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PP饮料瓶的应用

聚丙烯(PP)具有良好的成型性,可采用注射吹塑、注射拉伸吹塑、共挤出吹塑等方法制成中空容器。由于PP热稳定性远好于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),因此,PP饮料瓶在热罐装包装领域具有发展潜力。PP饮料瓶最具发展潜力的市场在热灌装饮料,特别是茶饮料市场。由于包装在饮料成本中占有很大比重,因此,即使已经使用PET热灌装瓶的企业,也有可能因此转向。而一些新投资的茶饮料企业将可直接使用PP饮料瓶。因此,瓶用PP专用树脂在饮料行业有着极大的商机。


1、PP饮料瓶的特点 

与PET瓶相比,PP饮料瓶具有以下几个特点。
(1)PET热灌装瓶需要经过特殊的热定型处理,只能承受不大于93度的热灌装温度,达不到茶饮料的热灌装要求。PP与之相比,可承受100度的灌装温度,使热灌装工艺变得轻而易举。
(2)用于热灌装的PET瓶,需对其瓶型进行特殊设计,如瓶子的下部和底部必须制成特殊形状才能承受热灌装时的温度和压力,而PP饮料瓶可以承受100度的高温,因此,在设计上无须对瓶体提出苛刻要求,可设计成任意形状的瓶体。
(3)PP饮料瓶具有明显的成本优势。这种 优势来自3个方面:一是PP的密度较PET轻得多,制造同样体积的瓶子PP比PET节省原料;二是设备投资少,PET是极易吸潮的树脂,加工前必须使用特殊的设备进行烘干,这就增加了设备的投资;三是设备灵活度大,效率高。对制瓶厂,一般的做法是在淡季生产瓶子或瓶坯贮存以备旺季使用,但PET易吸潮,保质期只有几周,瓶坯的保质期也有限,而透明PP不吸潮,可长期贮存,这对提高企业的设备利用率是至关重要的。
(4)回收的PET瓶清洗比较麻烦,对侵蚀性洗涤剂的抵抗力较弱,也不能经受高温消毒,而PP饮料瓶可全部回收再用


2、PP饮料瓶的成型加工 

PP饮料瓶以注拉吹方法进行中空成型,即将注塑机注射的熔融PP注入注塑模具,通过急剧冷却而成型出透明的有底型坯,然后在另一工位将型坯内外加热,达到一定温度后将瓶坯延伸一定的比例,再充入压缩空气,获得所需的中空制品。这种成型方法的特点是轴向与径向有相同的拉伸比,可提高吹塑容器的机械性能、阻渗性能、透明性能、减小制品壁厚,这是吹塑成型中制品壁厚最薄的一种工艺。它具有壁厚均匀、尺寸稳定性好、质量轻、强度大等优点,因此应用范围非常广泛。注拉吹工艺可分为全自动一步法和全自动二步法。一步法工艺的主要代表为意大利的西帕(SIPA)、日本青木固和日本ASB。二步法工艺的特点是瓶坯在专用的高速注塑机上完成,它的生产效率一般较高,主要代表为加拿大郝斯基(HUSKY)的注塑机、法国西得乐公司的吹瓶系统,以及德国克虏伯公司的注塑机等。据报道,香港环保科技集团和东莞佳鸿机械制造有限公司开发的注拉吹PP饮料瓶加工设备,也采用了二步法的生产工艺,但工艺相对简单。由于无须原料的干燥处理,也不需要对瓶子进行定型和瓶口结晶等处理,因此,工艺较易控制,设备投资少,灵活性大,既可在同一套设备上生产普通PP饮料瓶,也可生产热灌装瓶,对设备的调校时间也很短。


3、PP饮料瓶的市场和需求 

目前中国饮料的年产量基本呈逐年增长的趋势,是食品工业中发展速度最快的行业之一。中国饮料工业经过20多年的快速发展,从20世纪70年代或80年代单一的玻璃瓶装汽水,发展到现在碳酸饮料、瓶装水、果蔬汁、茶饮料、含乳饮料、植物性蛋白饮料(豆奶)、功能性饮料、固体速溶性饮料以及其他饮料共十大类。未来3~5年的饮料市场在保有现有的果汁、茶类、瓶装饮用水、功能性饮料以及碳酸饮料等的基础上,将会向低糖或无糖饮料,纯天然、含乳类等健康性饮料方向发展。产品开发的多样性将最终推动饮料包装技术的进步和发展 


4、PP饮料瓶最主要及最具竞争力的市场是热灌装饮料包装,其次是液体奶制品包装等领域。 热灌装饮料包装以茶饮料为例,全世界已在使用的包装有玻璃瓶、金属易拉罐、纸铝塑复合熔体流动速率(MFR)在2~20g/10min,但大多在6~14g/10min。由于是中空吹塑级树脂,一般相对分子质量分布较宽。另外,为了满足包装产品后的使用要求和美观要求,PP原材料要具有一定的挺度、抗冲击性能和较高的透明性。在生产聚合瓶用无规共聚PP时,要注意以下的控制关系。

(1)乙烯用量与透明性的关系。随着乙烯含量的增加,无规共聚PP的结晶度下降,透明性得到一定程度的提高。在瓶用PP树脂的生产中,根据加工工艺和制品透明度等物性的要求不同,总乙烯质量分数一般控制在1.0%~4.0%,在聚合物链结构中引入乙烯链段,能阻止PP的结晶,避免大的球晶生成,透明性变好。

(2)乙烯含量与刚性、韧性的关系。随着乙烯含量的增加,无规共聚PP的悬臂梁缺口冲击强度得以提高,而屈服拉伸强度逐渐下降。较均聚PP而言,无规共聚PP分子链中引入了乙烯链段,分子规整性降低,引起聚合物结晶度下降,使产品的悬臂梁缺口冲击强度得到提高。聚合物优良的抗冲击性能意味着刚性的损失。随着PP的MFR降低和乙烯含量增加,其悬臂梁缺口冲击强度提高,但刚性变差。这表现在屈服拉伸强度、洛氏硬度和弯曲模量的降低。因此在对饮料瓶树脂进行分子设计时,要综合考虑。饮料瓶成型加工工艺要求树脂具有较高的熔体强度,因此在聚合过程中加入少量乙烯(质量分数1%~4%),既提高悬臂梁缺口冲击强度又不使刚性下降较多。

(3)透明剂加入量对产品透明性的影响。除选择适宜量乙烯外,为达到满意的透明效果,在无规共聚PP的混炼工序加入增进透明作用的成核剂,可使透明性更为理想。另外,由于晶核的存在引起异相成核作用,使结晶速率加快,结晶尺寸均匀,在一定程度上弥补了乙丙共聚合带来的刚性损失,从而使树脂具有良好的物理性能,缩短成型时间,减少制品壁厚。几种国外典型产品的性能如表2所示。这3种专用树脂的性能比较接近,差别主要在于其添加的透明成核剂量可能不同,主要表现在模量性能上有所差异。中国石化扬子石油化工有限公司引进的BPAmoco气相聚合工艺有2个无规共聚中空吹塑PP牌号,即B4901(MFR为1.4g/10min)和B4002(MFR为2.0g/10min),可在这2个牌号的基础上,通过调节MFR和相对分子质量分布,并添加合适的透明成核剂,开发生产MFR在10g/10min左右,相对分子质量分布较宽的饮料瓶专用树脂,以满足市场的需求。


5、结语 

PP饮料瓶材料价格较低,稳定性、透明性好,不吸潮,耐温性好,缺点是光泽度和阻隔性不如PET,但通过注拉吹制瓶工艺可以提高PP饮料瓶的阻隔性和耐温性。它不仅可用于矿泉水等传统包装市场,而且在茶、果蔬汁、运动饮料和保健饮料等热灌装市场上极具优势。此外,它在安全性、环保性、卫生性和内装物的口感保持方面均更为出色,已进入乳制品包装领域,在国外尤其在日本已得到大量应用,也迅速成为国内市场新宠。