包装结构设计(第三版)第六章塑料包装容器结构设计课件.ppt

包装结构设计,本章内容介绍:第一节 塑料包装容器概述第二节 注射、压制和压铸成型容器结构第三节 中空吹塑容器结构第四节 其它成型方式的塑料容器结构第五节 塑料包装容器尺寸精度,第一节 塑料包装容器概述 一、塑料包装容器的类型 按塑料容器的结构和形体特征分类，塑料容器可以分为：箱类，桶类，瓶、罐类，杯、碗、盘、罩类，盒类，软管，发泡制品及塑料袋等八大类。,二、塑料包装容器的材料选用 1、材料选用要求（共七点）：力学性能 热性能 物理性能 化学阻抗性能 光学性能 结构加工性能 经济性,二、塑料包装容器的材料选用 2、塑料包装容器的常用材料,三、塑料包装容器的加工成型方法 1、注射成型 1)定义 将粉状或粒状塑料从注射机的料斗送入加热的料筒内，加热熔融塑化后，借助柱塞或螺杆的推力，物料被压缩并向前移动，通过料筒前端的喷嘴，以很快的速度注入温度较低的闭合模具型腔中,经过一定时间的冷却定型后，开启模具即得制品。,2)特点 适应广泛（主要表现为原料广和产品广）；成型周期短、生产效率高，易于实现自动化；能成型形状复杂，尺寸精确的制品。但设备投资大，模具结构复杂、制造费用低。适用于周转箱、集装箱、托盘、手提箱、包、盒和盖子等包装容器的成型。,2、吹塑成型 吹塑成型，简称吹塑。是利用气体的压力，将闭合在模具中的半溶融状态的管状型坯，吹胀成为中空塑料制品的成型方法吹塑成型适于不同口径、不同容量的瓶、罐类塑料中空容器的成型，是生产率高，质量易于控制的成型方法。吹塑成型按其型坯制作方法的不同，可分为：1）挤出吹塑 2）注射吹塑 3）拉伸吹塑 4）多层吹塑,吹塑成型的基本工艺条件，对不同的塑料材料、不同的吹塑形式而有所不同。挤出吹塑：型坯温度涉及因素较多，需实验确定；吹塑压力0.21MPa；模具温度20一50；吹胀比2 4。注射吹塑：型坯注射压力10 40MPa；型坯温度65135；吹塑压力0.7 1.2MPa；吹塑模具温度20 60；吹胀比2 3。拉伸吹塑：不同塑料拉伸吹塑型坯温度是不同的，如PET在90 110范围内；空气压力，挤拉吹塑个小于0.2MPa，注拉吹塑一般调控在1.37 1.47MPa之内。,3、热成型,1）真空成型,2）压力成型,3、热成型,3、热成型,3）对模成型 4）组合成型（1）凸模助压真空成型（2）气胀真空成型（3）双片中空制品热成型 5）热成型工艺条件,第一节 塑料包装容器 4、滚塑成型 5、预发泡珠粒的模塑成型,第二节 注塑容器结构设计一、塑料熔体的充模流动与成型 1、熔体流动特性 1）塑料熔体的层流形式 6-1 式中：Re：雷诺数；D：导管直径；v：液体平均速度；：液体密度；：液体剪切黏度。,2）熔体流动速率MI 是指在一定温度、一定负荷下，10分钟通过内径2.1mm、长8mm的标准口模的熔体质量，单位为g/min，MI越大，熔体流动性越好。3）塑料熔体表观黏度,4）温度、压力对塑料熔体黏度的影响,式中：流体在温度t时的剪切黏度；0：流体在温度t0时的剪切黏度；e：自然数；a：在t与t0的温差不大于50时为常数。,一、塑料熔体的充模流动与成型 2、熔合线 熔合线是在塑料容器或制品上，当分流的塑料熔体相遇后熔合固化所形成的结合痕迹。这种熔合线产生的原因有多种，如同一制品采用多流道成型嵌件的分流、流体的波状重叠等。熔合线部位是容器或制品强度最薄弱的地方，此处的强度就是容器或制品的强度。3、塑料熔体的冷却固化 1）分子定向 2）残余应力,二、塑料容器注射成型 的工艺要求 1、出模方向 2、脱模斜度 1）确定脱模斜 度的原则 2）脱模斜度的确定,3、分型面 在注射模中，分开模具取出制品的界面叫分型面。,二、塑料容器注射成型的工艺要求 4、浇口的位置 1）外观影响；2）熔合线；3）利于排气；4）强度；5）浇口位置。,三、塑料容器的壁厚 1、确定壁厚的原则 1）满足容器强度、刚度等使用要求；2）保证成型件的工艺性、精度、质量。3）满足嵌件固定及零件配合强度要求；4）顺利脱模，不发生局部损伤；5）节约材料、能耗，提高生产率。2、壁厚的设计 1）壁厚要均匀 2）壁厚差要限制 3）壁厚值的确定,例：塑料成型件壁厚设计合理与不合理的对比实例,注射成型塑料制品的壁厚与流程关系（正比例）：流程是塑料熔体从模具进料口流向型腔各处的距离。当注射压力、注射温度、模具温度等已确定的情况下壁厚越小、熔体流动阻力越大，成型越困难；同样，流程越长，成型件结构越复杂，要求的壁厚也就越大。所以，为保证塑料容器符合设计的质量要求，所确定的壁厚符合一个较为合理的数值。一般情况下、可根据表6-10所列关系式由流程计算确定。,4）流程比 熔融料流动的难易程度对塑料制件壁厚的形成影响较大。物料流动性除由塑料本身决定外，还有一个重要的因素流动比，设计时需要校核。,式中：FLR：流程比；Li：第i段流程长度，mm；ti：第i段流程的通道间隙或壁厚，mm；FLRmax：最大流程比，可由表6-11查得。,计算流程比时应注意：截面直径不等的锥形通道，其t尺寸应取 大、小端平均值；各段流程均应取最大值；通道间隙或壁厚相等的流程可相加计算。,四、塑料容器的局部结构,1）加强筋的形状和尺寸,1、加强筋,四、塑料容器的局部结构 1、加强筋 2）加强筋设计的要求,2、孔与口沿 1）孔的模塑成型 当d1.5mm,H=(12)d d1.5mm,H=(2 4)d（注射、模塑）H=(2 2.5)d（压塑）h d/6,（a）型芯一端固定（b）为两个一端固 定，中间对接 的动定型芯（c）型芯为一端固 定，另一端有 导向孔支撑,2、孔与口沿 2）孔的方向 3）孔的尺寸,2、孔与口沿 4）孔及口缘加强,3、凸台、角台及角撑,4、容器底面,5、圆角 能消除交构锐角引发的应力集中。圆角过渡结构能减少充模阻力，使熔料易于流动和成型。同时，模具成型件的相应圆角结构，可避免因淬火形成开裂，延长模具的使用寿命。R/t0.5，r=0.5t,R=.5t,6、侧凸和侧凹 强制脱模，是利用塑料的弹性变形，把塑料成型件从模具中强行脱出。显然，强制性脱模必须有符合要求的基本条件。即强制脱模时，弹性塑料的应变率应控制在表6-15规定的范围内。,强制脱模，是利用塑料的弹性变形，把塑料成型件从模具中强行脱出。显然，强制性脱模必须有符合要求的基本条件。即强制脱模时，弹性塑料的应变率应控制在表6-15规定的范围内。根据不同材料应变率在6%21%范围内。,7、螺纹 1）模塑成型的方法,2）螺纹尺寸及工艺要求,四、塑料容器的局部结构 8、嵌件 在塑料容器或制品的成型过程中，把金属的或非金属的零件嵌入其中，在塑料冷却后得以固定并成为整体的一部件，被嵌入的零件称为嵌件，通过嵌件可改变局部性能（如硬度、刚度、耐磨性等），提高形状与尺寸精度等，还可增加做装饰效果。,l(1)嵌件的定位形式,(2)嵌件相关尺寸与工艺要求 嵌件与容器本体的结合应有足够的强度，成 型后或使用时不可松动、拔出和旋转。常用 方法是在嵌件嵌入表面滚花见图6-41(a)、图 6-41(b)、开环形凹槽见图6-41(b)，也可打 孔或开窗等(见图6-44)；嵌件的嵌入部分，以圆形或对称截面形状为 宜，保证收缩均匀；嵌件嵌入部分的端面应与模具型腔面结合，防 止溢料黏附在嵌什伸出部分或孔内；,金属嵌件周围塑料层的厚度，应符合表 6-17规定的最小壁厚条件；较大嵌件在嵌入前应预热，防止因温差 大而收缩不均匀、不一致；嵌件与塑料容器壁的距离不能过小，以 保证模具有一定强度(见图6-45)；嵌件在模具中定位方便、可靠，在高压 熔料冲击下不变形。,9、铰链 铰链设计应注意：铰链厚度 对小型容器可薄，大型容器可厚，但 不得超过0.5mm，否则易断裂。铰链处厚度要均匀。模具浇注系统的设置，必须使熔体沿铰链方向 从一侧流向另一侧，让聚合物分子链流经铰链 而高度取向，不宜从两端相向流汇而形成熔合 线。塑料容器脱模后，应趁热将铰链反复弯折 数次，以获得拉伸定向效果。,10、图案、文字、花纹,图案、文字的设计尺寸：线型宽度在0.8mm左右，最窄不能小于0.3mm；凸型图案、文字的高度，线型宽度小的为0.2 0.4mm,线型宽度 大的为0.4 0.8mm。凹型图案、文字的深度 一般为0.4mm。线型过高、过深、线型过窄，都会使熔 料充模难度增加；线型间的距离应不小于0.4mm；脱模斜度为8以上，但不能太大，太大的斜度线型趋于 扁平，图案、文字的立体感、清晰感变差；凹凸型的内部凸型图案、文字要比塑件表面低0.2 0.3mm，即凹型深度为凸型线型高加上0.2 0.3mm 见图6-48(c)。,(2)花纹 塑件表面的花纹，是常见于瓶盖、旋钮等表面的凸凹纹结构，起增加摩擦力和装饰作用。花纹多为线型排列，截面有半圆形、三角形和梯形等形式。设计时应注意以下几点：凸凹纹的方向应与脱模方向一致；凸凹纹之间的间距不可过小；凸凹纹宽度一般不小于0.3 0.5mm，高度 不超过其宽度；凸凹纹不影响塑件飞边的去除。不同凸凹纹的结构、尺寸可参阅表6-18和 表6-19。,标志、文字和符号,A形式 凸字：图文凸起，模 具对应部分凹下，易 于加工，字磨坏 凹字：图文凹下，模 具对应部分凸起，加 工难，字耐磨 凹凸字：凹坑的字，可做成镶块，常采用,B设计要点 凸出高度应大于0.2mm,常 取0.30.5mm；线条较宽时0.3mm，常取 凸起0.8mm；两线间距0.4mm；凹凸字边框可比凸字高 出 0.5mm以上；脱模斜度大于10o。,五、塑料容器的刚性结构,一、模塑制品的尺寸公差 1、尺寸公差标准 GB/T14486-1993 2、模塑制品的尺寸类型 3、塑料容器尺寸公差的确定 注射成型的塑料容器应根据设计分清尺寸类型，然后根据所用材料，查表6-21确定公差等级，再按基本尺寸和所选用的公差等级查表6-20，确定相应公差等级的公差值，根据实际需要分配偏差。1、2级精度要求高，一般不选用。,第三节 模塑容器的尺寸精度与表面质量,二、模塑制品的收缩率（一）成型收缩 塑料容器在成型过程中，由于热收缩、结晶收缩、分子解定向收缩以及因弹性恢复造成的膨胀而引起成型收缩。成型收缩表示模具尺寸与成型容器尺寸之差：x=A-B x:成型收缩量；A:室温下模具的直线尺寸；B:室温下塑料容器的直线尺寸。,1.热胀冷缩 成型过程是一个加热与冷却的过程，所以，按其固有的热胀系数而产生膨胀和收缩，温度与膨胀系数成线性关系。PS:非结晶性塑料，其冷缩与密度无关。Fig.5-5,体积V与温度T成线性关系，温度下降，体积 也下降。PE:结晶性塑料，密度增大，膨胀系数随温度的 变化速率降低，如Fig.5-6，温度的影响逐渐 变小。,2.结晶收缩 如Fig.5-7，塑料内部结构由不定型变为结 晶态，塑料体积产生了变化，随着温度下降体积 急速收缩。收缩率大，结晶化加速了体积收缩。3.分子解定向收缩 熔体：注射成型中，熔融的热塑性塑料流动时 沿流道方向分子定向（拉长），而在冷 却过程中，被拉长的分子恢复到原来的 状态，产生收缩。片材：分子沿拉伸方向定向。,4.弹性恢复（记忆效应）塑件出模后，解除了制品压力，制品恢复到原来状态而产生弹性恢复。熔体（在成型压力下压缩），出模后体积长大（但量小）。片材拉伸解除后缩小（量大）。,（二）成型收缩的主要影响因素1.成型工艺条件 加热温度 这一因素与其他因素相比，对成型收缩影响小，粒温高，易流动，各层料流之间的剪切作用小（粘度梯度小），分子定向程度低，故收缩小。,成型力（注射压力）影响中等。注射压力增高，塑料在摸具内熔融粘度差下降，因此，各层之间作用的剪切力变小，所以，收缩也小；其次，注射压力大，弹性恢复也大，总体收缩小。如Fig.5-9.结晶性塑料由于结晶化，其收缩率与注射压力呈曲线变化，PS呈直线变化。,模具温度 影响大。模具温度影响高温树脂的固化。对于结晶性塑料，当温度降低到熔点以下就开始结晶，结晶速率受到冷却速率的控制，而冷却速率又受到模温的控制，所以，模具温度直接影响制品的结晶度和结晶构型。模温高，料冷却慢，可充分结晶，收缩率大（5%），而普通非结晶塑料的收缩率仅为1%，这时热收缩占主导地位。如果模具温度高，则容器脱模后的热收缩量大，所以成型收缩率也大。,成型时间（速度）如Fig.5-11，注射成型时间是指螺杆在前进中压缩熔体物料充满模腔，并保持一定压力的时间。在模腔内时间长，一般可减少收缩。（结晶性塑料除外）,冷却时间 冷却时间对塑料制品的影响因塑料种类、制品厚度、熔体温度、模具温度和结晶过程的不同而异。对于非结晶塑料来说，冷却时间对收缩率的影响不大，而结晶性塑料，若冷却时间长，结晶能够充分进行，结晶度增高，成型收缩率增大。但一般来说，冷却时间长，冷却可以均匀进行，模具内的物料可以充分固化，制品尺寸接近模具尺寸，因而成型收缩率降低（图5-12）。,2.容器壁厚 壁厚影响塑料容器的冷却速度，壁厚大冷却速率慢，收缩率随壁厚的增加而变大。这是因为当壁厚增大时，模腔内温度和压力的梯度也增大，充模压力降低，同时由于塑料的导热性差，壁厚越大，内部冷却越缓慢，结晶化时间越长，所以收缩率也越大（图5-14）。,3.容器形状结构 容器形状越复杂或内有嵌件的，收缩率小，内应力大；薄壁容器比厚壁容器的收缩率要 小。,4.浇口尺寸 所谓浇口（铸口），指流道末端将塑料引入型腔的狭窄部分，除了主流道浇口以外的各种浇口，其断面尺寸一般都比分流道的断面尺寸小，长度也很短，起着调节控制料流速度和补料时间的作用。其断面形状一般呈圆形或矩形。在注射压力一定的情况下，浇口面积越大，成型收缩越小。但这种影响不很大(图5-15)。,5.热处理与时效 时效：塑件刚出模的尺寸和经过若干小时后的尺 寸，由于时效时间长短不同其收缩也不 同，一般在脱模后10小时内变化最大（收 缩70-80%），24小时以后基本定型，变 化趋于平缓，但最后稳定要经过30-60天。热处理：进行热处理时也会产生收缩。一般模温 越高，壁厚越大，后收缩越小。加热缓冷，消除内应力，塑件强度好，但收缩量增大。,（三）模塑制品成型收缩率 1.常用塑料的线收缩率 式中：S：模塑制品成型收缩率，；L：模塑成型后，制品在标准环境放置24h 后的尺寸，mm；LM：模具相应尺寸，mm。,2.体收缩率 SV 3S3.模具线性尺寸 A=SB+B=B(1+S)一般在模具设计时，已知数据为塑件尺 寸B和按材料种类给出的成型收缩率S，据 此计算出未知模具尺寸A。,三、模具与塑料容器的尺寸关系,1、径向尺寸,2、深度尺寸,3、中心距尺寸,四、尺寸精度及其影响因素 实际尺寸与基本尺寸(或名义尺寸)的差值，即是实际偏差，亦即是尺寸误差。尺寸误差越小，尺寸精度越高。塑料容器同其它塑料制品一样，由于材料性质和工艺方法的原因，尺寸精度比较低。,1、影响因素 1）成型材料 塑料本身成型收缩范围大，原料中含有水分及挥发性物质、原料的配置、批量的大小、结晶形态、保存方法和保存时间等的不同都会造成收缩不稳定。,2)成型工艺条件 成型的温度、注射压力、注射时间及 冷却时间等条件的波动都会影响到成型收缩率的波动，从而影响制件定型后的尺寸。,3）塑料制品的结构尺寸 结构均匀对称，加强筋和其它刚性结构设计合理，壁厚均匀，嵌件少塑料成型收缩变形就小。大型塑料制品要比小型塑料制品收缩变形大，厚壁要比薄壁的收缩变形大。,4）模具的结构尺寸 由于模具和塑料制品的形状、尺寸相关，塑料制品的尺寸精度要受模具成则零件制造精度及其磨损的影响。模具成型零件制造误差越大，磨损越严重，塑料制品的误差就越大。同时，模具成型零件的装配精度、注塑机的合模精度都会通过模具把误差反映到成型的塑料制品上来。,2尺寸误差的构成,塑料收缩率波动引起的误差s随制件尺寸增加成正比地增加；模具制造误差引起的误差z随制件尺寸增加成立方根增加；模具磨损引起的误差c随制件尺寸增加而缓慢地增加。因此，收缩率波动对大中型塑件公差影响最大。由于各项误差的积累，塑件的精度总低 于模具成型部件的制造精度。为了可靠，塑件设计时选用的公差必须大于成型的最大公差，即。,五、模塑容器的表面质量 1、表面粗糙度 2、表面缺陷 常见的表面缺陷有：凹陷、气孔、斑纹、剥层、烧焦、翘曲、无光泽、颜色不均、龟裂及飞边等。,第四节 中空吹塑容器结构设计 一、概念 二、中空吹塑容器的型坯 1、吹胀比 中空容器最大外形尺寸与型坯最大尺寸之比.式中：BR：吹胀比；D：中空容器最大外形尺寸，mm；DP：型坯最大尺寸，mm。,1、吹胀比,第三节 注射和模压成型容器结构设计,2、延伸比 容器的长度与型坯长度之比，即是延伸比延伸比,反映了型坯在轴向的延伸倍数。,式中：SR：延伸比；C：容器长度，mm；b：型坯长度，mm。,3、型坯截面形状 对纵截面为非柱形轮廓的中空容器，其型坯的壁厚按轴向也应是变化的。一定高度的径向尺寸越大，型坯壁厚越厚，保证不同的径向尺寸按同一吹胀比吹胀成型(见图655)。,4、机头尺寸 当挤出机机头挤出型坯时，按熔体流动的黏弹特性，型坯尺寸要大于口模尺寸。用膨胀率表示型坯的膨胀程度。,式中：S：聚合物熔体的膨胀率；DP：型坯实际尺寸，mm；DK：机头口模直径，mm。,机头的芯轴（模芯）直径由下式确定：,式中：DX：机头芯轴直径，mm；DK：机头口模直径，mm；W：中空容器质量，kg；：聚合物密度，gcm2；L：中空容器长度，mm。,模口的间隙尺寸由下式确定：,式中：G：模口间隙，mm；t：中空容器壁厚，mm；BR：吹胀比；S：膨胀率。,三、吹塑模具型腔尺寸 中空吹塑容器的外形及尺寸要求并不很严格，但对容器瓶口的成型（或是表面设计有图案、花纹的容器，有定量要求的容器等），必须考虑成型收缩率的影响。一般地讲，模具型腔尺寸等于容器外形尺寸与收缩率之和。常用塑料吹塑成型的收缩率见表6-33。,四、吹塑容器结构设计 1、容器的外形 吹塑容器的外形，应横向、纵向统一考虑，力求整体造型美，保证必要的强度、刚度，同时要便于脱模。常见吹塑容器截向有圆形、正方形、长方形、三角形、椭圆形、球形及异型等。,2、容器的壁厚 中空吹塑制品，特别是挤出吹塑制品其壁厚一般难于达到均匀一致。所以，设计上给出的壁厚要求一般是指最小壁厚或平均壁厚。,3、容器瓶口 1）螺纹瓶口,2）非螺纹瓶口,4、过渡圆角 容器不同面交接的棱边、棱角，如侧壁与底部、侧壁与侧壁、侧壁与顶面、壁与把手的交接，都应设计成圆弧过渡结构。三角界面设计成球面过渡。圆弧、球面结构 易于成型，力学性能良好。圆弧半径的大小可根据整体造型和强度要求确定。,5、把手 把手分连体和分体两种基本形式，如图所示。,6、瓶肩结构,四、吹塑容器结构设计,7、瓶底结构,8、器壁结构 1）商标区 商标区可以作为标贴区，也可以在区内直接吹塑成型文字或图案(见图6-67)。容器表面的凹凸棱边、阶形面、文字标记和花纹图案等、应设1/15的脱模斜度，方便开模。,2）刚性结构,五、吹塑容器设计实例,PET软饮料瓶：1）PET软饮料瓶的性能 2）PET软饮料瓶的类型 3）PET软饮料瓶的规格尺寸 4）PET软饮料瓶的技术要求,六、多层吹塑容器 1、多层吹塑容器的性能改善2、多层吹塑容器的壁厚结构 1）基层 2）功能层 3）粘合层 3、多层复合结构设计 1）材料的选用 2）壁厚的确定4、常见多层吹塑结构示例 1）HDPE/LDPE 2）PC/EVOH/PC 3）PC/黏合树脂/EVOH/黏合树脂/回收料/PC,注射拉伸吹塑示意图（a)型胚成型；(b)型胚加热；(c)型胚拉伸；(d)吹塑成型；(e)脱模1、注塑机；2、热流道；3、冷却水孔；4、加热体；5、模芯加热；6、型芯棒,第五节 热成型塑料容器结构设计 一、特点 1、优点 2、缺点 3、适用范围 二、热成型常用材料 三、热成型塑料容器的结构特征,第五节 热成型塑料容器结构设计,三、热成型塑料容器的结构特征 1、材料特性和工艺的限制 2、容器角部的过渡圆弧限制 3、容器的侧面的局部结构限制 4、脱模斜度限制 5、口径、侧壁及底面积较大的容器的特点 6、热成型塑料容器的限制四、热成型塑料容器的壁厚 1、壁厚特征 2、片材厚度的计算五、热成型塑料容器的尺寸精度,第六节 其它成型方式的塑料容器与制品 一、滚塑成型容器 二、泡沫塑料包装制品 三、塑料包装袋 四、钙塑瓦楞箱 五、复合软管 六、泡罩包装,第七节 塑料包装容器的表面整饰与着色一、塑料的表面整饰 1、概述 2、机械整饰 3、表面涂饰 4、表面金属化 5、表面印刷 6、表面印刷前的处理：火焰处理、电晕处理二、塑料着色 1、着色剂 2、塑料着色的方法,1 塑料包装容器按外形结构特征进行分类时，可分为哪几大类？简述其各采用何材料和成型 方法？2 简述影响壁厚的因素有哪些？壁厚设计的一般 原则是什么？3 在中空吹塑瓶设计中，为了提高其垂直载荷强 度，在结构上可从哪些方面着手？并简述之。4 简述壁厚设计与塑料制品的工艺性的关系。5 在中空吹塑瓶设计中，为了提高其刚度，在设 计上可从哪些方面着手？并简述之。6 简述注射成型的工艺过程。7 简述塑料容器为什么必须有较高的垂直载荷强 度？主要影响因素有哪些？8.模具对塑料制品的设计有什么制约作用？,