PET瓶注拉吹技術發展趨勢

隨著食品（包括飲料）及醫療產品等對包裝瓶的大量需求，極大地帶動了PET注拉吹設備和技術的發展，而啤酒和果汁等對長貨架期的要求，則大大促進了PET瓶阻滲技術的提高。

塑料拉伸吹塑又稱雙軸取向吹塑，是一類在聚合物的高彈態下通過機械方法（拉伸桿或拉伸夾具）軸向拉伸型胚、用壓縮空氣徑向吹脹（拉伸）型胚以成型包裝容器的方法。按型胚的成型方法分，拉伸吹塑有注射拉伸吹塑和擠出拉伸吹塑兩種。若按工序來分，拉伸吹塑又可分成一步法和兩步法兩種。在一步法中，型胚的成型、冷卻、加熱、拉伸和吹脹以及瓶子的取出均在一臺機械上依次完成；兩步法則先成型出型胚，并使之冷卻至室溫，成為半成品，過后再把型胚送入經加熱的拉伸吹塑機械中，成型為瓶子，即型胚的成型及其拉伸與吹脹分別在兩臺機械上進行。

拉伸吹塑成型可使聚合物分子鏈沿軸向和周向排列，從而使制品的機械性能、阻滲性能、光學性能和耐化學藥品性得到提高。目前應用于拉伸吹塑成型的塑料主要有PET、PVC、PP、PAN這四種，而其中的PET則主要是通過注射拉伸吹塑的方法（包括一步法和兩步法）成型為瓶，以用于液體的包裝。



PET注拉吹技術和設備

注射拉伸吹塑的PET瓶在1976年開始工業化，這是塑料瓶用于碳酸飲料行業的真正開端。PET注拉吹瓶的市場發展迅速，使得PET成為當今應用于吹塑的第二大聚合物。PET瓶的容積小至50mL、大至30L，其形狀有圓形、橢圓形和方形。PET瓶主要用于包裝碳酸飲料，還可包裝酒類飲料（啤酒、葡萄酒）、果汁、礦泉水、食用油、調味品（醬油、果醬、醋）、藥品（眼藥水、糖漿）、化妝品、農藥及洗滌劑等。

1、PET的特性與干燥

用于吹塑的PET為飽和線性熱塑性聚酯，它的最大用途之所以是碳酸飲料包裝瓶，是因為它的阻CO2、O2和水蒸汽滲透的性能高，強度、耐沖擊性、耐化學藥品性和耐壓性高，透明度和光澤度很好，外觀性能良好以及純度高。

吹塑級PET的特性粘度(IV)較高(70～85ml/g)，這是為了使吹塑瓶能夠有較高的機械性能和透明度。一般來說，IV為70~75ml/g的PET適于拉伸吹塑容積較大（2L以上）的瓶子，而小容積瓶則優先選用高IV的PET。

結晶和取向是影響拉伸吹塑PET瓶的成型過程和性能的關鍵要素。PET是一種可結晶的聚合物，其結晶度一般為0%~30%，但結晶速率很小。取向可使PET分子有序排列，從而促進了晶體的形成，這種晶體被稱為應變誘導晶體。由于晶粒很小，不會折射光線，因此經取向的PET瓶為透明的。

由于PET是吸濕性聚合物，在加工時，其內部所含的水分會在水降解過程中與PET熔體發生化學反應而快速消耗，這會大大降低PET熔體的IV，從而使制品的機械性能下降。因而PET在加工前必須經過嚴格干燥，以使其剩余濕氣含量小于0.005%。推薦的干燥條件為：干燥溫度150℃~163℃，空氣露點為-40℃，空氣量為0.06m3/min/kg·h，干燥時間為4h。根據經驗，干燥的溫度較低、時間較短，有助于減少乙醛的生成。另外，應避免已干燥過的PET與外界空氣接觸，因為PET會快速地吸收空氣中的濕氣，例如，完全干燥的PET與相對濕度為35%~40%的空氣接觸12min后，含濕量即可達到0.005%。

2、PET的注射拉伸吹塑

1、瓶胚的注塑

成型透明度高、乙醛含量低的瓶胚是注拉吹透明PET瓶最重要的步驟。

● 熔體溫度

熔體溫度是PET瓶胚成型要考慮的一個重要參數，其選取要適當，以保證瓶胚的透明度，同時又能控制乙醛的產生。在實際生產中，對某一給定的PET樹脂和成型設備，可采用這樣的步驟來確定合適的熔體溫度：先逐漸降低溫度，至瓶胚開始出現霧狀，然后再提高溫度，剛好能成型出透明瓶胚時的溫度即為合適的熔體溫度。一般來說，PET熔體的溫度應選取280℃。

提高注射速率、降低機筒溫度有利于成型出透明度高、乙醛含量低的瓶胚。在充模的初始短時間內應采用高注射壓力，以穩定充模過程，然后以低壓力注射，可取得較好的效果。
注塑機的螺桿設計對PET的熔融、混煉均勻性與熔體溫度有較大影響。PET瓶胚的注塑要采用低剪切、低壓縮比（約2∶1）的螺桿，進料段應取得長些，過渡段與計量段則要取得短些。

● 熱流道系統

設計熱流道時要考慮溫度控制與流動均衡等問題。流動均衡是指熔體必須以相同的流率、壓力降和時間均勻地充滿各個型腔。為此，模具型腔應對稱布置，流動和充模噴嘴的直徑由中間往兩邊依次地適當增加。

噴嘴在熔體充模時，因與低溫的瓶胚模具緊貼會導致熔體的溫度降低，從而影響型胚底部的透明性。為了避免該情況的發生，應在噴嘴周圍設置加熱圈，或設法在噴嘴與模具之間采取適當的隔熱措施。另外，適當地加大流道和澆口的直徑，也可提高型胚底部的透明度。

● 型胚模具的冷卻

由于PET的結晶速率很小，因此使熔體快速冷卻，迅速通過結晶溫度區，可得到透明的瓶胚。例如，把285℃的PET熔體快速冷卻至77℃~80℃，可使結晶度小于5%。而緩慢冷卻熔體所得到的瓶胚是不透明的。

為了使溫度高的PET熔體在短時間內冷卻固化，要求瓶胚模具有較高的冷卻能力，這可以通過冷卻水來調節。當瓶胚的壁厚小于4mm時，模具的冷卻水溫應選取10℃~15℃，此時可得到透明瓶胚；而對于壁厚大于4mm的瓶胚，水溫則要低至2℃~5℃。但模溫過低，有時會因冷凝作用而在模腔或芯棒上形成水珠，從而影響成型性能和瓶胚性能。

2、瓶胚的再加熱和溫度調節

在PET瓶胚的再加熱過程中，瓶胚被送入拉伸吹塑機械中，使其在烘箱內做連續的旋轉運動，以將其均勻地加熱。瓶胚在被再加熱后，沿其壁厚方向的溫度分布通常是不均勻的，即外壁溫度較高，內壁溫度較低，這對瓶胚的拉伸和吹塑是不利的，會使瓶壁內出現球晶、空隙或脫層面等缺陷，從而影響瓶子的性能，特別是明顯降低了瓶子的阻滲性能。為此，在拉伸、吹塑瓶胚前應調節瓶胚在壁厚方向的溫度分布，即通過瓶胚壁內的導熱作用，使積聚在靠近外壁的熱量傳至內壁，同時外壁因與外界空氣接觸而得到適當冷卻，這種調節可保證瓶胚在壁厚方向具有較為均勻的溫度分布。此外，瓶胚內壁的周向拉伸比要比外壁的大，如用于拉伸吹塑1.5L PET瓶（瓶體外徑為85mm）的瓶胚體的內、外徑分別為18 mm和26mm，造成其內、外壁的周向拉伸比分別為4.7∶1與3.3∶1。為了有利于拉伸吹塑，瓶胚的內壁溫度應比外壁高些。

一步注拉吹也要對瓶胚作調溫處理，但是與兩步注拉吹相比，其瓶胚的調溫較容易一些，因為一步法的瓶胚經模具冷卻后，其厚度方向具有較為對稱的溫度分布。

3、瓶胚的拉伸吹塑

PET瓶胚要在適當的溫度、拉伸比下拉伸、吹脹。對要承受內壓的PET瓶（如碳酸飲料瓶），總拉伸比應選取10∶1或更大些，其中，周向拉伸比取(4~7)∶1，軸向拉伸比取(1.4~2.6)∶1。拉伸比過大會使瓶子出現應力發白的現象。
若把瓶胚的取向溫度定低了，由于要明顯提高拉伸應力，會使PET瓶出現應力發白現象；而把取向溫度定高了，則會使瓶子出現結晶霧狀。PET可在88℃~115℃下取向，但為了獲得透明性高的瓶子，取向溫度范圍應定得窄一些。有研究表明，PET的最佳取向溫度約為105℃，而有的研究則認為是95℃。
對瓶胚的吹脹可采用單級壓縮空氣，氣壓約為2MPa，也可采用雙級壓縮空氣，即先注入低壓(1.0 ~1.5MPa)空氣，在瓶胚被吹脹得與模腔接觸后，再注入高壓(2.5~3.0MPa，有的達4MPa)空氣，使瓶子與模腔緊密接觸而快速冷卻定型。拉伸吹塑模具的溫度一般應取得低一些(3℃~10℃)，這樣有助于縮短成型周期。而有時為了提高瓶子的耐熱性能，可把模具溫度取高些(80℃~105℃)，以對瓶子做熱定型處理。

PET注拉吹技術的發展現狀及趨勢

近年來，PET注拉吹技術的發展體現在提高產量、拓寬適應范圍、改善容器性能和減小瓶子壁厚等方面。例如，目前PET瓶（容積0.5L）拉伸吹塑的最高產量已高達60000~65000個/小時。為了適應再加熱拉伸吹塑設備產量的提高，瓶胚注塑機制造廠家一直在設法增加瓶胚模具的模腔數量。單層PET瓶胚的注塑模具的模腔數在4年前就已達到了144腔，目前已有廠家推出了擁有144模腔的共注塑系統。另外，拉伸吹塑機制造廠家近年還在不斷地改進拉伸吹塑的過程控制和制品品質檢測技術。采用智能檢測和閉環反饋技術，可使拉伸吹塑機實現自動調整；在拉伸吹塑機械上安裝攝像機，并與照明及其他系統配合，可在生產過程中實時檢測瓶胚和瓶子的頸部、底部、密封、表面及肉眼可見的缺陷，不合格的容器可被自動排除，還可在線檢測PET瓶胚的光學性能；采用非接觸的紅外線技術，可在線快速(6s)檢測瓶子的壁厚分布。

拉伸吹塑PET瓶的主要發展方向是提高其阻滲性能和耐熱性能。這里著重介紹PET瓶的阻滲技術。

大約5年前，人們對阻滲性PET啤酒瓶抱有很高的期望，認為啤酒不久就可采用PET瓶灌裝，但在實施過程中，人們卻發現這比他們期望的要困難得多。實際上，在2002年全世界所使用的2500億個啤酒瓶中，僅有不到0.1%是PET瓶。因此，吹塑廠家就把主要力量轉向開發果汁、碳酸飲料和熱灌裝等產品用的阻滲性PET瓶，瓶子的容積則集中在200~1000mL。這些產品對包裝的要求顯然要比啤酒低得多。

通過提高PET瓶的阻O2和CO2的滲透性能，可延長貨架期，保持飲料的香味和營養價值。目前提高PET瓶阻滲性能的技術可分為以下幾種。

1、共注射拉伸吹塑

采用該技術成型的瓶胚具有多層結構，即PET作為結構層，在內外PET結構層間設置阻滲性層。目前約有70%的阻滲性PET瓶采用這種多層結構。

可作為阻滲性層的樹脂主要是MXD6尼龍和EVOH，它們的價格大約是$5.5/kg和$7.7/kg。MXD6尼龍是透明的高阻滲性樹脂，可承受熱灌裝的溫度；EVOH的阻CO2的滲透性能要比MXD6尼龍高，同時它還具有極好的香味保存性。此外還可采用納米復合塑料作為多層瓶的阻滲性層。

最近還出現了一種更新的方法，那就是先使MXD6尼龍與一種鈷基氧捕捉劑(oxygen scavenger)共混，然后把此共混物作為拉伸吹塑多層PET瓶的芯層材料。用具有該種多層結構的PET瓶盛裝果汁，再輔以PP阻滲性密封蓋，可使果汁的貨架期長達1年。該包裝的貨架期之所以這么長，是因為鈷基氧捕捉劑既可堵住外面O2進入瓶內的通道，又可平衡已在瓶內的O2。

2、表面涂覆技術

該方法是指在單層PET瓶的內或外表面涂覆一層極薄（有些厚度比人的頭發絲的直徑還小）的阻滲層。該技術雖然可采用較低成本的單層PET瓶，但涂覆設備的造價一般較高。可用于涂覆的材料有多種，包括無機材料和有機材料。

● 碳。法國Sidel公司的Actis冷等離子體技術起初是為啤酒瓶而研發的，在瓶子的內表面涂覆一層薄的碳層，就可使其對O2和CO2的阻滲性能分別提高30倍和7倍。該公司為了降低成本，最近還開發了一種新的Actis Lite涂覆技術，以用于要求較低（如果汁、碳酸飲料和熱灌裝產品）的PET瓶。
此外，日本有4家公司合作開發了一種低溫等離子體技術，可把一種被稱為“似金剛石的碳”材料涂覆在PET瓶表面，涂覆前不需預處理，涂層厚度為0.02~0.04mm，可使瓶子對氣體的阻滲性能提高30倍。

● 氧化硅(SiOx)。采用特殊的等離子體技術，在PET瓶內表面沉積一層透明似玻璃的二氧化硅(SiO2)薄層（厚度為0.01mm ~0.1mm）。該法的成本只比未處理的PET瓶高20%，卻可使瓶子的阻CO2和O2滲透的性能分別提高25倍和17倍。SiO2涂層具有高的彈性（抗龜裂性），可保證瓶子在灌裝過程中發生膨脹和收縮時仍能保持完好的阻滲性能。同時由于涂層位于瓶子內表面，確保了涂層在灌裝和運輸過程中不會被磨損。

此外，在PET瓶的拉伸吹塑和灌裝工序之間，通過物理真空鍍膜的方法，也可把SiO2涂覆在瓶子外表面。該法的優點是產量大，可達20000個/小時。為防止涂層被磨損，可在SiO2層上涂保護層。

● 環氧氨基樹脂。把液態的環氧氨基樹脂噴涂在PET瓶的外表面，然后置于烘箱內進行交聯固化，所形成的厚1~6mm的交聯層不但光澤性好，而且對CO2和O2有很好的阻滲性能，使貨架期可延長2.5~3倍。此外，瓶子還可進行巴氏消毒處理或用于果汁的熱灌裝。由于涂層樹脂潤滑性好，使用這種技術連續涂覆時，產量可達45000個/h。

●燃燒化學蒸氣沉積法(Combustion Chemical Vapor Deposition)。這是一種較新的技術，采用有機或無機阻滲性材料，首先把低蒸汽壓力的涂覆溶液噴成霧狀，然后通過火焰使之干燥并同時固化。該涂層不會影響瓶子的透明性。與其他涂覆方法比，此技術不需真空箱，操作較簡單，成本較低，并具有環境友好性。

3、共混法

將PET與高阻滲性樹脂（如EVOH）或與氧捕捉劑或與這兩者進行共混，然后再用此共混材料注塑出單層瓶胚，以用于拉伸吹塑。這種方法既不需要多層共注塑工藝，也不需涂覆設備，而且瓶子設計的自由度較大，但合適的阻滲性樹脂價格很高。