如何改善PET熱灌裝瓶耐熱性能

分析了PET熱灌裝瓶瓶型設計及選擇中需考慮的若干變數，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

生產低酸度、中性飲料，如茶、果汁、果味水等時，須對灌裝后的半成品及瓶器進行滅菌處理，以便控制產品的微生物污染?？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，熱灌裝技術因其安全性、經濟性較好而在我國飲料行業被廣泛采用，前景十分廣闊。下面是筆者在實際工作中，通過對一步法熱灌裝制瓶機及熱灌裝設備的工作原理探索所得的總結分析。

二.熱灌裝工藝簡述

熱灌裝工藝中，產品經UHT超高溫滅菌處理(瞬時加熱至1200C~1400C，停留數十秒鐘)，然后降溫至灌裝溫度(850C~900C)。灌裝封蓋后，瓶身倒置或側躺30秒鐘左右，以便對瓶蓋及瓶頸部位進行與瓶身同溫度的滅菌處理。瓶子在高溫下停留一定時間(30~120秒)后，送入冷卻通道，分段將瓶子冷卻至340C~380C(通過冷卻通道的時間約為12~20分鐘)，隨后對瓶子進行貼標、裝箱等后道包裝。

三.耐熱瓶瓶型設計要點

設計耐熱瓶瓶型時，必須考慮以下因素：

1. 灌裝后30秒鐘內，瓶內正壓上升。這是因為：

(1) 灌裝后瓶內殘留空氣溫度從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的正壓而不至于產生永久變形。

2. PET瓶在高溫下的容積收縮。普通PET瓶在850C時收縮率可達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變化。灌裝溫度越高。瓶器容積收縮越大。實驗表明，在860C~900C間的容積收縮率對溫度上升尤其敏感。灌裝點高度越低，灌裝后瓶內殘留空氣容積越大，瓶器收縮也越大。這是因為瓶內殘留空氣容積越大，抵抗瓶器收縮變形的能力越小。通常，熱灌裝瓶灌裝點在瓶器支撐環處。

圖1 熱灌裝瓶容積收縮率與灌裝溫度的關系

4. 吹塑成型后循環吹氣冷卻時間對瓶器容積、結晶度和剛度均有影響。循環吹氣冷卻時間越長，瓶器容積越大。因此，設計瓶型時務必考慮使用最低的高壓空氣消耗量來達到瓶子的最佳性能。

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

圖2 灌裝后空腔部分(殘留空氣)壓力和瓶器溫度、時間的關系曲線因此，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構設計，瓶底設有內凹加強筋，用以承受瓶子冷卻至室溫后瓶內負壓。

四.制瓶工藝中改善瓶子耐熱性能的措施

(1) 合理設計瓶坯。最優化的瓶坯形狀設計有助于改善瓶子的壁厚分布狀況，避免在瓶身不同區域產生扭曲或收縮變形;

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

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

圖3 耐熱瓶結晶度、容積收縮率與瓶坯注射冷卻時間的關系

(4)吹塑模調溫技術的運用。通常用熱油循環法給吹塑模加溫。吹塑模調溫共有三種循環：- 瓶身熱油循環。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，促發進一步結晶。延長吹塑保壓時間，使瓶壁與型腔長時間接觸，有充足時間來提高瓶身結晶度，達到35%左右，但又不犧牲透明度。1000C以下的模溫對瓶身結晶度的影響極小，因為，瓶身結晶發生在1000C以上。

圖4 耐熱瓶結晶度與吹塑模具溫度的關系

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

——瓶頸調溫(選用)。非結晶瓶口部分從注塑模脫模后一直處于完全冷卻狀態。非結晶瓶口多數采用加強瓶口設計(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，螺紋外徑收縮率低于0.6%。

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

隨著實踐經驗的進一步豐富，熱灌裝瓶生產技術也正在突飛猛進地發展。主要的發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，非結晶瓶口的廣泛運用等。迎合環保概念，外觀時尚簡潔的新瓶型正在越來越多地受到消費者的青睞。