塑膠螺紋連接在塑料包裝中的應(yīng)用和發(fā)展

陳雅波 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

1. 前言

塑料是生活中最常見的三大合成材料之一，它為人類工農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因其材質(zhì)輕、品種豐富且性能差異大的特點(diǎn)而被大量用于塑料包裝領(lǐng)域，塑料包裝行業(yè)與我國(guó)消費(fèi)品行業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，塑料包裝在商品流通中發(fā)揮著重要作用。其中塑膠螺紋連接在塑料包裝產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，相比于金屬制品，它不僅能起到連接密封作用，有一定的強(qiáng)度，還具有絕緣、耐銹蝕等特殊性質(zhì)，塑膠螺紋的使用為我國(guó)的塑料包裝行業(yè)起到重要作用，具有豐富的發(fā)展方向。

2. 塑膠螺紋的成型

2.1 成型方式

塑料包裝的中的螺紋制品主要有瓶罐容器以及螺紋零件等，塑料容器基本由容器主體和蓋體兩部分組成，我國(guó)目前尚無塑料件的螺紋標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)用于塑料容器的螺紋標(biāo)準(zhǔn)基本來自于國(guó)外，故我國(guó)參照的是金屬螺紋的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)螺紋是制品的模塑螺紋和攻制螺紋常用的結(jié)構(gòu)形式，這類螺紋裝拆簡(jiǎn)便、快速，廣泛用于聯(lián)接與緊固[1]。

塑料包裝瓶成型較多采用的是先注塑瓶胚，再吹塑成型的方法，該方法適用于生產(chǎn)薄膜制品。其中塑膠螺紋用模具來成型，故脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是塑件螺紋成型的關(guān)鍵。一般采用的方法有[2]：

1）螺紋型芯或型環(huán)非旋轉(zhuǎn)脫模。即強(qiáng)制退螺紋結(jié)構(gòu)或?qū)⒙菁y型芯或型環(huán)做成瓣合，將其側(cè)向移動(dòng)達(dá)到退螺紋的目的。強(qiáng)制退螺紋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但螺紋形狀不清晰，精度不高，用于一般的螺紋連接或軟質(zhì)塑料成型，例如圓弧形螺紋（瓶口螺紋）采用的就是強(qiáng)制退螺紋；采用瓣合模具成型精度較高，但螺紋軸向可能產(chǎn)生飛邊或閉合線，因而影響旋合性。

2）螺紋型芯或型環(huán)旋轉(zhuǎn)脫模。即螺紋型芯、型環(huán)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)退螺紋的結(jié)構(gòu)或工具。手動(dòng)旋轉(zhuǎn)退螺紋結(jié)構(gòu)適用于產(chǎn)品的試制或小批量生產(chǎn)。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)退螺紋結(jié)構(gòu)適用于螺紋精度要求高的制件，可批量生產(chǎn)，成本較高。

2.2 成型要求

塑料的硬度、強(qiáng)度與剛性要低于金屬，因此對(duì)于塑件的設(shè)計(jì)有更多要求。塑料制品上的螺紋可以在注塑成型時(shí)直接制成，但塑料螺紋具有強(qiáng)度差、精度差、易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力等缺點(diǎn)，為便于進(jìn)行模塑，塑料螺紋須遵循以下的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有[3，4]：

1）塑料螺紋精度較低，模塑內(nèi)螺紋型芯較易加工，其精度可比外螺紋高1 級(jí)。

2）塑料螺紋與金屬螺紋，或與異種塑料螺紋相配合時(shí)，螺牙會(huì)因收縮不均互相干涉，產(chǎn)生附加應(yīng)力而影響聯(lián)接性能，故塑料螺紋與金屬螺紋的配合長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，模塑螺紋的螺距大一些。

3）塑料螺紋的開始端和結(jié)束端均不應(yīng)突然開始和結(jié)束，應(yīng)有過渡部分以防螺紋牙崩裂，保證旋合，且塑料螺紋應(yīng)選用螺牙尺寸較大者，并用較大圓角以減小應(yīng)力集中。

5）塑料螺紋的第一圈易碰壞或脫扣，應(yīng)設(shè)置螺紋的退刀尺寸，為了便于脫模，螺紋的前后端都應(yīng)有一段無螺紋的圓柱面。

6）同一制品上前后兩段螺紋的螺距應(yīng)相等，旋向相同，目的是便于脫模，若不相同，其中一段螺紋則應(yīng)采用組合型芯成型。

2.3 強(qiáng)度

塑料螺紋的彈性和塑性較好，與金屬相比，其聯(lián)接螺紋的各牙圈受力均勻，—在短期內(nèi)的聯(lián)接牢固性和抗振防松性能尚好。

圖1 塑料螺母的螺紋圈上受力分析

圖2 塑料螺母螺紋各圈上載荷分布曲線

塑料螺母的螺紋圈上受力分析如圖1 所示，螺紋圈上的載荷由圖2 所示。設(shè)作用在金屬螺釘上的軸向力為Q。塑料螺母的螺牙圈上所受力是Qz。此力作用在螺旋面上被分解。因此，螺母上受到的作用應(yīng)力有：

通常β=1.75～2.0。式中D—塑料螺母外徑，若為六角螺母，則D為其外接圓直徑的0.91；d—螺母螺紋外徑；Pr—徑向壓力；Q1—螺紋第一圈上的載荷，可由圖2 確定；a—螺紋牙型角，普通公制螺紋a=60°；ρ—摩擦角，ρ=tan-1f，由f=0.15～0.20 得ρ=8°～12°；f—摩擦系數(shù)；d2—螺母螺紋中徑；S—螺距；k—載荷系數(shù)，由表1 查取。

表1 塑料螺母載荷系數(shù)k 值

這樣，塑料螺母微單元體上主應(yīng)力

式中τ—剪切應(yīng)力；t—螺牙工作高度。

故組合正壓力

式中[σ]c—塑料的允許壓縮壓力，見表2?；蛴上率角蟮?/p>

式中σc—塑料材料的壓縮強(qiáng)度；

k—安全系數(shù)，一般取k為2～4。

表2 材料的允許壓縮應(yīng)力

在實(shí)際應(yīng)用，熱固性塑料螺母的螺紋載荷常按下式校核。

式中QZ—塑料螺母的實(shí)際軸向載荷；[Q]—允許的軸向載荷；

Qlim—塑料螺母破環(huán)的極限載荷，見表3；K—安全系數(shù)，通常K=4 左右。

表3 熱固性塑料螺母的破壞極限載荷Qlim 單位；MPa

3. 塑膠螺紋在包裝中的應(yīng)用

3.1 醫(yī)用藥瓶

醫(yī)藥行業(yè)與人民生活健康息息相關(guān)，需要使用到大量的塑料包裝瓶。在藥用塑料瓶瓶口直徑的設(shè)計(jì)中，通常會(huì)考慮盛裝藥品的體積以及余量空間，采用適當(dāng)?shù)穆菁y外徑，并使瓶口頸部螺紋的形狀與瓶蓋有良好的互配性。當(dāng)扭轉(zhuǎn)瓶蓋時(shí)，由于波形翻邊棘爪緊鎖于瓶口下端的凸環(huán)下，瓶蓋即可沿折開線與鎖圈分離，而施加扭力后的緊密度保證了很強(qiáng)的阻濕性能。瓶蓋內(nèi)有密封的墊圈，外部采用可對(duì)密封破壞提供可見痕跡的防盜式蓋?，F(xiàn)在，很多塑料瓶口還采用鋁箔墊片電磁感應(yīng)封口，具有防潮、密封和防盜的功能[5]。一種典型醫(yī)用藥瓶的瓶蓋具有兩圈半連續(xù)的內(nèi)螺紋，螺紋大徑為50 mm，螺距為3 mm。制品外表面有數(shù)個(gè)半圓柱形的阻滑紋，成型時(shí)也可起止轉(zhuǎn)作用，止轉(zhuǎn)高度大于螺紋高度。材料采用高密度聚乙烯，屬于結(jié)晶型熱塑性塑料，熔體流動(dòng)性能好，易于注塑成型[6]。

圖3 醫(yī)用瓶蓋

3.2 螺紋連接座

螺紋連接座是一種廣泛應(yīng)用的工程塑料件，通過設(shè)計(jì)兩個(gè)對(duì)稱的哈呋滑塊零件，對(duì)拼后可以成型塑料件上的外螺紋，其內(nèi)加工出螺紋型環(huán)結(jié)構(gòu)，并將其放置在動(dòng)模一側(cè)，利用推桿推動(dòng)哈呋滑塊向外兩側(cè)作抽芯運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)外螺紋的成型，如圖4 所示[7]。

圖4 螺紋連接座零件示意圖

3.3 分段螺紋式塑料瓶蓋

分段螺紋式塑料瓶蓋是一種特殊的瓶蓋，具有不連續(xù)的螺紋，特定的飲料灌裝方式才使用這種瓶蓋，主要用于內(nèi)含氣體的碳酸飲料的包裝，它通過設(shè)置排氣槽放出部分氣體，防止瓶蓋飛出傷人，水瓶蓋就沒有氣槽。制品上的分段式內(nèi)螺紋如圖5，螺牙是三角形。為了順利脫模，采用組合式型芯成型如圖6，即主型芯和收縮型芯，主要抽芯零件如圖7[8]。塑件上內(nèi)螺紋的脫出方式有很多，常用的有強(qiáng)制脫螺紋方式、手動(dòng)脫螺紋方式以及機(jī)動(dòng)脫螺紋方式。而本設(shè)計(jì)采用一種新穎的收縮分瓣式脫螺紋結(jié)構(gòu)，螺紋塑件的取出不需要任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而靠螺紋型芯的瓣片自動(dòng)向內(nèi)收縮，實(shí)現(xiàn)與塑件的分離。

采用自動(dòng)收縮式螺紋型芯的注射模，具有模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、節(jié)省時(shí)間、加工成本低和塑件質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 塑料瓶蓋模型

圖6 組合式型芯

圖7 主要抽芯零件

螺紋瓶蓋是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的飲料包裝形式，尤其是聚烯烴類塑料螺紋蓋以輕薄、適用性廣等優(yōu)勢(shì)遍布飲料市場(chǎng)，帶動(dòng)了飲料業(yè)的快速發(fā)展。同時(shí)，塑料螺紋蓋也被廣泛的應(yīng)用于調(diào)味品、化妝品、藥品、酒類、干果糖果、食用油等產(chǎn)品的包裝，用量數(shù)以百億計(jì)塑料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。塑料螺紋件還可用于飲料瓶、洗滌劑瓶、藥瓶、油箱等中空制品的封裝，也可于管件零件的固定聯(lián)結(jié)，隨著塑料制品在日常生活與生產(chǎn)中的進(jìn)一步推廣，塑料螺紋件成了日常生活中經(jīng)常接觸到的物品[9]。

3.4 塑料儲(chǔ)罐封頭

塑料儲(chǔ)罐是一種由特殊的滾塑成型工藝整體成型的容器，塑料儲(chǔ)罐具有不滲漏、抗老化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛用于儲(chǔ)存各種腐蝕性介質(zhì)、用做海水和苦咸水淡化儲(chǔ)罐等。

塑料儲(chǔ)罐封頭上的螺紋結(jié)構(gòu)常因尺寸精度過低而產(chǎn)生大量廢品，螺紋小徑及中徑尺寸能否在公差要求范圍內(nèi)是決定塑料儲(chǔ)罐封頭是否合格的決定因素，因此有必要在常規(guī)模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行深人研究。為使螺紋的小徑與中徑尺寸符合要求，采用制件的總體收縮率對(duì)模具型腔沿軸線方向的小徑及中徑尺寸進(jìn)行預(yù)變形修正。同時(shí)，為達(dá)到制件螺紋尺寸精度的要求，對(duì)螺紋沿軸線方向進(jìn)行修正設(shè)計(jì)，采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸型腔對(duì)制件進(jìn)行建模分析，以達(dá)到制件尺寸精度要求[10]。

圖8 塑料儲(chǔ)罐封頭

3.5 潤(rùn)膚霜罐

塑料包裝材料憑借其質(zhì)量輕、阻隔性好、成本低、耐用等特點(diǎn)，逐漸取代了紙張等傳統(tǒng)包裝材料，塑料包裝容器有塑料箱、塑料瓶、塑料罐、復(fù)合塑料軟管等各種形式，而容器螺紋的選擇需要考慮使用材料的性能、成型的難易等。

在潤(rùn)膚霜罐的設(shè)計(jì)中，容器上設(shè)計(jì)的螺紋是用于罐體與罐蓋的連接密封，由于尖銳螺紋線容易造成應(yīng)力集中，因此螺紋的齒形采用圓弧形較好，在螺紋的起始部分和尾端部分也應(yīng)留有一定高度的不帶螺紋的臺(tái)階。

從容易成型的角度考慮，螺紋的橫截面可設(shè)計(jì)為半圓形，半圓形螺紋易于旋緊和放松，罐蓋旋緊作用應(yīng)力也最小，螺紋圈數(shù)可設(shè)計(jì)為一圈、一圈半或者兩圈如圖9[11]。

圖9 潤(rùn)膚霜蓋

3.6 兒童安全包裝

生活中有的封閉件和容器需要防止兒童開啟，所以對(duì)于瓶口螺紋需要特殊設(shè)計(jì)。

一種容器瓶體帶有開口，并在開口相近的位置有若干的外螺紋，在外螺紋之下有至少一個(gè)與底壁間隔開的外部徑向突起，相對(duì)應(yīng)的封閉件內(nèi)除了有與瓶體相配合的內(nèi)螺紋之外還有內(nèi)部鎖定凸耳，當(dāng)封閉件完全擰到所述容器的末端上，內(nèi)部鎖定凸耳能夠與外部徑向突起接合，實(shí)現(xiàn)鎖緊功能。

該實(shí)例使用所謂的“推轉(zhuǎn)式”包裝，其中，將封蓋軸向推向容器表面，這樣才能允許將封閉蓋旋轉(zhuǎn)以便取出，設(shè)計(jì)巧妙圖10[12]。

圖10 推轉(zhuǎn)式瓶口包裝

4. 塑膠螺紋在塑料包裝中的發(fā)展

4.1 螺紋設(shè)計(jì)的人性化

以人為本應(yīng)當(dāng)作為設(shè)計(jì)研發(fā)產(chǎn)品根本原則。

塑料螺紋瓶蓋是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的飲料包裝形式，隨著消費(fèi)者食品安全意識(shí)的提高，市場(chǎng)和消費(fèi)者更希望選用少添加助劑或不添加助劑的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)外需加快工藝改進(jìn)升級(jí)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和改善蓋型設(shè)計(jì)等的研究和開發(fā)，滿足市場(chǎng)和消費(fèi)者需求，更多地為民眾考慮[13]。

各企業(yè)通常從產(chǎn)品密封的角度考慮瓶蓋的擰緊力矩，因此可能會(huì)忽視消費(fèi)者的使用特征和要求，很多使用者不能方便開啟或需要使大力才能開啟螺紋瓶蓋，這種情況多見于女性和兒童。在保證產(chǎn)品密封質(zhì)量的前提下，改善螺紋蓋類產(chǎn)品的擰緊力矩，滿足用戶開啟的需要，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人性化內(nèi)涵，對(duì)于生產(chǎn)廠家來說非常重要，增添產(chǎn)品中的人情味，不但順應(yīng)消費(fèi)者的心里狀態(tài)，也是為企業(yè)增加銷量的一種手段，一舉兩得。

4.2 包裝材料的回收與綠色化

在專家的針對(duì)研究下，塑料（包裝）廢棄物、微塑料顆粒對(duì)環(huán)境污染和危害的嚴(yán)重程度，以及其對(duì)生物群體和人類自身的傷害問題，被不斷披露出來。塑料包裝由于密度小，單位質(zhì)量包裝面積大，“生命周期”長(zhǎng)，不易自然消除，成為了塑料廢棄物的重要組成部分，也是白色污染的主要組成。

解決的方法可采取提高回收率或讓塑料自然降解。

提高回收率需快速推進(jìn)四個(gè)領(lǐng)域：標(biāo)準(zhǔn)化（材料、路邊收集、廢物分類）、基礎(chǔ)設(shè)施投資、開發(fā)跨供應(yīng)鏈業(yè)務(wù)模式和創(chuàng)造更高價(jià)值的回收物[14]。

回收步驟為從回收基礎(chǔ)設(shè)施如路邊收集箱集中回收物，對(duì)材料進(jìn)行分類提取并發(fā)送給回收商。在塑料回收設(shè)施中可分類為高度純度的聚合物，通過熱處理和壓力處理進(jìn)行機(jī)械回收，形成薄片或顆粒，這些薄片或顆?？蓴D出或吹制成新的用途。其余的被焚燒在能源廢物工廠，用于發(fā)電。在世界上還缺少化學(xué)回收廠，即選擇性地將廢棄的聚合物分解成單體，重新制成新的聚合物。值得高興的是，采取熱解和加氫裂化等非選擇性化學(xué)轉(zhuǎn)化的試驗(yàn)工廠正在出現(xiàn)。

綠色塑料中可降解塑料的制備和應(yīng)用技術(shù)最為成熟，是綠色塑料的主要代表產(chǎn)品?？山到馑芰峡煞譃楣饨到馑芰?、生物破壞性塑料和完全生物降解塑料。

對(duì)于光降解塑料，由于添加劑的種類繁多，有關(guān)于添加劑對(duì)于環(huán)境的影響研究尚不全面，故光降解塑料在包裝領(lǐng)域中批量使用仍然有待商榷。高分子材料中添加淀粉能制成可降解塑料，但淀粉的添加量對(duì)材料的強(qiáng)度影響較大。而完全生物降解塑料可以被微生物完全降解并分解成二氧化碳和水的塑料材料，適合用于大部分傳統(tǒng)塑料加工工藝，更適應(yīng)時(shí)代的現(xiàn)狀。

可用的可降解材質(zhì)大都基于聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚羥基丁酸戊酸酯（PHBV）、聚羥基脂肪酸酯(PHA)、聚碳酸亞丙酯（PPC）、聚對(duì)苯二甲酸己二酸丁二酯（PET）等。

5. 結(jié)論

我國(guó)的塑料加工行業(yè)發(fā)展令世界矚目，塑料螺紋的用途廣泛，我國(guó)急需建立屬于自己的塑料螺紋標(biāo)準(zhǔn)，便于塑料螺紋制品的生產(chǎn)與替換，拓展塑料螺紋的應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)塑料螺紋存在的缺陷，改善性能。另外大力發(fā)展塑料的回收再利用，塑料業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)，塑料再生既可節(jié)約資源，緩解塑料原料供需矛盾，又保護(hù)環(huán)境，是塑料業(yè)持續(xù)發(fā)展必由之路。