矿泉水包装结构设计--张丽

矿泉水包装结构设计说明书
1.产品特性介绍
1.1矿泉水包装的市场调查
在工业发达的国家里，矿泉水等纯净的饮用水在一些国家的消耗量增长很快。

例如，法国平均每人每年消费矿泉水５２Ｌ，联邦德国每人每年消费量为２１Ｌ，美国及英国也在迅速增长。

矿泉水除了供人们饮用之外，还用来配制具有特殊风味的威士忌等酒类。

矿泉水的包装要求不受包装材料和外界侵人气味的污染，也不能有损于其固有的香味。

同时，包装容器的成本低廉，能适应大众化消费的需求。

除了采用包装玻璃瓶包装以外，近年来陆续采用聚氧乙烯瓶和高密度聚乙烯容器（每桶５ｋｇ—１０ｋｇ）包装，以及塑料瓶小包装（２５０ｇ—３５０ｇ），军队则采用塑料袋小包装。

1.2内装物介绍
″矿泉水″的广泛含义，已经不仅是天然的泉水，也包括供人们饮用的各种净化的水，例如蒸馏水、纯化水和去离子水等。

矿泉水根据产地的不同，带有不同的滋味和对人体有益的微量元素。

矿泉水有分天然矿泉水和人工矿泉水之分. 通常我们所说的矿泉水是指天然矿泉水, 它一般都是地壳岩层中取出来的地下水,通过溶解所经过的或停留的岩石中所含的化学元素,是水体中含有了所处岩层特有的一些元素,也就是对人体有宜的微量元素, 如：锌、偏硅酸、锶、硼、溴、碘、锂、硒等等, 这些元素在恰当的范围内对人体是有非常的好处的,如锌众所周知是人体海马回(海马回位于人脑控制学习和记忆活动的中枢，主要负责形成和储存长期记忆的重要微量元素，与记忆和智力有关;碘可以用来合成甲状腺素,减少智力障碍, 有助于消除紧张、帮助睡眠; 硒是甲状腺激素合成和代谢过程中的必需元素. 必需微量元素虽然在体内含量很少，但它们在生命过程中的作用不可低估。

总之没有这些必需的微量元素，酶的活性就会降低或完全丧失，激素、蛋白质、维生素的合成和代谢也就会发生障碍，人类生命过程就难以继续进行。

因此，儿童的许多疾病与元素有关，缺少了或过多了都有可能导致疾病。

长喝矿泉水可以有效的吸收这些微量元素, 提高身体素质. 国家对天然矿泉水有严格的标准和监督, 各家天然矿泉水
生产厂家都必须达到标准后才准予上市(需要说明的是大多数检测不合格是由于在具体生产中微生物不合格), 所以通常长期饮用矿泉水是对人体非常有帮助的。

1.3饮用天然矿泉水国家标准
(1).为发展饮用天然矿泉水（以下简称矿泉水）事业，由中华人民共和国卫生部、原地质矿产部、轻工总会制定了《饮用天然矿泉水》国家标准[GB 8537-1995](以下简称国标）。

(2).国标规定了饮用天然矿泉水的技术要求，适用于所有矿泉水及其灌装产品。

(3).当其他规程、规范、标准内容中出现与本标准内容中的规定不一致时，以本标准为准。

(4).矿泉水是矿产资源，受《中华人民共和国矿产资源法》调整，作为食品受《中华人民共和国食品卫生法》、《中华人民共和国产品质量法》、《中华人民共和国标准化法》等法律调整。

(5).根据国务院三定方案，有关政府主管部门对矿泉水开发管理的职责分工为：
①地质矿产行政主管部门负责矿泉水资源勘查评价管理，对水源地地质环境、资源开发和保护实行监督管理。

②卫生行政主管部门负责对矿泉水水源地环境卫生防护、矿泉水水源水质及产品实施卫生监督。

③轻工主管部门负责矿泉水行业管理，对产品实施质量监督。

(6).矿泉水必须经国家或省（自治区、直辖市）饮用天然矿泉水技术评审组认可、政府主管部门批准，方可开发。

(7).国家饮用天然矿泉水技术评审组由卫生、轻工和地矿主管部门派员组成。

挂靠单位为国土资源部地质环境司，负责办理批准发证工作。

下设办公室负责日常管理工作。

(8).国家饮用天然矿泉水技术评审组负责跨省销售和出口矿泉水的技术鉴定。

(9).凡报请国家矿泉水技术评审组的矿泉水，必须提交饮用天然矿泉水开发评价报告16份，省级鉴定证书和省级矿泉水技术评审委员会（组）或挂靠单位的公函。

没有成立矿泉水机构的省（自治区、直辖市），必须提交省地质矿产局（厅）地质环境管理处推荐函。

(10).省（自治区、直辖市）矿泉水技术评审鉴定机构由省政府批准、或由同级地矿、卫生、轻工等主管部门派员联合组成、挂靠单位在省地质矿产局（厅）地质环境管理处。

2.设计定位分析
根据矿泉水瓶的用途和使用要求进行分析，合理设计矿泉水瓶的形状造型结构，包括容积、壁厚、外形、底部和瓶口螺纹等的设计，并根据吹塑工艺选择制造矿泉水瓶。

优点和缺点分析：本次设计的优点是：塑料成型的工艺成熟，而且材料的成本低，适于中低端消费群，而且圆柱体的基本构型除了成型模具简单完还给人一种简约美，也符合人体工程学的基本内容当然塑料相比于玻璃其韧性好，而且相比于玻璃塑料比较耐温差变化，而不会那么容易破裂。

缺点是：因为国家还没有对塑料包装制定相关的包装标准和技术要求，需要自己根据经验来确定其尺寸和成型基本工艺，当然塑料相比于玻璃，强度稍差。

2.1商品定位
因为矿泉水的主要消费者为中低端客户消费群，所以材料和生产成本应该控制在尽量低的范围内。

即选材和成型工艺要尽量在满足使用性能的前提下，尽量的简单易行。

而且内装物水的性能稳定，不需要考虑耐酸碱等因素，所以材料也不用太贵，尽量降低生产成本。

因为要开模具，所以唯一减低成本的方法就是增加产量，从而是每个单独的塑料瓶可以均摊模具的成本。

2.2消费者定位
考虑到矿泉水的饮用需要通过手的活动达到一个饮用的目的，因此，在设计矿泉水瓶容器时我们需要考虑到人机工程原理学在瓶型上的运用。

让消费者在开启瓶盖和饮用时更加合手舒适。

⑴.外观美的诉求：容器的外形，比例尺寸，设计风格；其中，美的考虑不是单纯考虑某个群体，而是最广大的消费者的角度来考虑，特别是不能站在设计师自己的方位来思考。

这里的“美”是指大众所能接受的美。

⑵.经济性的诉求：价格，容量，可利用性。

⑶.品质感的诉求：材料，装潢，时尚感。

⑷.所属性的诉求：年龄，收入，社会地位，性别等。

3.内包装容器的设计
3.1包装容器材料的选用
目前市场上的矿泉水瓶容器主要是两种材料：塑料和玻璃。

其中，塑料的运用量远多于玻璃，而玻璃瓶装的矿泉水往往是档次比较高的，所以市场占有率也比较低，消费人群局限性大。

塑料包装的矿泉水主要是底中端产品，价位在1-15元之间；玻璃包装的矿泉水主要是中高端产品，且主要是进口产品，价位主要在15-50元之间。

综上所述，此次设计选用塑料为包装材料，具体选用PET。

PET的密度为1.3-1.38，加工温度为260-290，模具温度为140，收缩率为1.2-2.0，熔点为245-260。

3.2包装容器成型方法介绍
根据本次设计的矿泉水瓶的功能，材料及各个工艺特点，选用吹塑工艺。

矿泉水瓶的成型包括成型设备和成型工艺条件等的分析设计。

(1).塑料瓶的生产工艺有两种：
①第一种是挤出吹塑工艺：即将塑料原料加入挤出机中，经加热熔融塑化挤出熔融型胚，再放入瓶子模具中吹胀成型，冷却定型后从模具中取出，修除废边后得到成品。

这种工艺主要用来生产聚乙烯、聚氯乙烯塑料瓶，如牛奶瓶、酱油瓶等。

图1 挤出吹塑工艺过程
a.模具
b.机头
c. 型胚
d. 压缩空气
②第二种是注拉吹工艺：即将塑料原料经注塑机注射成型管状型胚，然后放入放入瓶子模具中经拉伸吹塑成型，冷却后得到成品。

这种工艺主要用来生产PET 塑料瓶，如矿泉水瓶、可乐瓶等。

PET塑料瓶在熔融状态下的流变性较好，压力
对粘度的影响比温度要大，因此，主要从压力着手来改变熔体的流动性。

塑料瓶在不同的环境中具有不同的使用状态，所以在塑料瓶的熔融状态下对流变性和粘度进行有效的控制。

图2 注拉吹成型工艺过程
（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
(2).注射系统：PET塑料瓶由于在熔点后的稳定时间短而熔点又较高，因此需要选用温控段较多、塑化时自摩擦生热少的注射系统，并且制品（含水口料）实际重量不能小于机器的注塑量的2/3。

注塑机的选择需要根据机器的注塑量和注射系统进行合理的控制，基于这些要求，我国今年来开发了中小系列的PET专用塑化系统。

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。

(3).塑料的处理：由于PET塑料瓶大分子中含有脂基，具有一定的亲水性，粒料在高温下对水比较敏感，当水份含量超过极限时，在加工中PET塑料瓶分子量下降，制品带色、变脆。

因此，在加工前必须对物料进行一定的干燥，其干燥温度为150℃左右,4小时以上，一般为170℃，3-4小时。

可用空射法检验材料是否完全干燥。

使用用料时要对原料进行一定的干燥，保证生产的塑料瓶具有良好的产品性能。

要注意不同的干燥温度和时间限制，保证生产的塑料瓶具有良好的产
品性能。

回收料比例一般要超过25%，且要把回收料彻底干燥。

(4).注射速度：要快，可防止注射时过早凝固。

但过快，剪切率高使物料易碎。

射料通常在4秒内完成。

(5).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0.2～1MPa；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65—135℃；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。

(6).注意事项：塑料瓶的生产工艺需要进行严格的质量体系进行检验，保证生产的塑料具有良好的产品质量和保证。

生产工艺是复杂的，需要不同的生产工序进行严格控制，确保每个工序进行严格的控制，确保每个工序都严格按照标准。

(7).塑料的吹胀比和延伸比
吹胀比是中空容器的最大外形尺寸与型胚最大尺寸之比。

一般取2-4。

吹胀比过大会使容器的壁厚不均匀，加工条件不宜掌握。

吹胀比表示中空容器的径向最大尺寸和挤出机头口模尺寸之间的关系。

当吹胀比确定后，即可根据塑料容器的最大直径确定型胚的口模尺寸。

中空容器的长度和型胚的长度之比叫延伸比。

延伸比大的塑料中空容器其纵向和横向强度都有提高，即壁越薄，强度越好。

但为了保证刚度，延伸比不可太大。

本次设计中，吹胀比取2，延伸比取2。

图3 吹胀比和延伸比
3.3包装容器的瓶身设计
此次设计时，瓶身主要形状为圆柱形。

瓶肩和瓶颈适当增加了其垂直抗压强度。

因为薄壁容器最易发生瓶体凹陷，为了提高其刚度，在瓶身设计装饰花纹或者波纹，或者圆形的沟槽、锯齿纹、刚性棱边等，这样就既增加了瓶型的美感，又符合人类工效学原理。

所以在塑料瓶的瓶身上加以波纹。

图4 瓶身加强结构示意图
3.4包装容器的瓶口和瓶盖的设计
⑴.瓶盖材料：热塑性塑料（PP PE PS等）具有良好的耐旋紧合旋开的性能，能保持良好的密封并阻止退回；具有良好的模塑成型性，可以模塑结构复杂的功能盖如防盗盖、儿童安全盖等。

本次设计选用HDPE为瓶盖材料。

⑵.瓶盖的类型：本次设计为塑料螺旋盖。

螺旋盖是通过与瓶口螺纹相啮合而实现瓶口密封的。

塑料螺旋盖一般都设计成内螺纹，模塑成型。

由于我国目前尚无塑料制件的螺纹标准，通常塑料瓶盖、瓶口螺纹套用玻璃制品螺纹结构及相关标准。

螺纹牙型与瓶口螺纹牙型一致，多采用圆形、锯齿形、梯形，圆形螺纹有利于强制脱模。

螺纹啮合指螺旋盖的螺纹起点与瓶口螺纹起点之间的第一啮合点到瓶口密封面与内衬接触的那一点所转过的螺纹圈数。

为使内衬能够均匀压向瓶口密封面的整个圆周，则至少需要一个整圈的螺纹啮合。

螺纹啮合的区域越大，瓶盖定位越好，则保持瓶盖在原位的固定扭矩的作用越大。

螺距决定螺纹的倾角或斜度。

螺距越大，则螺纹斜度越大，瓶盖旋上或旋下的速度越快，要取得一定圈数的螺纹啮合的瓶盖高度也越大。

可以确定，螺旋盖的性能取决于：螺纹啮合及其工作螺距。

图5 瓶口结构示意图
3.5内包装容器的瓶颈与瓶肩设计
图6 瓶肩结构
α.瓶肩斜度 a. 瓶肩高度 c.瓶肩宽度
塑料瓶必须具有足够的垂直负载强度才能承受加料嘴和压盖机构的垂直压力，而瓶体的支承力还可以增加外包装瓦楞纸箱的抗压强度。

瓶肩与瓶颈是形成瓶体垂直负载强度的关键部位。

瓶肩和瓶颈在垂直负载的作用下易发生形变，瓶肩斜度、瓶肩高度、瓶肩宽度（瓶肩长度）是主要的影响
因素。

瓶肩宽度越大，瓶肩斜度越大，垂直载荷强度越好。

一般来说，瓶型的结构越复杂则应力越集中，强度越小，瓶型越接近球形应力集中越小，强度越大。

瓶肩与瓶身结合部位，只要允许，应尽量采用较大的过度半径，以降低该处的应力。

3.6包装容器的瓶底设计
本次设计花瓣形底，因为塑料比较软，最容易变形。

所以必须在底部采用加强措施，使其垂直抗压强度增加。

所以花瓣底不仅稳定性好而且增加了一定的强度，当然此次设计最主要的是增加矿泉水瓶的稳定性。

图7 瓶底结构示意图
3.7包装容器的壁厚分析
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。

根据此次选用的材料为热塑性塑料PET。

因为热塑性塑料易于制成薄壁容器，最薄可以达到0.25mm,但是一般不宜小于0.6-0.9mm。

(参考《包装结构设计》课本P183)。

此次设计时的壁厚选用瓶口和瓶底为1mm ，瓶身壁厚为0.8mm。

3.8内包装容器的结构尺寸及结构图
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。

图8 基本的外形尺寸示意图
⑴.容量：500ml，满口容量为524ml。

⑵.结构尺寸：主要包括瓶身、瓶底、瓶口、瓶肩和瓶颈四部分。

各个外尺寸如图所示。

内尺寸减去相应的壁厚即可，其中瓶口的内径为25mm，瓶身的内径为58.4mm，瓶口高度为25mm，瓶身总的高度为236mm，其中瓶盖的厚度为1mm。

3.9包装容器的容量计算和塑料用量计算
3.9.1容量计算
(1).瓶口：V
1
=πR2H=3.14*2.4*2.4*2.5=11.304 cm3
(2).瓶肩：V
2=ΣπR
i
2H=3.14*(5.342+4.842+4.342+3.842)/4=67.13 cm3
(3).瓶身：V
3
=πR2H=3.14*5.842*16/4=428.36 cm3
(4).瓶底：V
4
=πR2H—πr2H=（3.14*2.422*1—3.14*12*1）/2=7.6 cm3
(5).满口容量为：Va= V
1+ V
2
+ V
3
+ V
4
=11.304+67.13+428.36+7.6=524.398 cm3
(6).理论的顶隙容量：Vh=Kv*Vo=2%*500=10ml 3.9.2容量误差计算
V=Va-Vh-Vo=524.398-10-500=14.398ml
3.9.3单个塑料瓶的塑料用量计算
(1).瓶口：V
1
=πR2H=3.14*2.6*2.6*2.5=13.26 cm3
(2).瓶肩：V
2=ΣπR
i
2H=3.14*(5.52+52+4.52+42)/4=71.81 cm3
(3).瓶身：V
3
=πR2H=3.14*62*16=452.16 cm3
(4).瓶底：V
4
=πR2H—πr2H=（3.14*2.52*1—3.14*12*1）/2=8.24 cm3
(5).总的体积为：Vb= V
1+ V
2
+ V
3
+ V
4
=13.62+71.81+452.16+8.24=545.83 cm3
(6).塑料的用量为:Vb—Va=545.83—524.398=21.432 cm3
(7).单个瓶子所用的塑料质量为：G=(Vb-Va)ρ=21.432*1.3=27.8616g=28g
4.包装容器制造的技术要求
零件的技术要求包括下列几个方面：
(1).加工表面的尺寸精度，零件的外轮廓要光滑，保证表面粗糙度为Ra3.2um。

(2).主要加工表面的形状精度，应该完整整、光滑、平稳。

(3).主要加工表面之间的相互位置精度。

(4).瓶底采用花瓣状，主要用来增加稳定性。

(5).成型工艺为吹塑，主要确定其吹胀比和延伸比，它们都取2。

(6).其他要求（如动平衡、未注圆角或倒角、去毛刺、毛坯要求等）要注意分析这些要求在保证使用性能的前提下是否经济合理，在现有生产条件下能否实现。

特别要分析主要表面的技术要求，因主要表面的加工确定了零件工艺过程的大致轮廓。

该零件连接轴在加工时要保证它的各项精度指标，如：各项尺寸精度、表面粗糙度等。

零件加工时保证不同的长度尺寸和直径尺寸及表面粗糙度要求。

5.矿泉水瓶的堆码介绍
5.1简单的外包装介绍
用塑料收缩包装成小单位，两边有提手，可以进行人工简单搬运，符合人体工程学具体内容。

每单位9个塑料瓶，然后可以进行堆码。

5.2堆码强度分析
一般可以堆码8层，可以保证在此强度下可以保证使用所要求的强度，当然在其垂直抗压强度范围内可以适当进行加层堆码，具体要根据实际情况来定，也可以根据实际需要来进行堆码。

6.设计创意说明
本次设计主要是熟悉包装具体的包装设计过程，因为矿泉水主要是中低端消费品，所以选用塑料为其包装材料。

因为市场上的矿泉水包装工艺已经很成熟，所以本次设计没有从创新的角度来定位，而是熟悉包装设计流程，然后确定具体的方案，最后得出合理的瓶体设计方案。

本次课程设计主要内容不是以创新为导向，而主要是参考市场上已有的包装容器来确定500ml的塑料包装容器的具体设计过程。

从选材到容器各个具体部分的设计来设计矿泉水内包装。

(1).矿泉瓶包装的材料选用：参考市场上的矿泉水包装，最终确定瓶身采用PET，瓶盖采用HDPE。

因为每个塑料瓶的底部基本都有一个数字（它是一个带箭头的三角形，里面有具体数字），数字1代表PET,数字2代表HDPE。

(2).矿泉水瓶的成型工艺：因为塑料瓶的具体成型工艺有两种，即挤出吹塑和注拉吹两种，所以在设计过程中有些徘徊，最终经过多方的考证，决定采注拉吹的成型工艺，因为挤出吹塑的速度比较慢，不符合具体的工业化的生产。

7.主要参考资料
(1).宋宝峰主编.包装容器结构设计与制造[M]. 北京:印刷工业出版社,1998年
(2).金国斌主编. 塑料包装容器设计[M]. 北京:化学工业出版社,2003年
(3).孙成、王德忠主编. 包装结构设计[M]. 北京:中国轻工业出版社,2011年
(4).沈卓娅主编. 包装设计[M]. 北京:中国轻工业出版社,2003年
(5).源玉明主编. 产品包装设计案例精粹[M]. 北京:中国铁道出版社,2002年
(6).中国包装标准汇编. 塑料包装卷[M]. 北京:中国标准出版社,2006年
(7).陈祖云主编. 包装材料与容器手册[M]. 广州:广东科技出版社,1998年。