塑胶螺纹连接在塑料包装中的应用和发展

陈雅波 王克俭

（北京化工大学机电工程学院）

1. 前言

塑料是生活中最常见的三大合成材料之一，它为人类工农业的发展提供了坚实的物质基础。因其材质轻、品种丰富且性能差异大的特点而被大量用于塑料包装领域，塑料包装行业与我国消费品行业的发展密切相关，塑料包装在商品流通中发挥着重要作用。其中塑胶螺纹连接在塑料包装产品中应用广泛，相比于金属制品，它不仅能起到连接密封作用，有一定的强度，还具有绝缘、耐锈蚀等特殊性质，塑胶螺纹的使用为我国的塑料包装行业起到重要作用，具有丰富的发展方向。

2. 塑胶螺纹的成型

2.1 成型方式

塑料包装的中的螺纹制品主要有瓶罐容器以及螺纹零件等，塑料容器基本由容器主体和盖体两部分组成，我国目前尚无塑料件的螺纹标准，相关用于塑料容器的螺纹标准基本来自于国外，故我国参照的是金属螺纹的标准。标准螺纹是制品的模塑螺纹和攻制螺纹常用的结构形式，这类螺纹装拆简便、快速，广泛用于联接与紧固[1]。

塑料包装瓶成型较多采用的是先注塑瓶胚，再吹塑成型的方法，该方法适用于生产薄膜制品。其中塑胶螺纹用模具来成型，故脱模机构的设计是塑件螺纹成型的关键。一般采用的方法有[2]：

1）螺纹型芯或型环非旋转脱模。即强制退螺纹结构或将螺纹型芯或型环做成瓣合，将其侧向移动达到退螺纹的目的。强制退螺纹结构简单，但螺纹形状不清晰，精度不高，用于一般的螺纹连接或软质塑料成型，例如圆弧形螺纹（瓶口螺纹）采用的就是强制退螺纹；采用瓣合模具成型精度较高，但螺纹轴向可能产生飞边或闭合线，因而影响旋合性。

2）螺纹型芯或型环旋转脱模。即螺纹型芯、型环手动旋转或自动旋转退螺纹的结构或工具。手动旋转退螺纹结构适用于产品的试制或小批量生产。自动旋转退螺纹结构适用于螺纹精度要求高的制件，可批量生产，成本较高。

2.2 成型要求

塑料的硬度、强度与刚性要低于金属，因此对于塑件的设计有更多要求。塑料制品上的螺纹可以在注塑成型时直接制成，但塑料螺纹具有强度差、精度差、易产生内应力等缺点，为便于进行模塑，塑料螺纹须遵循以下的设计要点有[3，4]：

1）塑料螺纹精度较低，模塑内螺纹型芯较易加工，其精度可比外螺纹高1 级。

2）塑料螺纹与金属螺纹，或与异种塑料螺纹相配合时，螺牙会因收缩不均互相干涉，产生附加应力而影响联接性能，故塑料螺纹与金属螺纹的配合长度不宜太长，模塑螺纹的螺距大一些。

3）塑料螺纹的开始端和结束端均不应突然开始和结束，应有过渡部分以防螺纹牙崩裂，保证旋合，且塑料螺纹应选用螺牙尺寸较大者，并用较大圆角以减小应力集中。

5）塑料螺纹的第一圈易碰坏或脱扣，应设置螺纹的退刀尺寸，为了便于脱模，螺纹的前后端都应有一段无螺纹的圆柱面。

6）同一制品上前后两段螺纹的螺距应相等，旋向相同，目的是便于脱模，若不相同，其中一段螺纹则应采用组合型芯成型。

2.3 强度

塑料螺纹的弹性和塑性较好，与金属相比，其联接螺纹的各牙圈受力均匀，—在短期内的联接牢固性和抗振防松性能尚好。

图1 塑料螺母的螺纹圈上受力分析

图2 塑料螺母螺纹各圈上载荷分布曲线

塑料螺母的螺纹圈上受力分析如图1 所示，螺纹圈上的载荷由图2 所示。设作用在金属螺钉上的轴向力为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，螺母上受到的作用应力有：

通常β=1.75～2.0。式中D—塑料螺母外径，若为六角螺母，则D为其外接圆直径的0.91；d—螺母螺纹外径；Pr—径向压力；Q1—螺纹第一圈上的载荷，可由图2 确定；a—螺纹牙型角，普通公制螺纹a=60°；ρ—摩擦角，ρ=tan-1f，由f=0.15～0.20 得ρ=8°～12°；f—摩擦系数；d2—螺母螺纹中径；S—螺距；k—载荷系数，由表1 查取。

表1 塑料螺母载荷系数k 值

这样，塑料螺母微单元体上主应力

式中τ—剪切应力；t—螺牙工作高度。

故组合正压力

式中[σ]c—塑料的允许压缩压力，见表2。或由下式求得

式中σc—塑料材料的压缩强度；

k—安全系数，一般取k为2～4。

表2 材料的允许压缩应力

在实际应用，热固性塑料螺母的螺纹载荷常按下式校核。

式中QZ—塑料螺母的实际轴向载荷；[Q]—允许的轴向载荷；

Qlim—塑料螺母破环的极限载荷，见表3；K—安全系数，通常K=4 左右。

表3 热固性塑料螺母的破坏极限载荷Qlim 单位；MPa

3. 塑胶螺纹在包装中的应用

3.1 医用药瓶

医药行业与人民生活健康息息相关，需要使用到大量的塑料包装瓶。在药用塑料瓶瓶口直径的设计中，通常会考虑盛装药品的体积以及余量空间，采用适当的螺纹外径，并使瓶口颈部螺纹的形状与瓶盖有良好的互配性。当扭转瓶盖时，由于波形翻边棘爪紧锁于瓶口下端的凸环下，瓶盖即可沿折开线与锁圈分离，而施加扭力后的紧密度保证了很强的阻湿性能。瓶盖内有密封的垫圈，外部采用可对密封破坏提供可见痕迹的防盗式盖。现在，很多塑料瓶口还采用铝箔垫片电磁感应封口，具有防潮、密封和防盗的功能[5]。一种典型医用药瓶的瓶盖具有两圈半连续的内螺纹，螺纹大径为50 mm，螺距为3 mm。制品外表面有数个半圆柱形的阻滑纹，成型时也可起止转作用，止转高度大于螺纹高度。材料采用高密度聚乙烯，属于结晶型热塑性塑料，熔体流动性能好，易于注塑成型[6]。

图3 医用瓶盖

3.2 螺纹连接座

螺纹连接座是一种广泛应用的工程塑料件，通过设计两个对称的哈呋滑块零件，对拼后可以成型塑料件上的外螺纹，其内加工出螺纹型环结构，并将其放置在动模一侧，利用推杆推动哈呋滑块向外两侧作抽芯运动，实现外螺纹的成型，如图4 所示[7]。

图4 螺纹连接座零件示意图

3.3 分段螺纹式塑料瓶盖

分段螺纹式塑料瓶盖是一种特殊的瓶盖，具有不连续的螺纹，特定的饮料灌装方式才使用这种瓶盖，主要用于内含气体的碳酸饮料的包装，它通过设置排气槽放出部分气体，防止瓶盖飞出伤人，水瓶盖就没有气槽。制品上的分段式内螺纹如图5，螺牙是三角形。为了顺利脱模，采用组合式型芯成型如图6，即主型芯和收缩型芯，主要抽芯零件如图7[8]。塑件上内螺纹的脱出方式有很多，常用的有强制脱螺纹方式、手动脱螺纹方式以及机动脱螺纹方式。而本设计采用一种新颖的收缩分瓣式脱螺纹结构，螺纹塑件的取出不需要任何旋转运动，而靠螺纹型芯的瓣片自动向内收缩，实现与塑件的分离。

采用自动收缩式螺纹型芯的注射模，具有模具结构简单、紧凑、节省时间、加工成本低和塑件质量好等优点。

图5 塑料瓶盖模型

图6 组合式型芯

图7 主要抽芯零件

螺纹瓶盖是当今应用最为广泛的饮料包装形式，尤其是聚烯烃类塑料螺纹盖以轻薄、适用性广等优势遍布饮料市场，带动了饮料业的快速发展。同时，塑料螺纹盖也被广泛的应用于调味品、化妆品、药品、酒类、干果糖果、食用油等产品的包装，用量数以百亿计塑料的现状及发展趋势。塑料螺纹件还可用于饮料瓶、洗涤剂瓶、药瓶、油箱等中空制品的封装，也可于管件零件的固定联结，随着塑料制品在日常生活与生产中的进一步推广，塑料螺纹件成了日常生活中经常接触到的物品[9]。

3.4 塑料储罐封头

塑料储罐是一种由特殊的滚塑成型工艺整体成型的容器，塑料储罐具有不渗漏、抗老化、耐腐蚀等优点，现广泛用于储存各种腐蚀性介质、用做海水和苦咸水淡化储罐等。

塑料储罐封头上的螺纹结构常因尺寸精度过低而产生大量废品，螺纹小径及中径尺寸能否在公差要求范围内是决定塑料储罐封头是否合格的决定因素，因此有必要在常规模拟的基础上进行深人研究。为使螺纹的小径与中径尺寸符合要求，采用制件的总体收缩率对模具型腔沿轴线方向的小径及中径尺寸进行预变形修正。同时，为达到制件螺纹尺寸精度的要求，对螺纹沿轴线方向进行修正设计，采用非标准尺寸型腔对制件进行建模分析，以达到制件尺寸精度要求[10]。

图8 塑料储罐封头

3.5 润肤霜罐

塑料包装材料凭借其质量轻、阻隔性好、成本低、耐用等特点，逐渐取代了纸张等传统包装材料，塑料包装容器有塑料箱、塑料瓶、塑料罐、复合塑料软管等各种形式，而容器螺纹的选择需要考虑使用材料的性能、成型的难易等。

在润肤霜罐的设计中，容器上设计的螺纹是用于罐体与罐盖的连接密封，由于尖锐螺纹线容易造成应力集中，因此螺纹的齿形采用圆弧形较好，在螺纹的起始部分和尾端部分也应留有一定高度的不带螺纹的台阶。

从容易成型的角度考虑，螺纹的横截面可设计为半圆形，半圆形螺纹易于旋紧和放松，罐盖旋紧作用应力也最小，螺纹圈数可设计为一圈、一圈半或者两圈如图9[11]。

图9 润肤霜盖

3.6 儿童安全包装

生活中有的封闭件和容器需要防止儿童开启，所以对于瓶口螺纹需要特殊设计。

一种容器瓶体带有开口，并在开口相近的位置有若干的外螺纹，在外螺纹之下有至少一个与底壁间隔开的外部径向突起，相对应的封闭件内除了有与瓶体相配合的内螺纹之外还有内部锁定凸耳，当封闭件完全拧到所述容器的末端上，内部锁定凸耳能够与外部径向突起接合，实现锁紧功能。

该实例使用所谓的“推转式”包装，其中，将封盖轴向推向容器表面，这样才能允许将封闭盖旋转以便取出，设计巧妙图10[12]。

图10 推转式瓶口包装

4. 塑胶螺纹在塑料包装中的发展

4.1 螺纹设计的人性化

以人为本应当作为设计研发产品根本原则。

塑料螺纹瓶盖是当今应用最为广泛的饮料包装形式，随着消费者食品安全意识的提高，市场和消费者更希望选用少添加助剂或不添加助剂的产品。国内外需加快工艺改进升级、产品结构调整和改善盖型设计等的研究和开发，满足市场和消费者需求，更多地为民众考虑[13]。

各企业通常从产品密封的角度考虑瓶盖的拧紧力矩，因此可能会忽视消费者的使用特征和要求，很多使用者不能方便开启或需要使大力才能开启螺纹瓶盖，这种情况多见于女性和儿童。在保证产品密封质量的前提下，改善螺纹盖类产品的拧紧力矩，满足用户开启的需要，提高产品设计的人性化内涵，对于生产厂家来说非常重要，增添产品中的人情味，不但顺应消费者的心里状态，也是为企业增加销量的一种手段，一举两得。

4.2 包装材料的回收与绿色化

在专家的针对研究下，塑料（包装）废弃物、微塑料颗粒对环境污染和危害的严重程度，以及其对生物群体和人类自身的伤害问题，被不断披露出来。塑料包装由于密度小，单位质量包装面积大，“生命周期”长，不易自然消除，成为了塑料废弃物的重要组成部分，也是白色污染的主要组成。

解决的方法可采取提高回收率或让塑料自然降解。

提高回收率需快速推进四个领域：标准化（材料、路边收集、废物分类）、基础设施投资、开发跨供应链业务模式和创造更高价值的回收物[14]。

回收步骤为从回收基础设施如路边收集箱集中回收物，对材料进行分类提取并发送给回收商。在塑料回收设施中可分类为高度纯度的聚合物，通过热处理和压力处理进行机械回收，形成薄片或颗粒，这些薄片或颗粒可挤出或吹制成新的用途。其余的被焚烧在能源废物工厂，用于发电。在世界上还缺少化学回收厂，即选择性地将废弃的聚合物分解成单体，重新制成新的聚合物。值得高兴的是，采取热解和加氢裂化等非选择性化学转化的试验工厂正在出现。

绿色塑料中可降解塑料的制备和应用技术最为成熟，是绿色塑料的主要代表产品。可降解塑料可分为光降解塑料、生物破坏性塑料和完全生物降解塑料。

对于光降解塑料，由于添加剂的种类繁多，有关于添加剂对于环境的影响研究尚不全面，故光降解塑料在包装领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，但淀粉的添加量对材料的强度影响较大。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，适合用于大部分传统塑料加工工艺，更适应时代的现状。

可用的可降解材质大都基于聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚羟基丁酸戊酸酯（PHBV）、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚碳酸亚丙酯（PPC）、聚对苯二甲酸己二酸丁二酯（PET）等。

5. 结论

我国的塑料加工行业发展令世界瞩目，塑料螺纹的用途广泛，我国急需建立属于自己的塑料螺纹标准，便于塑料螺纹制品的生产与替换，拓展塑料螺纹的应用领域，针对塑料螺纹存在的缺陷，改善性能。另外大力发展塑料的回收再利用，塑料业是国民经济的重要产业，塑料再生既可节约资源，缓解塑料原料供需矛盾，又保护环境，是塑料业持续发展必由之路。