塑料包裝容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王如明 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院成型制造研究中心）

前 言

塑料具有質(zhì)輕、易于成型和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于食品包裝和儲運(yùn)中[1]。隨著社會整體生活水平的不斷提高，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種汽水、果汁、蔬菜、飲料所需的塑料容器需求量與日俱增，塑料容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越能體現(xiàn)出其優(yōu)勢。

塑料容器可以分為箱、瓶、罐、袋等類型，主要是根據(jù)包裝的要求而設(shè)計(jì)，一般是通過注射、壓鑄或者真空、中空等方法制成的容器。這對于整個人類社會、對于塑料包裝容器的生產(chǎn)企業(yè)都是十分有利的，應(yīng)當(dāng)予以高度重視[2，3]。德國調(diào)研公司Ceresana公司發(fā)布一項(xiàng)研究稱，據(jù)預(yù)計(jì)，全球塑料容器市場消費(fèi)量到2021年將增至4620萬t[4]。

對塑料包裝容器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有設(shè)計(jì)塑料容器的形狀、尺寸、壁厚等，同時還要加強(qiáng)文字、商標(biāo)、螺紋等。

國外包裝容器的材料多為輕而堅(jiān)固，不管是玻璃瓶，還是塑料瓶，都要向輕量化發(fā)展，而且要更加堅(jiān)固[5]。

塑料包裝容器的成型和模具設(shè)計(jì)兩個方面是塑料包裝容器包裝設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

1. 塑料包裝容器的種類和應(yīng)用

1.1 箱式包裝

塑料包裝箱一般用熱塑性塑料加工而成，箱壁常采用加強(qiáng)筋來強(qiáng)化。箱式包裝的形狀也有很多，比如矩形、長方形等。箱式包裝主要應(yīng)用于玻璃容器包裝商品的周轉(zhuǎn)或者配套商品的運(yùn)輸及儲存等。

1.2 盤式包裝

盤式包裝容器一般具有加強(qiáng)筋，常用壓鑄或擠壓方法制成。它主要用于貯存和運(yùn)輸一些小型、易變形、怕擠壓的商品，如糕點(diǎn)、水果、雞蛋以及廠內(nèi)小件物品的輸送。

1.3 中空塑料包裝容器

中空塑料包裝容器常見的類型有瓶式和小口桶式，一般是用于飲料、化妝品以及液體的瓶裝產(chǎn)品的包裝，主要是通過中空吹塑的方法制成的，是塑料包裝容器中比較常見的類型。

1.4 大型塑料包裝桶

大型塑料包裝桶的容積較大，主要是通過旋轉(zhuǎn)模塑、注塑和擠出成型等方法來制造成型，能裝下5～250 L的液體，結(jié)構(gòu)主要有小蓋密封桶、大蓋密封桶、敞口蓋桶。

1.5 罐、桶、盒式容器

塑料包裝容器的常見類型罐式、桶式和盒式包裝容器，這類容器又稱為銷售商品用的塑料包裝容器，一般用注射成型、壓制成型和壓鑄成型等方法制造，多為一次性使用。

1.6 塑料包裝軟管

塑料包裝軟管的管體一般采用擠出成型，而管肩管頸用注射成型，然后將兩部分熔接[6]。主要用于化妝品、醫(yī)藥、食品、水彩、油墨以及家用化工產(chǎn)品等膏體、乳劑或液體的包裝。

2. 塑料容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成型技術(shù)

2.1 陰模、陽模成型技術(shù)

陰模成型步驟：

陰模成型一般適合于一些淺度塑料包裝容器的制作，諸如深度未達(dá)到 50 mm的塑料包裝容器，都可運(yùn)用此法進(jìn)行制作，在選用此法時，需要注意選擇材料的厚度。陽模成型與陰模成型的原理基本相似，但是陽模成型制作的容器具有模型壁厚均勻的特點(diǎn)，其制作出來的模型在尺寸和觀賞性也優(yōu)于陰模成型法。因此，陽模成型一般被運(yùn)用于凹凸處較多的塑料模型制作中[7]。

2.2 栓塞推下真空成型

栓塞推下真空成型步驟：

栓塞推下真空成型步驟較為簡潔，而且容器壁厚均勻度控制效果較佳，同樣適用于型腔較深的塑料容器制作。

2.3 陰陽模成型法

陰陽模成型法步驟：

陰陽模成型法在控制塑料容器的壁厚均勻度上略顯優(yōu)勢，其制品在質(zhì)量上也更加能得到保證。

3. 塑料容器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

隨著產(chǎn)品儲存運(yùn)輸需求的不斷增加，對于塑料中空容器的結(jié)構(gòu)性能也提出了更加嚴(yán)格的要求，然而目前國內(nèi)外對于塑料容器的研究主要集中在成型設(shè)備、工藝和模具設(shè)計(jì)等方面，而對于其結(jié)構(gòu)尺寸的研究較少[8-10]。這樣不僅容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、成型物料用量過度，甚至是強(qiáng)度不滿足使用需求等情況，而且反復(fù)試驗(yàn)次數(shù)多，設(shè)計(jì)時間長，浪費(fèi)大量原料。

3.1 容器壁厚

塑料包裝容器的壁厚設(shè)計(jì)十分重要，它根據(jù)容器的用途、強(qiáng)度、配合、結(jié)構(gòu)和重量的要求以及成型時的流動性、變形、硬化、頂出方式等情況來決定，尤其是要決定能滿足性能要求的最經(jīng)濟(jì)的壁厚。因此不僅應(yīng)該知道塑料的性質(zhì)，而且要考慮成型條件[11]。如果壁厚過大，不僅造成原料浪費(fèi)，而且增加了冷卻時間，影響了產(chǎn)品質(zhì)量（如出現(xiàn)氣泡、縮孔、翹曲等缺陷）。常用塑料容器壁厚如表1。

表1 容器壁厚尺寸選擇

3.2 脫模斜度

由于塑料在冷卻時的收縮，會使塑料成型品緊包在陽?；蛐托旧?。為了方便塑件從模具中取出，與脫模方向平行的塑件表面，都應(yīng)具有合理的脫模斜度。如果脫模斜度過小，則脫模困難；如果斜度過大，會影響塑件的尺寸精度。其大小因塑件形狀、材料種類、模具結(jié)構(gòu)以及加工方法而異。一般情況下，沿脫模方向常用斜度為0.5＇到 1.5＇之間；當(dāng)容器斜度不允許太大時，可采用外表面斜度5＇，內(nèi)表面斜度10＇到20＇之間；當(dāng)側(cè)面粗糙或有滾花紋時，宜取4＇到6＇之間；塑料容器上的凸塊、凸棱或加強(qiáng)筋，單邊應(yīng)有4＇到5＇之間的斜度[12]。

3.3 外觀結(jié)構(gòu)

塑料包裝容器上的文字、符號與花紋有三種形式：凸字、凹字。其要求是：凸出高度不小于0.2 mm；寬度不小于0.3 mm，一般以0.8 mm為宜；兩線間距不少于0.4 mm；凹凸字邊框可比文字字體高出0.3 mm以上；字體和符號的脫模斜度大于10＇。

3.4 塑料包裝容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮的因素

塑料的特性，如機(jī)械性能，熱特性，電特性，化學(xué)特性，光學(xué)特性，其他特性，包括收縮性、比重、流動性、著色性、適印性等；成型性，如成型條件，包括成型溫度、成型壓力、成型周期；外觀質(zhì)量，包括微孔、裂痕、灼傷等；變形性，包括變形后加工及矯正措施等；模具加工，包括模具材料，模具的切削加工性能，模具加工方法諸因素；模具結(jié)構(gòu)，包括分型面，鍍塊結(jié)合線，澆口位置，頂出方法等；容器使用條件必須考慮內(nèi)裝物性質(zhì)，使用目的、性能，及使用狀態(tài)(溫度、濕度、載荷等)；經(jīng)濟(jì)性包括成本、價值觀、促銷能力、消費(fèi)者能夠接受的程度等。

3.5 輕量化設(shè)計(jì)

外形盡可能接近于橢圓形矩形，這種造型，能以較少的材料，吹制出最大容量的容器，而且造型比較美觀，使用方便；避免過多的轉(zhuǎn)角、棱角和平面轉(zhuǎn)折，所有部位的角度，應(yīng)設(shè)計(jì)成倒角或圓角，過渡處采用圓弧；瓶身與瓶底轉(zhuǎn)折處應(yīng)采用大曲率轉(zhuǎn)彎，這樣，瓶底有利于傳遞垂直載荷，增加受力強(qiáng)度；瓶體與瓶肩接合部位，盡可能采用較大的彎曲半徑；瓶類最好增加周向波紋結(jié)構(gòu)或添加凸凹花紋，桶類可增加縱向的加強(qiáng)筋，以消除在長期負(fù)載下的偏移、變形現(xiàn)象。底部內(nèi)凹，增加合理的加強(qiáng)筋[13]。

4. 塑料容器設(shè)計(jì)案例

4.1 塑料折疊容器的設(shè)計(jì)

塑料折疊容器是指以塑料為材料，在充填前或取出后，可折疊存放、縮小空間堆放體積的容器。國外的塑料折疊包裝容器主要有中空吹塑的折疊箱(瓶)、注射成型的折疊周轉(zhuǎn)箱等等。中空吹塑容器與中空吹塑折疊容器的比較見表2。

4.2 塑料包裝容器防滑設(shè)計(jì)

塑料包裝容器防滑設(shè)計(jì)是滿足人們對現(xiàn)代包裝容器多樣化功能的需求，而進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代包裝中出現(xiàn)了越來越多的使用功能，這些使用功能被稱之為包裝容器的“后功能”[14]。最大程度的解決人們使用過程中的滑落問題，體現(xiàn)塑料包裝容器的舒適、安全、環(huán)保。

4.3 高收縮率異型容器

為使得商品的外形更有視覺沖擊力，設(shè)計(jì)師們大多在容器上設(shè)計(jì)很多的異形構(gòu)造。這樣傳統(tǒng)的絲印、貼標(biāo)和不干膠標(biāo)簽在其上面的適應(yīng)性和表現(xiàn)力就受到了較大的局限，只有熱收縮標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)完美的追隨容器的外形展現(xiàn)更強(qiáng)的表現(xiàn)力。這就需要在選擇標(biāo)簽材質(zhì)時必須要考慮到所使用的材料收縮率是否可以滿足容器的最大需要收縮率，否則容易出現(xiàn)裙邊、皺紋等不良現(xiàn)象[15]。

表2 中空吹塑容器與中空吹塑折疊容器的比較

4.4 抗菌塑料包裝容器

日本的一家食品公司新近推出一種抗菌塑料包裝容器，在食品生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣泛的用途。這種抗菌塑料包裝容器是用纖維塑料和聚丙烯等合成材料，與一種用于食品薄膜抗菌劑混合制成，能防止微生物和細(xì)菌的繁殖，防止所盛裝的食品等食物的變質(zhì)，大大延長了其保質(zhì)期[16]。

4.5 可加熱的塑料容器

國外的一家金屬制盒公司開發(fā)出一種用聚丙烯和聚氯乙烯(擠出成型)而制成的食品包裝容器，這種容器具有很高的保氣性和保水性，在高溫下不變形，用這種容器包裝的食品可以在121℃的溫度條件下進(jìn)行加熱殺菌。這種容器可制成圓桶形、托盤形等任何形狀，若制成薄形托盤，可以縮短加熱殺菌時間，節(jié)約能源，同時還可以防止食品品質(zhì)的下降。

5. 未來發(fā)展

為了滿足現(xiàn)代社會節(jié)能環(huán)保的要求，在塑料容器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上盡量能科學(xué)、合理的根據(jù)塑料容器的屬性、性能、特點(diǎn)等綜合設(shè)計(jì)，這樣才能提高塑料容器的安全性、質(zhì)量和制造成本，還能在一定程度上體現(xiàn)出人性化包裝及綠色功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了能更好的展現(xiàn)其優(yōu)勢，在塑料容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要充分了解其物理機(jī)械性能和相關(guān)優(yōu)勢，為了避免出現(xiàn)某些缺陷且滿足一些要求的前提下，容器的形狀可以做的更為簡易。