轴向拉伸，然后再引入压缩空气使之横向胀开并紧贴模壁。
吹胀物经过一段时间的冷却后，即可脱模得具有双轴取向结构的吹塑制品。
2）挤出吹塑
挤出吹塑成型是将热塑型塑料熔融塑化，并通过挤出机机头挤出型坯；然后将型坯置于吹塑模具内，通入压缩空气（或其他介质），吹胀型坯，冷却定型后，从模具内取出制品的方法。
挤出吹塑已成为塑料挤出成型、注射成型之后的第三大成型方法。
挤出吹塑成型常用于瓶、桶、壶、罐等容器的成型加工，在食品、日用品、化工原料和医药等行业应用广泛。
目前，挤出吹塑成型技术也大量用于工业制件，
a单料坯挤出多型腔吹塑成型（如图）
该方案由挤出机挤出一个口径较大的料坯，达到一定长度后切断，移至开设了多个型腔的吹塑模具中，合模夹持，再通入压缩空气进行吹胀、冷却定型、开模取件。
该方案生产率高，挤出模具和吹塑模具都简单，但吹塑时会产生较大的飞边，回收料较多;制件沿整个分型面轮廓会产生结合缝。
该方案适用于中小型塑件的生产。
（2）多料坯挤出吹塑成型
如图所示：
该方案由一台挤出机同时挤出两个或多个料坯，当料坯达到一定长度后切断，分别放人开设在一副吹塑模具中的多个型腔中，合模、夹持，将吹塑模具移至挤出机出料口外，再通人压缩空气吹胀，冷却定型，开模取件后，又将吹塑模具移至挤出机出料口下方，准备下一个循环。
这种方法生产率较高，模具结构较简单，适用于中小型塑件的生产。
3）拉伸吹塑
拉伸吹塑成型又称为双轴取向拉伸吹塑成型。
它是将挤出或注射成型的型坯，经冷却，再加热，然后用机械的方法及压缩空气，使型坯沿纵向及横向进行吹胀拉伸、冷却定型的方法。
成型工艺的选择基本原则是在最低的成本下获取最好的质量。
以上加工方法中，挤出吹塑应用最为广泛，而三种方法成型的产品质量相差不多，加之我们所要制作的喷雾器瓶身并非及其精密、需要极高质量的产品，所以，对质量而言，三种成型方法都能满足。
相对而言，拉伸吹塑需要更高的设备投入，注射吹塑需要注射和吹塑两套模具，设备成本也相对较高，且注射所得型坯温度较高，需要较长的冷却时间，生产周期较长。
挤出吹塑生产效率较高，设备成本相对较低，且工业运用最为普遍，所以，综合考虑，我们选用挤出吹塑法。
3.3.3挤出吹塑机参数：
挤出吹塑机
技术参数：
工位数
单工位
螺杆直径
90mm
最大制品容量
60L
空循环产量
360pc/hr
适用原料
PE、PP、ABS...
螺杆长径比
24（L/D）
螺杆电机功率
37KW
螺杆加热区功率
21.4KW
螺杆加热区段数
4段
螺杆塑化能力
130kg/hr（HDPE）
油泵电机功率
15KW
锁模力
300KN
模板间距
450～1050mm
模板尺寸
980ⅹ950mm
最大模具尺寸
720ⅹ1200mm（WⅹH）
模具厚度
460～600mm
需要模具数量
1副
模头储料缸容积
7.5L
模头挤出口最大直径
350mm
模头加热区段数
4段
模头加热区功率
21.3KW
吹气压力
1Mpa
气体用量
0.8m3/min
最大驱动功率
52KW
最大总功率
66KW
螺杆风机总功率
0.72KW
平均能耗
38KW
电源
3相,220/380V,50/60Hz,其他国家电压可按要求配置
机器外形尺寸
5.7ⅹ2.6ⅹ4.0m（LⅹWⅹH）
机器重量
13T
辅助设备
低压空压机
1.22m3/min,1.25Mpa,11kw,0.3m3 1台
储 气 罐
1m3/1.2Mpa 1台
模温机
6KW 1台
基本配置
开合模系统
固定式开合模系统。
挤出系统
硬齿面减速器+进口变频器。
模头系统
储料缸式模头。
液压系统
全进口液压阀、密封件+电液比例控制。
控制系统
日本进口PLC+进口触摸屏+PLC自动温控
3.3.4吹塑制品的设计：
1）瓶体外形：
该可乐瓶为矮胖的圆柱体，长径比接近于1，容易吹制成型。
瓶口的螺纹采用圆形截面。
2）瓶体与瓶肩：
塑料瓶的瓶颈与瓶肩是承受瓶体垂直负荷强度的关键部位。
作为一个瓶体，必须能经得住来自几个不同方向的垂直载荷，如承受料嘴和压盖机构的垂直压力，同时瓶体支撑力还可增加外包装瓦楞纸箱的压缩强度。
如图，瓶颈与瓶肩在垂直负荷作用下易发生变形，其变形的大小与瓶颈倾斜角（α）、瓶颈长度或瓶颈高度有关。
合理的瓶颈倾斜角可使瓶口所受垂直负荷部分地分散到直立的瓶体上。
经查阅相关资料，本例中，α可取值在35°。
3）瓶底：
在容器的底部，由于夹缝区的壁厚较大，造成整个容器底部厚薄不一致，其收缩也不均匀，导致容器底部发生翘曲现象，使容器立不稳，因此，容器的底部一般都不设计成平面形状。
所以，我们的瓶体底部一般设计成内凹陷型（如图所示），这样可使容器具有较高的耐冲击性能。
并且瓶身与瓶底的交接处设计成大曲率半径进行过渡，这样可以减少应力集中，提高耐应力开裂和耐冲击性，从而减少容器受压和跌落时的凹陷和破裂现象。
4）容器壁厚的选择：
在设计中，应主要考虑一下几个方面：
a吹塑取向对壁厚强度的影响。
塑料材料的拉伸强度和弹性模量不等于容器壁厚材料的力学性能。
吹塑取向程度是由纵向拉伸比和径向吹胀比综合决定的。
b渗透对壁厚的影响。
在一定压力和温度下测得的渗透率，说明塑料材料阻抗各种气、液物质渗透的能力。
不但塑料容器壁厚影响渗透，而且容器的表面积和容积也决定着渗透过程。
c成型壁厚的不均匀性。
吹塑成型制品以平均壁厚和最小壁厚来制定检验标准。
成型制品的壁厚与物料的黏度、型坯的形状和尺寸、型坯温度、吹胀比等工艺因素有关。
3.3.5加工流程
挤出吹塑工艺流程为：
1）型坯的挤出：
注意控制温度和转杆速度。
2）型坯的吹胀：
型坯夹紧闭模后，对型坯通入压缩空气，压缩空气的作用是：
使吹胀的型坯紧贴模腔；对已吹胀的型坯吹加压力，得到轮廓明显、花纹清晰的制品；有助于制品的冷却。
压缩空气一般由空气压缩泵提供，必须清洁、干燥、压力稳定。
3）冷却：
冷却是重要的一部分，以冷却介质循环对制品内表面进行冷却，缩短成型过程中的冷却时间。
冷却方法：
生产中，型坯的外壁紧贴在冷的模具表面上。
所需的冷却时间随制品壁厚的增大而增长，近似于成平方正比关系，由于制品只能从一侧进行冷却，其冷却效率要比注射成型的制品低很多。
干冰（固体二氧化碳）、冰冻的水（冰晶）、冷冻空气以及冰水和空气的混合物都可吹入型腔进行冷却。
4）后期装饰：
瓶体的装饰图案常热转印技术等。
现说明如下：
热转印技术：
热转印技术是采用凹版印刷方式，先在载体膜上印刷图文，经由热转印机台将图文转移到承印物上，凭借温度和压力的共同作用，把具有脱离和热接着性能的PET印刷膜转移并固定在承印物表面上，除去载体薄膜，使制品具有装饰效果的一种特种印刷方式。
利用热转印技术可得到色彩艳丽富有立体感，附着力强的制品。
热转印膜由五个部分组成如图所示，包括：
基层膜，离型层，保护层，油墨层，粘结层。
各涂层间紧密联系，相互影响。
在研究开发新型热转印膜时除了需要考虑单一涂层的性能外，还须注意层与层间的影响。
如下是热转印过程示意图：
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