探析聚酯包装瓶应力开裂解决途径

包装材料是聚酯，聚酯在饮料包装中的地位无疑举足轻重。在这些包装产品中，对质量要求最高的是碳酸饮料（如可口可乐和百事可乐）的包装瓶，其中的一个指标是瓶子的耐应力开裂性能，对其深入研究有较大理论和应用价值　　 
    碳酸饮料聚酯包装瓶的生产通常采用两步法，典型的生产设备为加拿大的 HUSKEY注塑机配法国的SIDEL吹瓶机。　　 
    首先是制坯：PET切片在160℃左右干燥5～6h后，通过螺杆熔融注塑制得瓶坯，螺杆温度285～290℃，模具有冷却水冷却，水温8～10℃，冷却时间约3.5s。瓶胚放置24h后，可进行吹塑制瓶。　　吹瓶：瓶坯加热至110℃左右，经拉伸吹胀后成瓶，模具同样有冷却水冷却，底部水温11℃。　　碳酸饮料聚酯包装瓶通常有500ml，　600ml，1.25ml，2L等几种不同的容量，瓶底的形状相当复杂，通常为花瓣型，其复杂的结构形态成为制品的应力集中点，开裂的位置都发生在此处，成为质量控制的关键点。
    一、 碳酸饮料聚酯包装瓶对耐应力开裂性能的要求及检测方法　　碳酸饮料瓶耐应力开裂性能检测试验在可口可乐公司被称为QSCRT（Quick Stress Crack Resistance Test），过程如下：　　在瓶中加入相应量的柠檬酸(C6H8O7·H2O)和碳酸氢钠 (NaHCO3),加满水,盖好瓶盖,摇匀,使柠檬酸和碳酸氢钠充分反应,所生成的二氧化碳体积相当于瓶内容积的4.3倍。接着,将上述瓶子置于浓度为0.2% （质量百分数）的NaOH溶液中(溶液温度为24℃), NaOH溶液浸没瓶子底部。45min后,受测试的10个样品都不能漏气，允许裂纹,换句话说,若10个样品中的任何一个在45min内漏气,则此试验为不合格。破裂的位置发生在瓶底注塑点附近。　　新吹制的瓶子应力试验的时间要求大于45min,瓶子随存放时间延长，漏气时间缩短，至1个月后应力试验的时间要求大于20min。
    二、 应力开裂的机理　　高聚物断裂的微观过程可归结为以下三种情况：（ａ）化学键破坏；（ｂ）分子间滑脱；（ｃ）范德华力或氢键破坏。通过对这三种破坏情况的断裂强度理论分析表明：由于实际高分子链的长度是有限的，同时分子链也总会或多或少存在着未取向的部分，因此高聚物正常破坏时，首先将发生在未取向部分的氢键或范德华力的破坏，随后应力集中到取向的主链上，尽管共价键的强度比分子间作用力大10～20 倍，但是由于直接承受外力的取向主链数目少，最终还是会有化学键的断裂。　　应力产生的一个主要原因是在成型过程中，由于制件表里冷却速度不同，表面物料接触温度较低的模壁，迅速冷却固化成一层硬壳，而内部物料还处于熔融状态，随着它的冷却收缩，使得制件内部产生内应力。环境因素引起的应力分布通常是不规则排列的，它时常直接发展为环境应力开裂。　　根据环境因素的不同，环境应力开裂包括：溶剂裂纹、非溶剂裂纹（包括醇、润湿剂等表面活性物质）、热应力开裂、氧化应力开裂等。其中溶剂和非溶剂引起的应力开裂的试验，已经成为研究高聚物内应力和耐开裂性能的重要方法，如碳酸饮料瓶耐应力开裂性能检测试验（QSCRT）就是基于此原理。
    三、 碳酸饮料聚酯包装瓶应力开裂的影响因素和解决方法　　碳酸饮料聚酯包装瓶应力开裂的影响因素相当复杂，作者在多年的生产、开发、售后服务的实践中总结了聚酯原料质量和制瓶工艺两方面的影响因素和相应的控制方法，为解决此技术难题提出了思路，具有极强的针对性和实用价值，按下面所列的影响因素，再结合实际情况（如不同的原料、机型、瓶型甚至天气等）做出不同的工艺优化，我们在用户的使用过程中给予指导，取得了满意的效果。1.聚酯质量控制（１）控制聚酯结晶速度　　(a) 通过共聚改性：存在诸多技术诀窍。通过选择适当的共聚组分和加入量可减慢聚酯的结晶速度。我们在实践中采用间酸类和醇类共聚组分均取得了明显的效果。　　(b) 通过物理改性：使用无机添加剂，改善聚酯的后加工性能。存在诸多技术诀窍。　　(c) 瓶底各位置的结晶度是控制点,与原料配方有关。（2）清洁生产，提高聚酯的纯度　　(a) 使用更精细的过滤。　　(b) 引入在线气密性检测。　　(c) 对设备结构进行修改，减少死角。　　(d) 控制聚酯中小分子的含量。　　(e) 控制其它杂质。（3） 粘度控制　　(a) 以0.86～0.88dg/l为合适。　　 (b) 粘度波动应小于0.005dg/l。　　(c) 选用中等至宽的分子量分布值。　　(d) 控制固相缩聚的幅度。（4）瓶子收缩率　　瓶子收缩率大的其抗应力开裂性能变差，这与原料配方的设计有关。（5）控制二甘醇（DEG）含量　　二甘醇直接影响聚酯熔体的流动性能。中心值控制在1.0%～1.2%。 2．注塑工艺调整（1）螺杆温度　　根据熔点、 DEG含量和共聚组分的加入量调整螺杆温度。（2）瓶坯克重　　通过调整注塑工艺实现对瓶坯克重的控制，减少0.2g的坯重，对应力有显著改善。根据克重调整瓶坯温度分布。（3）瓶坯结晶度　　 (a) 瓶坯结晶度要尽量低。　　(b) 如瓶坯结晶度高，吹瓶时应相应提高瓶坯加热温度。　　(c) 确保瓶坯的正确冷却和原料的正确干燥。3．吹塑工艺调整（1）拉伸速度　　(a) 选择合适的拉伸速率确保拉伸终点正确，如出现瓶底注点偏离中心位置或瓶身发白，则需重新设定拉伸速率。　　(b) 运用聚酯的应力——应变曲线。（2）拉伸温度　　(a) 瓶坯加热温度选择在聚酯的玻璃化温度（Tg）以上25～30℃内，因粘度、水分、共聚组分和克重等而异。　　(b) 粘度越高，拉伸温度越高。　　(c) 水分越高，拉伸温度越低。　　(d) 共聚组分越高，拉伸温度越低。　　(e) 瓶坯温度分布随克重改变。4．解决应力开裂难题的工艺条件优化实例　　下面（表1-5）是我们在国产机器上（震德CJ120型注塑机，配达亿隆CP22型吹瓶机）按上述思路进行工艺优化的例子，几种瓶型的瓶子（包括500ml，1.25l，2l，这里只列出前两种）经测试（QSCRT）全部合格（新瓶的QSCRT时间超过60min）。在喷嘴的加热开度均为60%的条件下，500ml和1250ml碳酸饮料聚酯包装瓶生产过程中1，2，3，4段的料筒温度分别为275，280， 280，275℃；6，7，8，9，10段吹瓶温度控制参数（电压）均为0。　　
    聚酯的内在特性是影响制品耐应力开裂性能的基本因素，如结晶性能、特性粘度和分子量分布等。选择合适的注塑和吹塑工艺条件对提高聚酯瓶的耐应力开裂性能至关重要，本文所总结的耐应力开裂性能的影响因素和控制方法在实践中取得了满意的效果，有实际应用价值和参考意义。