药用高阻隔聚酯瓶的加工与成型技术

时间：2007-12-24 13:23:35　　推荐指数： 关注度： 报告业务: 010-65667912

聚酯塑料瓶(PET)是当前最主要的包装容器之一，主要用于药品、碳酸饮料的包装，还可用于酒类、茶饮料、果汁、矿泉水、食用油、调味品、化妆品、农药与洗涤剂等液体的包装。
     作为药品包装容器，聚酯瓶具有多种优点。首先，聚酯瓶质量轻、成型容易且瓶体牢固。强度和弹性明显高于其它塑料材料，可以承受相当大的冲击力而不破损，最适合作为壁薄、质轻、强度高的药品包装瓶。PET瓶在我国上世纪80年代初问世后，便以锐不可当的势头迅速发展。短短的二十几年时间便成为全球最主要的液体及固体包装容器。在药品包装领域的应用中，在装药容积相同的情况下，PET瓶重量只相当于玻璃瓶的1／10左右；同样直径的包装瓶，PET瓶的容量是玻璃瓶的1.5倍。用PET原料可以制作透明或不透明棕色的瓶体。
     其次，药用PET瓶具有良好的气体阻隔性。在常用的塑料材料中，PET瓶阻隔水汽、氧气性能最为优良，可完全满足药品包装的特殊存储要求。PET具有优良的耐化学药品性能，能用于除强碱和部分有机溶剂外的所有物品的包装。
     第三，PET树脂的回收利用率高于其它塑料，作为废弃物燃烧处理时，由于它的燃烧热卡值低而易燃，而且不产生有害气体。
     第四，用PET制造的食品包装符合食品卫生要求，因为PET树脂不仅是一种无害树脂，而且还是一种没有任何添加剂的纯粹树脂，通过了包括美国、欧洲和日本在内的相当严格的食品卫生法的检验，被认为是一种合格并安全的药品和食品包装材料。这些优点使聚酯瓶成为塑料中的佼佼者。目前，全世界聚酯产量正以两位数的速率增长。以聚酯为主要原料制成的药用塑料瓶无论从外观、光泽，还是理化性能和质量保证方面都是目前最理想的包装产品之一。
     药用聚酯瓶的加工技术   
 
     1、药用聚酯原料的特性    
     用于瓶体吹塑的聚酯(PET)原料为饱合线性热塑性聚酯，主要应用性能指标为：特性粘度(IV)应控制在70～85ml/g，使吹塑瓶具有较高的机械强度与透明性；用于容积大(大于2升)的瓶体，选用聚酯原料的特性粘度为70～75ml/g。注射吹塑成型药用小容积瓶优先选用较高的特性粘度指标的材料生产为宜。
     由于原材料品种的选用正确与否，关系到生产过程成型工艺参数的选取和瓶体质量状况的优劣。因此，在生产药用PET瓶时，原料的特性粘度、结晶温度、冷却速率以及取向效应等工艺数据尤为重要。这是因为聚酯材料是一种可结晶的聚合物，其结晶速率很小，只为6μm／min(max)。即通过工艺控制结晶温度与冷却速率等条件，使聚酯瓶成为非结晶性或结晶性，并可改变晶体类型与数量。聚酯要求的结晶度一般在30％左右。在稍高于玻璃化温度或稍低于熔点的温度下，聚酯的结晶速率很小，结晶需要很长时间，在175℃左右的温度下，结晶时间要短得多。
     总之，仅通过加热来使聚酯结晶，其结晶过程较慢，有可能形成晶粒较大的球晶，这会折射光线，使制品呈白色，且脆性大。此外，聚酯的结晶速率随其Ⅳ的提高而降低。取向可使聚酯分子有序排列，促进结晶，所形成的晶体称为应变诱导晶体，其晶粒很小，不会折射光线，故取向聚酯制品为透明的。若对取向部分结晶的聚酯试样作热定形处理，使之进一步结晶，试样仍为透明的。所以，结晶与取向是影响拉伸吹塑聚酯瓶成型过程中保证性能的关键因素。若对瓶体进行热灌装并用巴式消毒处理，还需要对部分结晶的聚酯作热定形处理，使之进一步结晶以提高耐热性。    
     2、聚酯材料的去湿与干燥    
     由于加工聚酯时，其中所含的水分会在水解过程中与聚酯熔体发生化学反应而快速消耗，即水分在制品中产生气泡。水解会降低聚酯熔体的特性粘度，也影响制品的机械强度与性能，而聚酯原材料是吸湿性聚合物，故加工前应经严格干燥，使其剩余湿气含量小于0.005％。
     聚酯原料要采用去湿干燥系统来干燥。由于干燥装置提供的干燥热空气从料斗底部进入原料中，吸收原料所含的湿气后返回干燥装置。为延长干燥装置中去湿床的寿命，保持其效率，要使出自料斗的湿空气经过后冷却装置(可采用循环水冷却)，使空气温度低于65℃。要对后冷却装置进行恒温控制，以防止温度过高的空气进入去湿床。经冷却的空气通过过滤器，以除去空气中的微粒。空气由去湿床除去湿气，最后经过加热器加热后再次返回干燥料斗。
     干燥器干燥原料的条件：干燥温度为140℃～180℃，空气露点为－40℃，空气量为0.06立方米／min(kg.h)。干燥时间为4h。掌握好以上条件应注意：
     (1)当空气量取值高于0.06立方米／min(kg.h)时可拓宽操作范围，降低干燥温度，能耗会过高。
     (2)保证干燥露点尽可能低是很重要的，但露点低至－10℃时也不会有问题；但应严格监测空气露点，发现过高时，应及时降低。
     (3)干燥温度是一个关键的参数，可通过在多种温度下干燥并测量型坯的特性粘度来确定最佳的干燥温度，一般为150℃～163℃。停机时，干燥温度应降至120℃左右。
     (4)干燥时间加长会降低聚酯原料的特性粘度，合理掌握干燥温度成为关键参数，温度小幅提高就会导致聚酯的特性粘度有较大的降低，因此干燥时间应尽可能短些，以拓宽操作范围。在干燥过程中，由于聚酯的干燥温度高，设备的料斗应具有良好的隔热性能并采用玻璃纤维作隔热层，应避免干燥的聚酯原料与外界空气的接触，因为聚酯原料会快速地吸收空气中的湿气。例如，完全干燥的聚酯原料与相对湿度为35％～40％的空气接触12min后，含湿量即达到0.005％。
     药用聚酯瓶的成型方法  
       聚酯瓶的成型方法有挤出吹塑与注射吹塑两种工艺。拉伸吹塑又有一步法与两步法之分。在一步法成型中，型坯的成型、冷却、加热、拉伸与吹塑和瓶体的取出均在一台机器上依次完成。两步法则采用挤出或注射成型型坯，并使型坯冷却至室温，成为半成品，然后将型坯再加热并在拉伸吹塑机中成为瓶体。即型坯的成型、拉伸与吹塑分别在两台机器上完成。一步法注射吹塑PET瓶，注吹设备中需要有两副模具，即注塑型坯模和吹塑模具。而注塑型坯模主要由型坯模腔及芯棒构成，其各部位尺寸参数选用的正确与否是瓶体能否成型的关键。因此，需要将模具型坯尺寸参数结合成型工艺进行合理选取。    
     1、PET瓶高度与其颈部螺纹直径的比值可确定型坯与芯棒的长径比(L／D)    
     芯棒长径比一般取值原则是不超过10：1。这是因为在型坯模具中芯棒为悬臂梁，且在充模时受高注射压力的作用。长径比选值较大时，其芯棒弯曲较大，容易造成型坯、壁厚分布不均匀。但是，通过程序来控制熔体的充模速度或在充模过程中用滑动顶针暂时固定芯棒头端以使芯棒对中，此时芯棒的长径比可取大值。型坯高度是参考瓶体的高度乘以高度系数所得，一般为瓶体高度的92％～95％。为保证瓶体有好的透明度，熔体充入型坯模后，要快速将温度降至145℃以下，但要比聚酯材料的玻璃化温度(82℃)高些，且越接近玻璃化温度，吹塑瓶的透明度就越高。型坯模具冷却水温低至10℃～35℃，为了快速冷却型坯，还要采取液体或气体对芯棒连续进行内冷却，其中冷气可使芯棒有更一致的温度分布，其空气压力一般在1MPa左右。
     2、型坯注射时的熔体温度
     熔体温度是PET型坯成型要注意的重要参数之一。从设备方面考虑，螺杆设计对PET熔融、混合均匀与熔体温度有较大影响。PET注射要采用低剪切、低压缩比(约2／1)的螺杆，进料段取得长些，过渡段与计量段取得短些。设备的机筒温度对熔体温度影响较大，提高机筒温度会降低PET熔体的特性粘度。机筒温度对型坯透明度有明显影响，提高机筒温度可改善型坯的透明度。
     例如当机筒温度为280℃时，对应的熔体温度为290℃，可保证型坯有最佳的透明度。而机筒温度进一步提高并不能改善透明度。机筒温度较低时，适当提高螺杆转速以霹浇口温度，可小量地改善型坯的透明度。但由于熔体通过热流道系统的时间较短，其温度对型坯透明度改善的程度较小。提高注射压力，即注射速率时，熔体通过喷嘴时会产生较高的剪切热，明显提高熔体温度，使机筒温度较低时就可成型透明型坯。保压压力较高时，会提高型坯模具内熔体冷却时的结晶速率，降低型坯的透明度，尤其是在机筒温度较低时。
      
     在实际生产过程中，对某一给定的聚酯树脂与成型设备，可以这样来确定合适的熔体温度：先逐渐降低温度，至型坯开始出现雾状，然后提高温度，刚好达到成型透明型坯的温度，成为合适的熔体温度。    
      
     注射吹塑的瓶坯(即聚酯瓶树脂)中含有乙醛，会使被包装的药品，尤其是液体药品容易产生化学反应。所以，对瓶坯乙醛含量须加以控制，一般要求小于10ppm。降低瓶坯乙醛含量是聚酯瓶生产工艺优质化的一项重要课题，型坯的乙醛含量与熔体的温度及停留时间有关。熔体温度低于265℃时，乙醛含量与时间成线性关系；熔体温度高于265℃时，两者成指数关系。
      
     由于型坯中乙醛含量与机筒温度成线性增加，支管与浇口温度的提高也会少量地增加乙醛含量，但提高流道温度时乙醛含量的增加幅度较小，这是因为熔体通过热流道系统的时间要比其在机筒内停留的时间短。设备的螺杆转速在较低值下增加对型坯中的乙醛含量没有影响，但转速进一步提高时，产生的剪切热会提高熔体温度，增加乙醛含量。增加背压会提高熔体温度，从而增加乙醛含量，因此在保证聚酯原料塑化均匀的前提下，要尽可能降低背压。
      
     注射压力增加时要提高熔体温度，但因熔体通过喷嘴的时间较短，这样乙醛含量只有少量的增加，而保压压力与型坯模具温度对乙醛含量没有影响。    
      
     由此可以看出，机筒温度对聚酯型坯的乙醛含量有明显的影响，螺杆转速、注射速率、背压与热流道温度对乙醛含量的影响较小。因此，提高注射速率、降低机筒温度可以成型透明度高、乙醛含量低的型坯。在充模的初始时间内采用高注射压力，以稳定充模过程，然后以低压力注射，可取得较好效果。所以，成型聚酯型坯时，熔体温度的选取要适当，以保证型坯的透明度，同时又能控制乙醛的产生，熔体温度一般约取280℃。    
     3、注塑型坯与瓶体吹胀比的取值   
 
     注射吹塑小容积的聚酯瓶时，在工艺成型过程中，型坯主要发生轴向拉伸。轴向拉伸越小，吹胀比(指瓶体直径与型坯直径之比)越大，瓶壁厚分布不均匀的可能性也越大，易造成瓶肩与瓶身或瓶身与瓶底过渡区域的曲线部位壁厚不均匀。小容量瓶体吹胀比一般取1.5～1.8之间。对横截面为椭圆形的瓶体，若其椭圆比即椭圆长短轴的长度之比小于1.5：1时，可采用横截面为圆形的型坯成型。椭圆比不超过2：1时，可采用横截面为圆形的芯棒与椭圆形的型坯成型。椭圆比大于2：1时，一般要求芯棒与型坯模腔均设计成椭圆形。椭圆比增加，型坯模具的设计难度与制造成本均提高，一般不应超过3：1。    
     4、注塑型坯口部及颈部尺寸    
     型坯口部直径及螺纹尺寸应与瓶口尺寸螺纹相统一，并能与瓶盖的螺纹尺寸相匹配。因目前对此无统一的国家标准，故根据瓶体盛装物来决定瓶口部的尺寸。确定型坯颈部尺寸与吹塑模具型腔尺寸时，还应考虑瓶体成型后的收缩，PET瓶在型坯内的吹胀气压为1.2MPa，采用5～10℃的冷却水冷却吹塑模具，使型坯吹胀后得以快速冷却。  
     5、瓶体注吹成型芯棒的功能  
     注射吹塑成型使用的芯棒的功能主要有五个方面：(1)确定成型型坯的形状与瓶体颈部的内径(2)在机械转位过程中带走型坯或瓶体；(3)芯棒内设置有气道与空气出入口，输送压缩空气以吹胀型坯；(4)芯棒内部可通循环液体或空气，以调节型坯温度；(5)芯棒尾部处靠近配合面开设深0.10毫米的凹槽，使型坯端部楔入槽内，避免从型坯成型工位转至吹塑工位的过程中，型坯因其弹性收缩导致颈部螺纹错位。凹槽起到密封作用，减少吹胀过程中压缩空气的泄漏。  
     6、芯棒长度与直径的选值  
     芯棒长度和直径主要由型坯来确定，芯棒直径要比瓶体颈部内径小些，便于瓶体脱模。但芯棒直径应在瓶颈内径范围内尽可能地取大值，以避免造成过大的吹胀比。芯棒同轴度应在直径0.05～0.08毫米内。瓶口部位芯棒直径尺寸是以瓶口外径和瓶口厚度而定，取值范围一般是瓶口苍棒直径等于瓶口外径减去两倍的瓶口壁厚。    
     7、芯棒底部与型坯底部之间距离尺寸的确定    
     该距离尺寸即为型坯底部厚度，它的尺寸取值合理与否，直接影响瓶底部的厚度是否符合要求。一般的计算方法为：型坯底部的厚度(B)等于瓶底的最小厚度(T)加上0.1倍的瓶重量。芯棒体选用的材料为合金工具钢，硬度为HRC52-54，比模具颈圈的硬度稍低。与熔体接触的芯棒表面要沿熔体流动方向抛光，并镀硬铬，以易于熔体充模和型坯的脱模。在PET瓶的吹塑与脱模工位，气体继续在芯棒内环流，保证芯棒有较一致的温度分布。芯棒各段的温度取值为：头部(对应型坯颈部)取45℃～55℃，中部(对应型坯体)取40℃～50℃，尾部取23℃～35℃。在型坯注射工位，因熔体温度高，芯棒温度处于上述范围的上限，芯棒转至脱模工位时的温度因内冷而降至下限。在脱模工位顶出瓶体后，从外部对芯棒头部进行风冷，以降低芯棒的温度。  
     8、PET瓶注射吹塑工艺参数取值  
     PET瓶在注射吹塑时要控制好熔体温度，使其处于275℃～285℃范围内，比多数注射吹塑级聚合物的温度高约50℃。热流道系统要采用流线型、对称式设计，避免死角。喷嘴用锁闭式结构，外表面要加热。为保证型坯有高的透明性，熔体充入型坯模具后要快速冷却至145℃以下，但要比其玻璃化温度(82℃)高些，且越接近玻璃化温度，吹塑瓶的透明度就越高，可拓宽加工范围。型坯模具冷却水温要低至10℃～35℃，以快速冷却型坯。还要采用液体或气体对芯棒连续进行内冷却。其中气冷可使芯棒轴向有更一致的温度分布，同时还不会出现泄漏问题。芯棒内冷气压一般为1MPa。最好采用液体，气体组合冷却方式，PET型坯的吹胀气压约为1.2MPa。采用的冷却水温度为5℃～10℃。以冷却吹塑模具，也使型坯吹胀后得到快速冷却