如何改善PET熱灌裝瓶耐熱性能

分析了PET熱灌裝瓶瓶型設(shè)計(jì)及選擇中需考慮的若干變數(shù)，并提出了一些PET熱灌裝瓶成型過程中改善耐熱性能的工藝方法。

一、前言

生產(chǎn)低酸度、中性飲料，如茶、果汁、果味水等時(shí)，須對灌裝后的半成品及瓶器進(jìn)行滅菌處理，以便控制產(chǎn)品的微生物污染?？晒┻x擇的灌裝方法有：

1. 添加防腐劑;

2. 無菌或冷滅菌灌裝;

3. 熱灌裝(含氣飲料除外);

4. 巴氏滅菌。

近年以來，熱灌裝技術(shù)因其安全性、經(jīng)濟(jì)性較好而在我國飲料行業(yè)被廣泛采用，前景十分廣闊。下面是筆者在實(shí)際工作中，通過對一步法熱灌裝制瓶機(jī)及熱灌裝設(shè)備的工作原理探索所得的總結(jié)分析。

二.熱灌裝工藝簡述

熱灌裝工藝中，產(chǎn)品經(jīng)UHT超高溫滅菌處理(瞬時(shí)加熱至1200C~1400C，停留數(shù)十秒鐘)，然后降溫至灌裝溫度(850C~900C)。灌裝封蓋后，瓶身倒置或側(cè)躺30秒鐘左右，以便對瓶蓋及瓶頸部位進(jìn)行與瓶身同溫度的滅菌處理。瓶子在高溫下停留一定時(shí)間(30~120秒)后，送入冷卻通道，分段將瓶子冷卻至340C~380C(通過冷卻通道的時(shí)間約為12~20分鐘)，隨后對瓶子進(jìn)行貼標(biāo)、裝箱等后道包裝。

三.耐熱瓶瓶型設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)耐熱瓶瓶型時(shí)，必須考慮以下因素：

1. 灌裝后30秒鐘內(nèi)，瓶內(nèi)正壓上升。這是因?yàn)椋?/span>

(1) 灌裝后瓶內(nèi)殘留空氣溫度從300C左右上升至800C~900C;

(2) 雙向拉伸取向的PET瓶在受熱后收縮，容積減小。在高溫下，瓶子必須能夠承受0.1~0.3Bar的正壓而不至于產(chǎn)生永久變形。

2. PET瓶在高溫下的容積收縮。普通PET瓶在850C時(shí)收縮率可達(dá)20%。但是，使用耐熱瓶專用PET粒子吹制的耐熱瓶的收縮率通常在1%~1.5%之間;

3. 灌裝后收縮量及灌裝點(diǎn)變化。灌裝溫度越高。瓶器容積收縮越大。實(shí)驗(yàn)表明，在860C~900C間的容積收縮率對溫度上升尤其敏感。灌裝點(diǎn)高度越低，灌裝后瓶內(nèi)殘留空氣容積越大，瓶器收縮也越大。這是因?yàn)槠績?nèi)殘留空氣容積越大，抵抗瓶器收縮變形的能力越小。通常，熱灌裝瓶灌裝點(diǎn)在瓶器支撐環(huán)處。

圖1 熱灌裝瓶容積收縮率與灌裝溫度的關(guān)系

4. 吹塑成型后循環(huán)吹氣冷卻時(shí)間對瓶器容積、結(jié)晶度和剛度均有影響。循環(huán)吹氣冷卻時(shí)間越長，瓶器容積越大。因此，設(shè)計(jì)瓶型時(shí)務(wù)必考慮使用最低的高壓空氣消耗量來達(dá)到瓶子的最佳性能。

5. 熱灌裝后的飲料降至室溫時(shí)，因飲料在不同溫度下比重的變化導(dǎo)致瓶內(nèi)液體容積下降2%左右。同時(shí)，溫度下降還導(dǎo)致瓶內(nèi)殘留空氣在液體中的溶解度上升。這一切都導(dǎo)致瓶內(nèi)殘留空氣的容積膨脹，產(chǎn)生0.2~0.3倍大氣壓的負(fù)壓。灌裝后空腔部分(殘留空氣)壓力和瓶器溫度、時(shí)間的關(guān)系曲線見下圖。

圖2 灌裝后空腔部分(殘留空氣)壓力和瓶器溫度、時(shí)間的關(guān)系曲線因此，耐熱瓶必須符合以下要求：

(1) 高溫下(850C~900C)容積收縮率在1%~1.5%之間;

(2) 30%以上的結(jié)晶度，確保良好的耐熱性能和較弱的水分吸附能力(瓶壁吸附的水分象分子鏈間的潤滑劑一樣降低瓶子的機(jī)械性能;

(3) 合理的壁厚分布，避免熱灌裝后的非線性收縮(變形);

(4) 瓶身采取特殊的板框形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，瓶底設(shè)有內(nèi)凹加強(qiáng)筋，用以承受瓶子冷卻至室溫后瓶內(nèi)負(fù)壓。

四.制瓶工藝中改善瓶子耐熱性能的措施

(1) 合理設(shè)計(jì)瓶坯。最優(yōu)化的瓶坯形狀設(shè)計(jì)有助于改善瓶子的壁厚分布狀況，避免在瓶身不同區(qū)域產(chǎn)生扭曲或收縮變形;

(2) 嚴(yán)格控制注射和拉坯-吹塑工藝參數(shù)以及各區(qū)域溫度分布，避免殘余應(yīng)力在PET玻璃化溫度(>750C)下釋放而導(dǎo)致瓶子變形;

(3) 瓶坯注射冷卻時(shí)間控制。嚴(yán)格控制瓶坯注射冷卻時(shí)間，讓瓶坯盡早脫模。這樣即可縮短成型周期，提高瓶子產(chǎn)量，又可因較高的殘余溫度而誘發(fā)球狀結(jié)晶。球狀結(jié)晶的晶體直徑極小，僅為0.3~0.7微米，并不影響透明度。

圖3 耐熱瓶結(jié)晶度、容積收縮率與瓶坯注射冷卻時(shí)間的關(guān)系

(4)吹塑模調(diào)溫技術(shù)的運(yùn)用。通常用熱油循環(huán)法給吹塑模加溫。吹塑模調(diào)溫共有三種循環(huán)：- 瓶身熱油循環(huán)。將吹塑模加熱至1200C~1400C。這樣，瓶坯與吹塑模型腔間的溫度差減小，促發(fā)進(jìn)一步結(jié)晶。延長吹塑保壓時(shí)間，使瓶壁與型腔長時(shí)間接觸，有充足時(shí)間來提高瓶身結(jié)晶度，達(dá)到35%左右，但又不犧牲透明度。1000C以下的模溫對瓶身結(jié)晶度的影響極小，因?yàn)?，瓶身結(jié)晶發(fā)生在1000C以上。

圖4 耐熱瓶結(jié)晶度與吹塑模具溫度的關(guān)系

——瓶底冷卻水循環(huán)。瓶子底部保持低溫(100C~300C)，避免未經(jīng)拉伸的瓶底部分過度結(jié)晶而發(fā)白;

——瓶頸調(diào)溫(選用)。非結(jié)晶瓶口部分從注塑模脫模后一直處于完全冷卻狀態(tài)。非結(jié)晶瓶口多數(shù)采用加強(qiáng)瓶口設(shè)計(jì)(增加瓶口壁厚)，從而改善封口性能，避免壓蓋過程中瓶口變形。通常，灌裝后瓶口橢圓度控制在0.2毫米以內(nèi)，螺紋外徑收縮率低于0.6%。

(5)循環(huán)吹氣技術(shù)。當(dāng)采用熱吹塑模時(shí)，如何控制瓶子脫模后變形至關(guān)重要。吹塑模開模前吹入空氣并排空循環(huán)，對瓶身進(jìn)行冷卻并定形，從而控制脫模后的變形量。循環(huán)冷卻空氣的進(jìn)氣通過與初吹、二次吹相同的通道，但從拉坯桿頭部小孔經(jīng)拉坯桿內(nèi)排氣。循環(huán)吹氣時(shí)間約為0.5~2秒。因此，耐熱瓶制瓶機(jī)的高壓空氣消耗量比普通瓶制瓶機(jī)高得多。

隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)一步豐富，熱灌裝瓶生產(chǎn)技術(shù)也正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。主要的發(fā)展趨勢包括在不降低灌裝溫度的前提下瓶子重量的不斷減輕，非結(jié)晶瓶口的廣泛運(yùn)用等。迎合環(huán)保概念，外觀時(shí)尚簡潔的新瓶型正在越來越多地受到消費(fèi)者的青睞。