汽水瓶

背景

今天如此常见的汽水瓶是由聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 制成的，这是一种坚固而轻巧的塑料。 PET 用于制造许多产品，例如聚酯织物、电缆包覆物、薄膜、变压器绝缘材料、发电机零件和包装。它占所有包装的 6.4% 和所有塑料容器的 14%，包括流行的软饮料瓶。 PET 占销售量的 43%，是使用最广泛的软饮料容器。紧随其后的铝占 34%，而曾经占瓶子 100% 的玻璃仅占今天销售量的一小部分。

塑料最早是在 1800 年代由天然物质制成的，其特征是具有分子链。当这些物质在实验室中与其他化学品结合时，它们形成了具有塑料性质的产品。虽然被誉为一项革命性的发明，但早期的塑料也存在一些问题，例如易燃性和易碎性。聚酯是 PET 所属的一类塑料，于 1833 年首次开发，但它们主要用于液体清漆，与后来采用的固体、多功能形式相去甚远。

1900 年代初出现了对早期塑料进行了巨大改进的纯合成塑料，但它们的应用仍然有限。实验仍在继续，在接下来的几十年中创造的数百种新塑料中的大部分都在商业上失败了。 PET 于 1941 年开发，但直到 1970 年代初，塑料汽水瓶才成为现实。 Nathaniel C. Wyeth 是著名画家 N. C. Wyeth 的儿子，也是杜邦公司的一名工程师，经过多次实验，终于开发出了一个可用的瓶子。

惠氏的重要发现是改进制造塑料瓶的吹塑技术的一种方法。吹塑工艺历史悠久，已在玻璃制造技术中使用了大约两千多年。直到 1940 年左右开发出合适的塑料后，才开始通过吹塑成型制造塑料瓶，但由于壁厚不一致、瓶颈不规则以及难以修整成品，这些瓶子的生产受到限制。惠氏于 1973 年发明的拉伸吹塑解决了这些问题，生产出坚固、轻便、灵活的瓶子。

PET 汽水瓶的压倒性成功——1991 年，美国生产了超过 80 亿瓶——导致了处理问题，但瓶子的回收利用正在增长，制造商正在寻找使用回收 PET 的新方法。

原材料

PET 是一种聚合物，一种由具有大分子量的重复有机分子链组成的物质。与大多数塑料一样，PET 最终来源于石油烃。它是由对苯二甲酸（C 8 H 6 0 4 ）和乙二醇（C 2 H 6 0 2 ）之间的反应产生的。

对苯二甲酸是仅使用空气或硝酸氧化对二甲苯 (C 8 H 10 )（一种芳烃）形成的酸。对二甲苯通过分馏从煤焦油和石油中提取，该过程利用化合物的不同沸点使它们在过程的不同点“脱落”。

在塑料汽水瓶制造中，塑料——聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)——首先聚合，这涉及到生成长分子串。一旦塑料准备好，它就会进行拉伸吹塑成型。在这个过程中，将PET的长管（型坯）放入模具中，并插入钢棒（芯棒）。接下来，高压空气穿过心轴，迫使型坯顶住模具壁。将单独的底部部件插入模具中以塑造瓶子的形状，使其可以站立在平坦的表面上。

乙二醇通过环氧乙烷 (C 2 H 4 0) 间接衍生自乙烯 (C 2 H 4 )，环氧乙烷也是防冻剂中的一种物质。乙烯是存在于石油和天然气中的气态烃，但通常通过加热乙烷或乙烷-丙烷混合物在工业上衍生。

制造
过程

聚合

• 1 在制造瓶子之前，必须先制造或聚合 PET 本身。在聚合中，较小的分子结合形成较大的物质。要制造 PET，首先要将对苯二甲酸与甲醇 (CH 3 OH) 结合。该反应产生对苯二甲酸二甲酯和水。接下来，将对苯二甲酸二甲酯与过量的乙二醇在 305 华氏度（150 摄氏度）下混合，生成另一种物质，对苯二甲酸双 2-羟乙酯和甲醇。
• 2 聚合的最后一步包括对苯二甲酸双 2-羟乙酯的缩聚。在这个过程中，当另一个分子被释放或“脱落”时，会形成一种聚合物。双 2-羟乙基对苯二甲酸酯的缩聚在 530 华氏度（275 摄氏度）的真空中进行，并产生 PET 和乙二醇链（参见上面的第 1 步）；后一种物质在聚合过程中不断被去除，用于制造更多的 PET。 PET混合物达到所需的粘度（厚度）后，进行冷却以避免降解和变色。之后，它可以重新加热以用于各种用途。

制瓶

• 3 个 PET 饮料瓶采用 拉伸吹塑成型工艺制成 （也称为 定向吹塑）。 首先，将 PET 颗粒注射成型——加热并放入模具——制成薄壁塑料管，称为 型坯。 然后将型坯冷却并切割成合适的长度。
• 4 接下来，将型坯管重新加热并放入另一个模具中，该模具形状像汽水瓶，配有螺旋盖。钢棒（心轴）滑入型坯。然后高压空气穿过心轴并填充型坯，将其压在模具的内壁上。空气压力沿径向（“向外”）和轴向（“向下”）拉伸塑料。高温和在所需方向上的拉伸相结合，使分子极化、排列并基本上结晶，从而生产出具有优异强度的瓶子。整个过程必须快速完成，塑料必须紧贴墙壁，否则瓶子会变形。为了使瓶子的底部具有适当的凹形——使其可以直立——在吹制过程中将一个单独的底部连接到模具上。
• 5 然后必须冷却模具。使用不同的冷却方法。管道中的水可能会在模具周围流动，或者液态二氧化碳、高压潮湿空气或室内空气被喷射到瓶子中以更直接地冷却它。该过程优选快速完成，以在蠕变（流动）发生之前设置瓶子。
• 6 然后将瓶子从模具中取出。在批量生产中，小瓶子是在一串被分离和修整的附着瓶子中连续形成的。在塑料从模具的裂缝中泄漏的任何地方都必须进行其他修整（就像在华夫饼机中挤压煎饼面糊时所做的那样）。 10% 到 25% 的塑料会以这种方式丢失，但可以重复使用。
• 7 一些软饮料生产商自己生产瓶子，但通常成品瓶是从专业制造商用卡车运送到软饮料公司的。塑料运输便宜，因为它很轻。盖子和标签等配件是单独制造的。有时，塑料瓶制造商会在发货前将软饮料公司提供的标签贴在瓶子上。

质量控制

聚合是一种微妙的反应，一旦条件设定并启动过程，就很难调节。反应过程中产生的所有分子，其中一些可能是副作用和杂质，保留在成品中。一旦反应开始，就不可能在中点停止并去除杂质，而且在反应完成后去除不需要的产物也很困难且成本高昂。纯化聚合物是一个昂贵的过程，质量很难确定。聚合过程中的变化可能会导致常规控制测试中无法检测到的变化。

对苯二甲酸与乙二醇聚合会产生两种杂质：二甘醇和乙醛。二甘醇的用量保持在最低限度，从而不影响 PET 的最终性能。在聚合过程中以及在瓶子的生产过程中形成的乙醛如果含量足够大，会给软饮料带来奇怪的味道。通过使用将聚合物短时间加热的最佳注塑成型技术，乙醛浓度会非常低，饮料的味道不会受到影响。

测试是针对 PET 的那些特定特性进行的，这些特性使其非常适合饮料瓶。多年来，已经为塑料制定了许多标准和测试。例如，PET 在正常条件下必须是防碎的，因此瓶子要经过抗冲击测试，包括从特定高度掉落并用特定力撞击它们。此外，瓶子在堆叠时必须保持其形状并抵抗压力，因此通过测试压力下的变形来测量抗蠕变性。此外，软饮料含有二氧化碳；这就是他们的嘶嘶声。如果二氧化碳能够通过瓶子的塑料壁逸出，那么大多数购买的饮料都会变质。因此，测试了瓶子对二氧化碳的渗透性。甚至它的透明度和光泽度都经过测试。所有测试都旨在确保尺寸、形状和其他因素的一致性。

回收

每年生产的数十亿个 PET 瓶中有大量被丢弃，造成严重的环境问题。已经采取行动阻止废物流动，主要是在回收领域。在回收中心，只有铝的价格高于 PET，因此，以 1 到 2 个百分点的回收率计算，PET 是最广泛回收的塑料。由回收 PET 瓶制成的产品包括地毯、 混凝土、 绝缘和汽车 部分。尽管如此，直到 1991 年，第一个使用回收 PET 的 PET 汽水瓶才出现。该瓶子由 25% 的回收 PET 组成，由可口可乐和 Hoechst Celanese Corporation 推出，用于北卡罗来纳州。到 1992 年，这种瓶子已在其他 14 个州使用，其他制造商（例如百事可乐，与 Constar International Inc. 合作）也生产了类似的瓶子。

尽管与其他塑料相比，PET 的回收率较高，但许多公司和官员希望将其回收率更高。目前的计划是研究 PET 焚烧，据称，如果处理得当，完全燃烧的产物只是二氧化碳和水。州政府和联邦政府目前的目标是回收 25% 到 50% 的 PET，让一半的美国人口可以回收 PET，并在不久的将来实施 4000 个路边回收计划。 1990 年，根据美国塑料容器回收协会的数据，PET 有 577 个路边项目。