改善PET热灌装瓶耐热性能方法

分析了PET热灌装瓶瓶型设计及选择中需考虑的若干变数，并提出了一些PET热灌装瓶成型过程中改善耐热性能的工艺方法。
一、前言
生产低酸度、中性饮料，如茶、果汁、果味水等时，须对灌装后的半成品及瓶器进行灭菌处理，以便控制产品的微生物污染。可供选择的灌装方法有：
1. 添加防腐剂；
2. 无菌或冷灭菌灌装；
3. 热灌装（含气饮料除外）；
4. 巴氏灭菌。
近年以来，热灌装技术因其安全性、经济性较好而在我国饮料行业被广泛采用，前景十分广阔。下面是笔者在实际工作中，通过对一步法热灌装制瓶机及热灌装设备的工作原理探索所得的总结分析。 
二．热灌装工艺简述
热灌装工艺中，产品经UHT超高温灭菌处理（瞬时加热至1200C~1400C，停留数十秒钟），然后降温至灌装温度（850C~900C）。灌装封盖后，瓶身倒置或侧躺30秒钟左右，以便对瓶盖及瓶颈部位进行与瓶身同温度的灭菌处理。瓶子在高温下停留一定时间（30~120秒）后，送入冷却通道，分段将瓶子冷却至340C~380C（通过冷却通道的时间约为12~20分钟），随后对瓶子进行贴标、装箱等后道包装。
三．耐热瓶瓶型设计要点
设计耐热瓶瓶型时，必须考虑以下因素：
1. 灌装后30秒钟内，瓶内正压上升。这是因为：
（1） 灌装后瓶内残留空气温度从300C左右上升至800C~900C；
（2） 双向拉伸取向的PET瓶在受热后收缩，容积减小。在高温下，瓶子必须能够承受0.1~0.3Bar的正压而不至于产生永久变形。
2. PET瓶在高温下的容积收缩。普通PET瓶在850C时收缩率可达20%。但是，使用耐热瓶专用PET粒子吹制的耐热瓶的收缩率通常在1%~1.5%之间；

3. 灌装后收缩量及灌装点变化。灌装温度越高。瓶器容积收缩越大。实验表明，在860C~900C间的容积收缩率对温度上升尤其敏感。灌装点高度越低，灌装后瓶内残留空气容积越大，瓶器收缩也越大。这是因为瓶内残留空气容积越大，抵抗瓶器收缩变形的能力越小。通常，热灌装瓶灌装点在瓶器支撑环处。

图1 热灌装瓶容积收缩率与灌装温度的关系
4. 吹塑成型后循环吹气冷却时间对瓶器容积、结晶度和刚度均有影响。循环吹气冷却时间越长，瓶器容积越大。因此，设计瓶型时务必考虑使用最低的高压空气消耗量来达到瓶子的最佳性能。
5. 热灌装后的饮料降至室温时，因饮料在不同温度下比重的变化导致瓶内液体容积下降2%左右。同时，温度下降还导致瓶内残留空气在液体中的溶解度上升。这一切都导致瓶内残留空气的容积膨胀，产生0.2~0.3倍大气压的负压。灌装后空腔部分（残留空气）压力和瓶器温度、时间的关系曲线见下图。
图2 灌装后空腔部分（残留空气）压力和瓶器温度、时间的关系曲线因此，耐热瓶必须符合以下要求：
（1） 高温下（850C~900C）容积收缩率在1%~1.5%之间；
（2） 30%以上的结晶度，确保良好的耐热性能和较弱的水分吸附能力（瓶壁吸附的水分象分子链间的润滑剂一样降低瓶子的机械性能；
（3） 合理的壁厚分布，避免热灌装后的非线性收缩（变形）；
（4） 瓶身采取特殊的板框形结构设计，瓶底设有内凹加强筋，用以承受瓶子冷却至室温后瓶内负压。
四．制瓶工艺中改善瓶子耐热性能的措施
（1） 合理设计瓶坯。最优化的瓶坯形状设计有助于改善瓶子的壁厚分布状况，避免在瓶身不同区域产生扭曲或收缩变形；
（2） 严格控制注射和拉坯-吹塑工艺参数以及各区域温度分布，避免残余应力在PET玻璃化温度（>750C）下释放而导致瓶子变形；

（3） 瓶坯注射冷却时间控制。严格控制瓶坯注射冷却时间，让瓶坯尽早脱模。这样即可缩短成型周期，提高瓶子产量，又可因较高的残余温度而诱发球状结晶。球状结晶的晶体直径极小，仅为0.3~0.7微米，并不影响透明度。

图3 耐热瓶结晶度、容积收缩率与瓶坯注射冷却时间的关系
（4）吹塑模调温技术的运用。通常用热油循环法给吹塑模加温。吹塑模调温共有三种循环：- 瓶身热油循环。将吹塑模加热至1200C~1400C。这样，瓶坯与吹塑模型腔间的温度差减小，促发进一步结晶。延长吹塑保压时间，使瓶壁与型腔长时间接触，有充足时间来提高瓶身结晶度，达到35%左右，但又不牺牲透明度。1000C以下的模温对瓶身结晶度的影响极小，因为，瓶身结晶发生在1000C以上。

图4 耐热瓶结晶度与吹塑模具温度的关系</FONT></P>
——瓶底冷却水循环。瓶子底部保持低温（100C~300C），避免未经拉伸的瓶底部分过度结晶而发白；<BR><BR>　　——瓶颈调温（选用）。非结晶瓶口部分从注塑模脱模后一直处于完全冷却状态。非结晶瓶口多数采用加强瓶口设计（增加瓶口壁厚），从而改善封口性能，避免压盖过程中瓶口变形。通常，灌装后瓶口椭圆度控制在0.2毫米以内，螺纹外径收缩率低于0.6%。
（5）循环吹气技术。当采用热吹塑模时，如何控制瓶子脱模后变形至关重要。吹塑模开模前吹入空气并排空循环，对瓶身进行冷却并定形，从而控制脱模后的变形量。循环冷却空气的进气通过与初吹、二次吹相同的通道，但从拉坯杆头部小孔经拉坯杆内排气。循环吹气时间约为0.5~2秒。因此，耐热瓶制瓶机的高压空气消耗量比普通瓶制瓶机高得多。
随着实践经验的进一步丰富，热灌装瓶生产技术也正在突飞猛进地发展。主要的发展趋势包括在不降低灌装温度的前提下瓶子重量的不断减轻，非结晶瓶口的广泛运用等。迎合环保概念，外观时尚简洁的新瓶型正在越来越多地受到消费者的青睐。