对600ml可口可乐汽水瓶的研究(08135)

对600毫升可口可乐汽水瓶的研究

一．概述

日常生活中我们经常喝的可口可乐汽水的瓶身是由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）缩聚而成的。也称聚对苯二甲酸乙二醇酯聚酯瓶（瓶级PET）。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是由乙二醇(EG)、对苯二甲酸(TPA)经逐步增长的缩聚反应制成的聚合物。用作瓶子的高粘度PET，一般是通过真空或惰性气体气氛下，经进一步固相缩聚(SSP)完成。

瓶级PET在无定形状态似透明的玻璃，具有光亮的白度和含有满足食品包装所规定的组分。平均分子量为24000～36000g/mol，也就是其特性黏度（IV）要达到0.75～1.00dl/g。标准的瓶级PET的特性粘度(IV)为0.8dl/g。

PET用作最理想的碳酸瓶材料不仅仅是因为它水晶般的透明性，还因为它能保存住水和二氧化碳，防止渗透。做瓶子的时候，常常会夹杂其他材料作为中间层，以此提高它本身的品质。

主要性能：

高抗化学性、优良的尺寸稳定性、坚强耐用、良好的表面加工性、良

好的抗冲击强度。

二．生产工艺

1．Buhler瓶级PET固相缩聚过程

引领PET树脂的生产商，包括DuPont、Eastman、Kohap、Nan Ya、Shinkong 以及Wellman等，均使用这一流程。下面重点讲述结晶、退火、固相缩聚反应、冷却四个典型的步骤。

⑴结晶

喂入的无定形原料在两部过程中发生结晶。第一步，在喷射床中，用高速气体使切粒剧烈运动，从而在切粒快速受热和结晶时，防止粘结和结团。第二步，在脉动流化床中，用较低速的气体，使切粒稳定的运动，并保证切粒的停留时间最小。这样可以防止无定形切粒的存留（这在喷射床后可高达5％），保证在两个结晶步骤后切粒的结晶度均匀。材料的结晶度一般至少达35％（体

积分数）（密度测量法测定），取决于材料的结晶特性。

在这两个床中，空气是常用的加热介质，而其温度通常不超过185℃。可以使用更高的温度，但为防止切粒氧化和变黄，就需使用氮气而不是空气。

喷射床的温度通常在150～170℃之间，这接近球晶最大生长速度，从而保证初级结晶的快速完成。脉动流化床出口处的物料温度一般小于180℃。

在结晶过程中，水分和乙醛的主体被从切粒中移除。就水分而言，在切粒被加热到180℃以上的固相缩聚温度之前将其移除是非常关键的。高温下存在的水分（湿气）会导致水解和特性粘度降低，进而导致过程中随后的固相缩聚反应速度降低。在温度超过200℃后，特性粘度降变的明显增大。即使在低于180℃的结晶温度，也可以预期一个小特性粘度降小于0.01，取决于起始含湿量。

⑵退火（二次结晶）

在结晶了的物料能经受较高温度的固相缩聚之前，在结晶阶段形成的晶体的熔点需要升高到可能的固相缩聚温度之上。低熔点峰的移动，即退火，显著降低了在固相缩聚塔中发生熔结的风险。

由于在受热期间切粒容易熔结，因此在设备特定部位“屋顶形”的预热器（见上图）中进行退火，在该预热器中，切粒在坡顶间靠重力流动，这样就促进了切粒间的相对运动，同时降低了装置中整体物料的整体压力，进而降低了切粒熔结的趋势。

为了防止切粒的热氧化降解，加热介质用的是氮气。氮气流采用交叉流动的方式，从一端通过屋顶进入，然后流经切粒，再在相邻屋顶的装置处收集，最后在另一端离开装置。切粒在2～6个这样系列的预热器部分受热到210

～

220℃。

⑶固相缩聚反应

反应塔被设计成能提供实现物料最终特性粘度指标所必需的停留时间。尽管瓶级树脂的表观相似，但物料的停留时间变化却很大，因此实验室实验是放大反应器的非常重要的部分。要想达到需要的特性粘度，通常在210℃需要的停留时间是10～20h。这样对于300t/d的工厂来说，相当于存有物料125～200t。反应塔的直径在2～4m之间，高度达30m。目前最高操作生产量是450t/d，相应存料300t。

氮气在反应器的底部进入，与切粒移动反向流动以移除反应的副产物，乙二醇和水。气-固质量比通常保持在1.0以下。氮气流速一般不能太低，以免影响副产物从切粒向气相的质量传递。但是当气体在物料中移动时，副产物浓度增大，因此在设计反应器停留时间时需要加以考虑。

最终物料粘度友停留时间和反应温度共同控制。通过安装在投料部件上的调节器，调节反应器中物料质量，可以改变停留时间。这种调节适合特性粘度的细微修正，但不适合大幅改变，因为想不扰动整个过程，物料大数量的移动可能需要许多小时。通过调节气体流速和气体入口温度，可以在退火装置的出口处很容易的实现温度的调节。这种改变导致一个明显的温度前锋，它跟着物料流经整个反应器，因此不会影响物料质量。

切粒熔结倾向是反应器温度的限制因素。切粒熔结是物料特性、退火部分的预处理条件、塔的形状和尺寸、切粒形状以及切粒沿塔下移速度的函数。通常随着温度的升高、塔直径的增大、切粒速度降低，均会导致粘连趋势的增加。虽然在反应器它放大中需要经验，这种粘连趋势还是要通过用经验的实验手段

来确定。通常反应器设计温度在205～215℃之间。

反应器中的熔结是由于在半结晶性缩聚物中发生的化学愈合过程。酯交换反应、固相缩聚或加成缩合、扩散，是切粒表面结合或愈合的原因，它们导致团块的形成，阻断了反应器出口。

⑷冷却

切粒的冷却在反应器的出口处开始。氮气进入反应器底部，切粒在反应器出料段冷却到180℃，然后切粒进入流化床冷却器，在这里通过新鲜空气5min 内冷却到低于60℃。

⑸氮气清洁循环

氮气清洁循环包括一个过滤器以除去任何灰尘；一个铂催化剂床以准化学计量的氧化比例通过燃烧除去乙二醇、乙醛和低聚物；一个气体干燥器以除去水分，把露点降到-40℃以下。氮气中的氧含量通常小于10×10-6。

⒋影响SSP的工艺参数：

颗粒尺寸、催化剂、特性粘数、端羧基、温度、真空和气体传送、反应时间、低聚物和乙醛。

⒌有关经济问题

在SSP技术中，使用真空还是使用气流，其反应速率没有什么差别。而对最终产品的质量却有相互矛盾的报告。因为不同的结果似乎是基于不同的解释，所以很难给出公平的估价。这点可能是受到缺乏SSP参数的详细信息的影响。由于缺乏可比较、有资格的结果，基本证据仍然不足。系统采用的生产能力会影响生产成本。间歇工艺的成本稍微高一点，因为它要求的设备较贵。能量成本—作为决定因素—特别是连续生产线的氮气消耗，仅仅依赖所用的设