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論文

耐圧ペットボトルの構造挙動と耐圧強度に関する一検討
A Study on Structural Behavior and Strength of Pressure PET Bottle under Internal Pressure
岡山県立大学情報工学部

福田尾崎忠生（Tadao FUKUTA）
公一（Koichi OZAKI）

NOK

山部匡央（Tadahisa YAMABE）

ムトーテクノ飯坂元哉（Motoya IIsaka）（元）
岡山県立大学情報工学部

早川悌二（Teiji HAYAKAWA）

The structural behaviors and strength of actual pressure PET bottle have been investigated，mainly by experimental measurements under internal pressure．First，tensile tests of PET resin material for PET bottle were carried out in order to obtain thefundamental tensile properties and the stress−strain diagram．Then，the mechanicalbehaviors of PET bottle were found by strain measurements under internal pressures．
Finally，burst tests were conducted for ２１ PET bottles．In the present burst tests，resulted magnitudes of burst pressures were not so much scattered，within the range of１．
９〜２．
３ MPa．Fractured shapes of bottles by bursting would be categorized in threekinds of I，L，X types．
For trial，burst pressure evaluation for the bottle were made by applying the theoretical analysis of N．L．Svensson．The calculated bursting pressure and radial deflection were numerically near the experimental values．However，in further investigation
for more rigorous solutions，the following items are to be studied： The material
properties including stress−strain diagram for the actual bi−axially oriented PET bottle itself formed by blow molding，not only PET resin material． The development ofanalytical approach for large deformation to the range of bursting．
Key Words : PET Resin，Pressure PET Bottle，Burst Pressure，Experimental Measurements，Internal Pressure

原稿受付日 ２２．
１
０．１

24

圧力技術

第４９巻第３号

圧力技術

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万能材料試験機を使用し JIS１．まえがき

K ７１６１7) の試験方法にしたがって引張特性試験を行った。引張速度PET（Poly Ethylen Terephtalate）ボトルのは基本的な引張特性の測定では１mm／min とし，うち，耐圧ボトルは耐圧性に優れ，加工し易く，破断までの応力−ひずみ特性の計測では５mm／リサイクル性の高い容器として広く使用されていmin とした。

る。しかしながら，PET ボトルの成分等に関する規格などは整備されているが，PET ボトルの２．
２ 引張試験結果

耐圧強度に関する規格は明文化されておらず，基本的特性値は，Fig．２に示す計測データをPET 成形メーカーにより個別に設計し製造され用いて文献７）の規定に従って決定し，引張弾性ているのが現状である。近年，PET ボトルの破４，引張降伏率 Et ＝１９９０MPa，ポアソン比 ＝０．

裂事例が国民生活センターや消防庁などから報告

応力されている  。PET ボトルの劣化や遊び目的の
1) 2)

＝４９．１MPa，引 張 降 伏 ひ ず み ＝０．０３６yyであった。破断までの公称応力−公称（呼び）ひ

用途外使用など状況は多様であるが，いずれも内ずみ線図を Fig．３ に示す。また，この線図に圧の過圧が破裂の原因となっている。これらの問対応した試験片の形状変化を模式的に Fig．３



題に関連して，PET を含めたエンジニアリングプラスチックス材料に関する研究やボトル製造法に関する報告は従来から発表 3)4)などされているものの，ボトル現物に対する構造挙動や強度に関する報告は著者らの知る限りほとんど見当たらないようである。本検討では，５００ml 実物ボトルを対象に，耐圧 PET ボトルの耐圧強度について，主として実験により検討を行った。PET 樹脂の引張特性試験および PET ボトルの内圧負荷実験を行って内圧負荷時の構造挙動を調べるとともに破裂圧力 を 測 定 し た。併 せ て，N．L．Svensson の破裂解析 5) を適用して破裂強度の検討を試みた。

２．PET 樹脂の引張特性
２．
１ 引張試験
試験片は耐圧ボトルのブロー成形用樹脂を射出成形により作製した。試験片はすように JIS

Fig．１に示6)

K ７１６２ のダンベル型試験片１B（板厚３．
２mm）に準拠している。高分子材料用

Fig．２ Determination of tensile properties
Fig．１ Tensile test specimen

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３２０１１25耐圧ペットボトルの構造挙動と耐圧強度に関する一検討

120３．
１ 供試ボトル
供 試 ボ ト ル は 市 販 の５００ml 炭 酸 飲 料 用 耐 圧

PET ボトルで，Fig．５ に示すように円筒部とペタロイド（花びら）形状の底部から成り，二軸延伸ブロー成形によって作られたものである。

Fig．５ に耐圧ボトルに特有なペタロイド形状の底部詳細を示す。寸法計測の結果，円筒部はボト
ル底面から５０〜１４０mm の範囲で，平均内径６４mm，平均肉厚０．
３５mm であった。ペタロイド部の肉厚は全体的に円筒部よりも厚く，平均肉厚は，A，B，B’部 で２．
５mm，他 の 部 分 で０．
５mmであった。

Fig．３ Result of tensile testに示した。破断時のひずみは B ＝２．
２７であった。

３．内圧負荷実験による変形挙動と破裂
圧力内圧負荷実験装置を Fig．４に示す。圧力センサーで内圧を計測しながら手動の水圧ポンプによりテストタンク内に取り付けた供試ボトルに内圧を負荷した。
Fig．５ Tested PET Bottle

３．
２ ひずみ計測実験
円筒部の下面から６０，９０，１２０mm の３ケ所とペタロイド部８ヶ所に弾性２軸ひずみゲージを貼付して内圧０．
４MPa までのひずみを計測した。
Fig．４ Test equipment に併記して示ゲージの貼付位置を Fig．５ ，す。測定結果を円筒部について Fig．６に，ペタ に示す。この圧ロイド部について Fig．７ ，
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圧力技術

第４９巻第３号

圧力技

術

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力範囲では，各ひずみとも圧力にほぼ比例して増ずみは軸方向位置によらずほぼ一定値を示し，周加している。Fig．６から，円筒部では軸方向ひ方向ひずみは中間に近い９０mm での値が最大となっており半径方向の膨らみが太鼓状に分布する

はペタロイド
は谷部分のひずみを示している。

ことがうかがわれる。Fig．７の部の山部分を，図から，周方向ひずみは B，B’ 点を除いて山と谷部分でほぼ同様の傾向にある。最下底の C 点
では圧力とともに減少傾向にある。なお，軸方向ひずみは谷部の D’ 点が最大であるほかは同様の傾向にある。

３．
３ 破裂実験
破裂に至るまで加圧し，計２１個の供試ボトル
Fig．６ Measured strains in cylinderについて破裂実験を行った。実験時の水温は６〜１４℃ であった。破裂時の圧力を読み取った結果を破裂形状ごとにまとめて Table１に示す。本実験では破裂圧力 PB にばらつきは比較的少なく PB＝１．
９〜２．
３MPa であった。破裂はすべて円筒部

 ，に示すよに生じ，破裂形状は，Fig．８ ，

うな I 型，L 型，X 型に大別されるようである。
I 型は円筒の軸方向に直線に近い裂け目状を呈し，
L 型は軸方向の裂け目に加えて上部または下部に周方向の裂け目を呈するものであり，X 型は爆裂に近い状況であった。これらの破裂形状を特定する因子は不確定であったが，I 型が一番少なく，
L 型と X 型はほぼ同数であり，いずれも破裂圧力は前述の１．
９〜２．
３MPa であった。

Table１ Burst pressures of tested bottles

Fig．７ Measured strains in petaloid part
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３２０１１27122

耐圧ペットボトルの構造挙動と耐圧強度に関する一検討状によらず，加圧とともに細かいき裂がボトル表面に発生し，そのき裂が増大してついには破裂に至るというメカニズムが観察された。I 型の場合は円筒に発生したき裂が軸方向に進展し，L 型では２箇所に発生したき裂が２方向に進展して合体し，X 型では発生したき裂中心に拡散的に拡大して全体破裂に至るようである。

４．破裂解析

Fig．８ Fractured types of bottles

金属製圧力容器の破裂解析のなかで，各種規格

３．
４ 高速ビデオカメラによる観察
加圧による変形状態と破裂時の様子を調べるた
めに高速ビデオカメラを設置して観察を行った。

資料等で参照されている N．L．Svensson の解析
5)を本 PET ボトルの破裂に適用してみた。

４．
１ N．
L．
Svensson の解析

加圧とともに円筒部が太鼓状に膨れてゆき，破裂均質等方性と非圧縮性を仮定し，真応力−真ひ直前に近い２．
０MPa 近傍で最大１０数 mm 前後のずみ関係は n 乗硬化特性で表示できるものとの半径方向変位が観察された。一例を Fig．９に示前提の下に有限変形理論を適用して圧力と変形のす。Fig．１０に高速ビデオカメラの変形映像から関係式を導出している。



求めた半径方向変位の概略観測値を示す。破裂形
P＝n 123

 t (lnx)

n0 i

Ri

ここに，

x＝2xRRi 

また， 0 およ び n は n 乗 硬 化 式 ＝ 0 n における係数と指数，ti および Ri はそれぞれ初期の肉厚，内半径，R は変形後の半径破裂限界の条件は，圧力〜変形曲線における最Fig．９ Deformed cylinder（P ２．
０MPa）

大圧力点とし，局部的な bulging を生じてき裂が発生するまで膨れが成長しついに破裂に至るものとしている。薄肉円筒の破裂圧力 P＊として次式を与えている。

 Rt neP＊＝ 0iin2n 13

ここに，e は自然対数の底

４．
２ 破裂圧力の試算
ボトル現物では二軸延伸ブロー成形による延伸効果によって，基本的物性値および応力−ひずみ
Fig．１
０ Radial deflection of cylinder
28

関係は PET 樹脂の引張試験データとはかなり異圧力技術

第４９巻第３号

圧力なっていることが予想される。

る引張降伏応力  近傍までの真応力 と真ひずみ の関係を n 乗硬化式で表示した式を用いて式により破裂圧力を試算してみた。
ここで，n 乗硬化特性として，Fig．２ におけy＝６６７．９  [ MPa ]0 7455



技術

123５．まとめ実用されている耐圧 PET ボトルについて内圧負荷実験を行い，円筒部およびペタロイド部を含む構造全体の力学的挙動を調べた。２１個の供試ボトルについて破裂圧力を測定した結果，PB ＝１．
９〜２．
３MPa の破裂強度を有することがわかった。併せて，N．L．Svensson の理論的 破 裂 解 析

結果として，P＝２．
１４MPa と な り，実 験 で 得 らの適用を試みた。今後の課題として，①PET 樹

れた破裂圧力 PB ＝１．
９〜２．
３MPa に近い値が得ら

脂を素材とする二軸延伸ブロー成形体に関する材を 用 い て，半 径 変 化 比 x 対 す

料特性に基づく厳密な破裂現象の解析・検討と，る圧力 P と半径方向変位 ＝R−Ri ＝（x−１）Ri②ボトル成形体の過圧による破裂メカニズムおよを計算することにより，圧力−半径方向変位を試び破裂原因の解明が重要と考えられる。

れた。また，式Fig．１１に示した。最大圧力に対本検討が，耐圧 PET ボトルの強度および破裂応する変位は十数 mm の範囲にあり，３．
４で述事故防止に関する今後の研究の一助になれば幸いべた高速ビデオカメラによる観察変位の最大値にである。

算した結果を近いものであった。これらの実験結果にかなり近い値が得られたのは，成形後の PET ボトル現物

謝

辞の応力−ひずみ特性では PET 樹脂試験片による本実験研究を実施するに際して，設備の使用と引張試験結果とは異なって，本計算に試用した n

技術的指導を賜った岡山県工業技術試験センター

乗硬化特性をもつものに近い傾向を現出するための方々に謝意を申し上げる。

によるのではないかと推測される。
以上の試算は，金属材料を前提としている解析

参考文献

解に PET 樹脂の材料特性を試用してみた一つの計算結果であるが，結果から，PET ボトル現物の材料特性を得て適用することにより破裂圧力推定の可能性がうかがわれる。

１（）独）
国民生活センター報告書，
２００７−８−１５（www．
００７０８１５．
html）．
kokusen．go．jp／news／data／n−２２）東京消防庁報道発表資料，２０１０−７−１４（www．tdf．metro．tokyo．jp／hp−kouhouka／pdf／２２０７１４．
pdf）３）プラスチック成形加工学会； 図解プラスチック成形材料 工業調査会，２００６．
４）高分子学会； プラスチック加工技術ハンドブック
日刊工業，１９９５．
５） Svensson N．L．；“The Bursting Pressure of Cylindrical and Spherical Vessels”，J．Applied Mechanics，vol．
２５，Trans．ASME，vol．
８０，pp．
８９−９６，
１９５８．
６）日本規格協会，“JIS K ７１６２ プラスチック−引張特性の試験方法，第２部：型成形，押出成形 及び注型プラスチックの試験条件，１９９４．
７）日本規格協会，“JIS K ７１６１ プラスチック−引張特性の試験方法，第１部：通則，１９９４．

Fig．１
１ Pressure vs radial deflection of cylinder（by Burst analysis）

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