BRPI0808077A2 - Método de fabricação de recipiente - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE RECIPIENTE".

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um método de fabricação de um artigo, em particular, a um método de fabricação de um recipiente de material termoplástico.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

É conhecido que se fabricar recipientes de material termoplástico por meio de um processo de modo geral conhecido como moldagem por 10 sopro. Os processos de moldagem por sopro são empregados na produção de artigos termoplásticos de corpo oco, incluindo, especialmente, recipientes do tipo garrafa. O processo básico abrange a produção da pré-formação de material termoplástico em uma etapa intermediária, referida como molde parison ou pré-forma. A pré-forma aquecida é em seguida ainda formada por 15 meio da inflação da mesma sob pressão de gás, dentro dos limites de uma cavidade de molde projetada de modo a prover o formato final de um artigo.

Nos dias atuais, há uma demanda permanente pela diminuição do custo de produção e um fator importante é a diminuição do tempo do ciclo de produção, sem nenhuma concessão à qualidade do recipiente em termos de suas propriedades físicas ou da manutenção da qualidade do produto.

As Patentes U.S. N2s 4 512 948, 4 853 171 e 4 839 127 descrevem métodos para a redução do tempo do ciclo de produção para a moldagem por sopro de recipientes de material termoplástico, como os de politereftalato de etileno. De acordo com os documentos da técnica anterior, uma 25 pré-forma é produzida e em seguida formada por meio da inflação sob pressão de gás, formando um recipiente. Uma vez o recipiente formado, é necessário que o mesmo seja resfriado, a fim de diminuir o tempo de refrigeração e, deste modo, o tempo do ciclo de produção. A Patente U.S. N- 4 512 948 descreve que, durante um primeiro resfriamento, o interior do recipiente pre30 cisa ser mantido sob pressão de modo a evitar retração. Quando o recipiente é suficientemente resfriado a fim de impedir uma forte retração do mesmo, a pressão interna é liberada e o recipiente pode ser removido do molde. De acordo com a Patente U.S. N- 4 512 948, o método descrito permite a liberação do recipiente do molde a uma temperatura acima de 100°C, deste modo reduzindo o tempo de ciclo de produção.

Uma inconveniência dos métodos conhecidos é que os métodos 5 de produção conhecidos não consideram o efeito do comportamento viscoelástico do material termoplástico.

Com efeito, mesmo quando resfriados, os recipientes termoplásticos moldados por sopro são submetidos a um estiramento permanente, afetando o volume interno do recipiente. O comportamento visco-elástico do 10 material termoplástico se manifesta de duas maneiras importantes na fabricação de recipientes. A primeira é um módulo dependente de tempo associado ao relaxamento de tensão dentro do material - e é conhecida como retração pós-moldagem. A segunda é a conformidade dependente do tempo do material à tensão aplicada - como no caso da pressão super atmosférica 15 exercida pelos conteúdos do recipiente - por exemplo, bebidas carbonadas. A propriedade é referida como escoamento, ou, às vezes, "fluxo frio".

Em condições normais, isto é, a temperatura ambiente ou a pressão ambiente, o relaxamento de tensão (retração) pode demorar três dias para acabar manifestação, e em seguida o crescimento (o escoamento, 20 ou mais especificamente o fluxo frio, é feito a temperatura ambiente) requer mais sete dias para se completar - de modo que há um hiato de dez dias entre a moldagem e o enchimento do recipiente.

Atualmente, existem duas opções para se trabalhar com o comportamento visco-elástico. Uma primeira opção é ignorar o seu efeito e en25 cher o recipiente de uma maneira relativamente rápida após o resfriamento. Neste caso, o volume interno do recipiente é submetido a mudanças e obterá o seu volume nominal (final) somente após o enchimento. Deste modo, o volume livre ou espaço de cabeça do recipiente, isto é, a parte do recipiente que fica vazio quando se enche o mesmo com líquido, apresenta uma alte30 ração. Tal mudança, no entanto, é indesejada quando o recipiente contém líquidos gaseificados, uma vez que as mudanças no espaço de cabeça levarão a uma mudança do equilíbrio do gás acima do líquido e no líquido e, deste modo, à composição do líquido. Particularmente para bebidas, tal mudança na composição deve ser evitada, uma que pode levar a uma deterioração do sabor.

Uma outra opção para lidar com o comportamento visco-elástico do material termoplástico é armazenar os recipientes por um período de até dez dias após o resfriamento, ou seja, o tempo necessário para o recipiente atingir o seu volume nominal.

Torna-se aparente, no entanto, que o armazenamento de recipientes por um longo período necessita de grandes áreas de armazenamento e, sendo assim, afeta negativamente o custo de fabricação.

O objetivo da presente invenção é superar as falhas acima e ainda outras falhas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Sendo assim, a presente invenção diz respeito a um método de 15 fabricação de um artigo, o método compreendendo as etapas de moldar uma fusão de material termoplástico, formando, assim, o dito artigo, e de refrigerar o artigo a uma temperatura abaixo da temperatura de vidro do dito material termoplástico, o método sendo caracterizado pelo fato de compreender ainda uma etapa de pós-tratamento de aplicação de uma tensão sobre o 20 artigo.

De preferência, a tensão sobre o artigo é aplicada contrária à deformação do artigo devido ao relaxamento de tensão do material termoplástico.

A presente invenção se refere particularmente ao método acima para a fabricação de um recipiente e, de preferência, de um barril de material termoplástico, por meio do qual o pós-tratamento compreende a aplicação de uma sobrepressão no recipiente ou barril.

A presente invenção também trata de um método para a lavagem de um recipiente de material termoplástico moldado, por meio da inserção de um fluido no mesmo sob pressão, caracterizado pelo fato de que o dito fluido é inserido no recipiente quando o recipiente é submetido a um relaxamento de tensão do material termoplástico, e da manutenção do dito fluido sob pressão no recipiente por um período correspondente a pelo menos parte do período no qual o recipiente é submetido ao relaxamento de tensão.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA PRESENTE INVENÇÃO De acordo com a prática geral, um artigo de material termoplás

tico pode ser formado por meio de moldagem. Nos recipientes e, especialmente, garrafas, o processo de fabricação se inicia com a produção de um molde parison ou pré-forma. É conhecido que tal molde parison ou pré-forma seja fabricado por meio de extrusão ou moldagem por injeção.

O molde parison ou pré-forma pode, em seguida, ser moldado

por sopro em um molde de modo a formar um artigo desejado, como, por exemplo, um recipiente. Dependendo do processo aplicado na fabricação do molde parison, podem ser aplicados os seguintes processos para se fabricar o recipiente.

A moldagem por sopro de extrusão é uma das técnicas mais

amplamente utilizadas e consiste da extrusão (intermitente ou contínua) de um molde parison oco em uma direção de queda descendente. Uma vez que a forma parison se desenvolve suficientemente, um comprimento predeterminado da mesma é abrangido dentro de uma cavidade de molde. Quando a 20 forma parison se encaixa no molde, a mesma é inflada sob uma pressão de gás e se conforma às superfícies internas rígidas do molde encerrado, construindo uma forma de corpo oco que, em última instância, resultará neste recipiente acabado.

A moldagem por sopro de injeção é uma operação de múltiplas 25 etapas nas quais a forma parison é moldada por injeção em um espaço definido por um molde de forma parison e uma haste de núcleo disposta no mesmo, e é em seguida transferida (por exemplo, sobre a haste de núcleo) para uma estação de moldagem por sopro subsequente. Em uma variante de "deslocamento" deste tipo de moldagem por sopro, uma quantidade me30 dida de fusão termoplástica é inserida em um molde de forma parison, e a haste de núcleo é em seguida inserida no molde de modo a forçosamente deslocar a fusão para dentro dos espaços remanescentes entre a haste de núcleo e as superfícies internas de moldes - formando, assim a forma parison.

Com relação ao processo de moldagem por sopro, é notado que a moldagem por sopro de estiramento é particularmente adequada às apli5 cações que envolvem termoplásticos capazes de compensar as orientações moleculares lineares internas - tais como o PET. A forma parison pode ser ainda moldada à extrusão ou moldada a injeção, embora esta última seja mais frequentemente usada em associação às operações de moldagem por sopro de estiramento. O que caracteriza especificamente o processo de 10 moldagem por sopro de estiramento é que a forma parison pré-formada é cuidadosamente condicionada exatamente acima da temperatura de transição de vidro do termoplástico (isto é, quando está quente o suficiente para permitir que a forma parison seja inflada, porém fria o suficiente para retardar uma re-randomização de pós-alinhamento da estrutura molecular), e, em 15 seguida, estirada, orientada, ("parcial" e axialmente ou biaxialmente) e soprada. A cristalização induzida por deformação no termoplástico estirado pode, no caso do PET, ser aumentada a praticamente 20 e ainda tão alto quanto 28 %.

Uma vez que o recipiente é moldado por sopro, ele precisa ser resfriado. O resfriamento do recipiente pode ser ativo, conforme descrito, por exemplo, na Patente U.S. N- 4 512 948 e na Patente U.S. N2 4 853 171, ou passivamente. Torna-se evidente que o resfriador ativo é preferido no sentido de diminuir o tempo de ciclo de processo.

De acordo com a presente invenção, um pós-tratamento é feito 25 depois do resfriamento do recipiente a pelo menos abaixo da temperatura de vidro do material termoplástico. A temperatura de vidro é a temperatura abaixo da qual o material termoplástico fica em seu estado vítreo, com sua estrutura polimérica "fechada", no sentido de que o material exibe uma viscosidade muito alta, virtualmente sem movimento segmentar e muito peque30 no escoamento (ou pelo menos muito lento).

O pós-tratamento, de acordo com a presente invenção, compreende a aplicação de uma pressão interna no recipiente a fim de mitigar o relaxamento de tensão na forma de uma retração dimensional pós-formação.

A pressão interna - isto é, uma sobrepressão com relação à pressão ambiente - é de preferência aplicada por meio da inserção de um fluido no recipiente e da vedação do recipiente de tal modo que a sobrepres5 são possa ser mantida por um determinado período.

De preferência, o interior do recipiente é mantido sob uma pressão suficiente e por um tempo pelo menos suficiente de modo a substancialmente evitar a retração dimensional de pós-formação do dito recipiente e de preferência aumentar ainda mais o recipiente através de escoamento. No 10 caso dos recipientes de, por exemplo, os barris de 10 a cerca de 50 litros, feitos de politereftalato de etileno (PET) ou polinaftalato de etileno (PEN) e com uma pressão interna compreendida entre 0,15 e 0,4 MPa (1,5 e 4 bars), a retração dimensional de pós-formação poderá durar cerca de um dia, enquanto o escoamento subsequente se manifestará por até 5 dias mais, resul15 tando em um período de 6 a 7 dias antes de o recipiente atingir estabilidade dimensional.

O uso de uma sobrepressão interna de acordo com a presente invenção permite se exercer um campo de tensão complexo através do recipiente - diminuindo a manifestação de retração relacionada à tensão e rela20 xamento e, no caso de recipientes pressurizados, tais como aqueles para bebidas carbonadas, como, por exemplo, cerveja, a presente invenção também diminui o tempo necessário para uma condição de escoamento (ou "crescimento") do recipiente até as suas dimensões desejadas finais.

Tendo em vista os métodos conhecidos, nos quais nenhuma pressão interna é aplicada no recipiente após um resfriamento suficiente, a presente invenção possibilita a redução do tempo de retenção necessário em 30 %, isto é, abaixo de sete dias.

Além disso, os recipientes fabricados por meio do método de acordo com a presente invenção atingem o seu volume nominal antes do enchimento com o seus conteúdos desejados, deste modo impedindo a deterioração organoléptica do conteúdo, especialmente das bebidas carbonadas, tais como a cerveja. A fim de manter o interior do recipiente sob pressão, é preferido que o recipiente seja ejetado do molde quando o mesmo é moldado por sopro, ou do molde de resfriamento se aplicado, e que seja provido com um conjunto de válvula, vedando o interior do recipiente.

Uma vez vedado, o recipiente pode ser enchido através do con

junto de válvula com um fluido de modo a criar uma sobrepressão. O fluido de preferência é um gás não-oxidante, como, por exemplo, dióxido de carbono ou nitrogênio.

Isto traz a vantagem adicional de a integridade do recipiente e da conexão com o conjunto de válvula poder ser testada durante o póstratamento, de acordo com a presente invenção. Além do apresentado acima, a prática da presente invenção pode ser colateralmente empregada para testar itens relacionados à integridade da embalagem. Neste caso, a pressão do fluido pode ser aumentada por pelo menos algum período de tempo suficiente para conduzir um processamento de teste de pressão de integridade de recipiente compatível com às normas aplicáveis e/ou aos padrões de segurança e saúde e/ou de qualidade. Por conseguinte, e uma vez que os barris devem, de qualquer maneira, ser testados para pressão, o método, de acordo com a presente invenção, de enchimento e retenção dos mesmos com fluido faz muito sentido. A Associação Britânica de Bares e Cerveja emite a instrução de que todos os barris de pressão "devem ser testados na fábrica até pelo menos 1,5 vezes a sua Pressão de Segurança de Trabalho", esta pressão SWP sendo "a pressão de calibre máximo à qual o equipamento deve ser submetido e que não deve ser excedida por nenhum método de trabalho planejado". Mesmo durante o enchimento e a dispensa utilizando misturas de dióxido de carbono e nitrogênio, as pressões nos barris raramente devem exceder 0,3 MPa (3 bar)(50 psig). Todos os recipientes feitos na Europa (que barris ou cascos) são projetados para uma pressão de trabalho de 0,4 MPa (4 bar) (60 psig) e cada qual é testado no processo de fabricação e após reparo para uma pressão de 0,6 MPa (6 bar) (90 psig). Ainda estipula-se que "a pressão de teste máxima não deve submeter o material a tensões superiores a 90 % do escoamento mínimo especificado para o material e que a mesma deve ser mantida por um período de tempo suficiente de modo a permitir um exame completo a ser feito em todas as emendas e junções".

Para outras finalidades de teste, no entanto, é preferido se em5 pregar pressões que correspondem à pressão exercida por uma bebida gaseificada contida, durante um uso normal de barril. Na maioria dos casos, isto se refere ao uso de dióxido de carbono em uma quantidade de cerca de

12 gramas ou menos por litro de volume de recipiente a fim de pressurizar o recipiente - particularmente para as bebidas do tipo refrigerante ou cerveja 10 do tipo ginger ale. Uma quantidade de cerca de 2 gramas por litro ou mais pode ser associada aos sucos de frutas espumantes ou similar. Para as cervejas, o dióxido de carbono pode estar presente em uma quantidade de cerca de 6 gramas por litro.

Em uma prática especialmente preferida de acordo com o méto15 do da presente invenção, o recipiente é um barril de sistema fechado adaptado para ser enchido com cerveja sem baixar materialmente a sua pressurização interna abaixo da pressão exercida pelo fluido inserido no mesmo para um pós-tratamento. Em um procedimento normal, por exemplo, um barril de cerveja é enchido e distribuído sob pressão. Quando conectado a um sis20 tema de dispensa, o dióxido de carbono é introduzido sob pressão de modo a direcionar a cerveja para fora do recipiente e para a torneira de cerveja a partir da qual a mesma é dispensada. Desta maneira, o barril está sempre pressurizado.

Nota-se que a presente invenção tem uma aplicação especial 25 com relação aos recipientes de bebida "gaseificada" - uma vez que a aplicação da pressão interna não somente diminui o tempo necessário para superar a retração, como também força o escoamento de modo a direcionar o recipiente as suas dimensões de originais (street levei). As bebidas gaseificadas que contêm dióxido de carbono, nitrogênio ou suas misturas são típi30 cas daquelas para as quais os barris da presente invenção podem ser usados.

Dentre as bebidas gaseificadas, vantagens particulares podem resultar para bebidas, tais como cerveja, e ainda para outras bebidas - quer gaseificadas ou não - sensíveis a uma oxidação de embalagem. A este respeito, o crescimento do recipiente resultante de um escoamento determinado pelo uso de gases não-oxidantes, tais como dióxido de carbono e/ou nitro5 gênio de acordo com a presente invenção, pode colateralmente deslocar o oxigênio do volume interno, lavar o mesmo das superfícies internas, e migrar para os interstícios moleculares do termoplástico, deste modo deslocando o oxigênio de dentro do material termoplástico. Isto é importante, uma vez que alterações sensórias em uma cerveja após embalagem são indesejáveis e 10 todo cervejeiro tenta evitar tal dano à cerveja.

De acordo com as vantagens listadas acima, a presente invenção também refere-se a um método para lavar um recipiente de material termoplástico moldado, por meio da inserção de um fluido no mesmo sob pressão, caracterizado pelo fato de que o dito fluido é inserido no recipiente 15 quando o recipiente é submetido a um relaxamento de tensão do material termoplástico, e contendo o dito fluido sob pressão no recipiente por um período correspondente a pelo menos parte do período no qual o recipiente é submetido ao relaxamento de tensão.

Além disso, será apreciado que o material termoplástico a ser usado no método de acordo com a presente invenção para a fabricação do artigo não se limita ao PET ou ao PEN.

Com efeito, a maioria dos termoplásticos pode ser moldado por sopro, mesmo que enchido com vidro e minerais (fibra de vidro, talco, mica). O que determina a utilidade do material termoplástico para uma moldagem 25 por sopro são as características necessárias e o comportamento imposto sobre o material pelo processo. As importantes características do material são o fluxo de fusão e a resistência à fusão, (especialmente na moldagem por sopro de extrusão, na qual a forma parison extrudada deve ser capaz de suportar o seu próprio peso sem rasgar). Como uma generalização, tais ma30 teriais tipicamente apresentam índice de fusão fracional, alto peso molecular e alta resistência à fusão.

As poliolefinas são os materiais mais comumente utilizados - o polietileno de alta densidade, HDPE, o polietileno de baixa densidade linear, LLDPE, o polipropileno, PP. Estes materiais têm alta resistência à fusão, grandes janelas de processamento de temperatura, não requerem secagem, podem ser reprocessados com pouca perda de propriedades, são resisten5 tes a muitos produtos químicos, e são relativamente suaves e uma remoção automática se torna fácil.

O politereftalato de etileno, PET, e policloreto de vinila, PVC, podem ser processados de modo a apresentar alta claridade e alta resistência ao impacto. Para algumas aplicações, isto requer um processo de orien10 tação (axial ou biaxial) a fim de desenvolver as propriedades desejáveis - e isto é melhor controlado por meio de uma moldagem por sopro de estiramento. Observa-se que a moldagem por sopro de injeção das garrafas de PET é tipicamente feita com uma resina para garrafa de PET padrão. A moldagem por sopro de extrusão de garrafas, por outro lado, se aproveita do 15 uso de um PET copolimérico de lenta cristalização com uma aperfeiçoada (maior, neste caso) resistência à fusão.

Uma maior resistência ao impacto, uma maior resistência à temperatura e um comportamento à fadiga aperfeiçoado estão disponíveis nos plásticos e ligas engenheirados, e às misturas, por exemplo, no policarbonato, PC, na acrilonitrila butadieno estireno, ABS, no poliuretano, no polióxido de fenileno / poliestireno, PPO/PS, no polióxido de fenileno / náilon, PC/ABS.

Um maior comportamento reológico é determinado pela composição e estrutura do polímero, pela temperatura e pela velocidade de cisaIhamento, no entanto, o processamento e as adições de material podem tra25 zer efeitos. O material reprocessado ou repulverizado pode apresentar diferentes viscosidade e resistência à fusão devido ao cisalhamento e ao aquecimento sofridos pelo material em um processamento anterior. As cargas não se deformam da mesma maneira que o material termoplástico e, deste modo, influenciam o fluxo durante a formação da pré-forma e sopro da peça. 30 Para sumarizar e, de acordo com a presente invenção, o recipi

ente é "temperado" ao ter o seu interior mantido sob uma pressão suficiente ou por pelo menos um tempo suficiente de modo a substancialmente evitar a retração dimensional de pós-formação do recipiente devido à resposta viscoelástica menor com relação ao tempo, associada ao relaxamento da tensão de formação do material termoplástico. Em termos mais específicos, o interior do recipiente é mantido sob uma pressão exercida por um fluido que ocu5 pa o volume em uma relação vedada dentro do espaço interno, depois de o recipiente ser liberado de um molde no qual uma fusão foi formada. De acordo com uma prática particularmente preferida, o recipiente é liberado do molde no qual a fusão foi formada, quando depois de o fluido ser introduzido no recipiente de modo a exercer uma pressão. O recipiente é liberado do 10 molde, e em seguida vedado com o meio de válvula através do qual o fluido é então introduzido no recipiente de modo a exercer uma pressão.

De preferência, o recipiente é temperado no sentido maior do que uma pressão suficiente é aplicada por pelo menos um tempo suficiente para crescer o dito recipiente através de um escoamento compatível às ditas 15 dimensões de enchimento originais do recipiente ("street fill dimensions"). Mais particularmente, um recipiente preferido é temperado no sentido de que uma pressão suficiente é aplicada por pelo menos um tempo suficiente para crescer o dito recipiente através de um escoamento compatível às dimensões de originais ("street fill dimensions") do dito recipiente.

A têmpera do recipiente inclui a introdução do fluido no recipien

te depois de a temperatura de fusão do material termoplástico cair abaixo de sua temperatura de transição de vidro Tg. Em uma forma particularmente preferida da presente invenção, o recipiente é adaptado para ser um recipiente de bebida. A saturação do material termoplástico com dióxido de carbono é especialmente útil na embalagem de bebidas carbonadas.

Claims (13)

1. Método de fabricação de um artigo, o método compreendendo as etapas de moldar uma fusão de material termoplástico, formando, assim, o dito artigo, e de refrigerar o artigo a uma temperatura abaixo da temperatura de vidro do dito material termoplástico, o método sendo caracterizado pelo fato de compreender ainda uma etapa de pós-tratamento de aplicação de uma tensão sobre o artigo.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a tensão sobre o artigo é aplicada em uma direção contrária à deformação do artigo devido ao relaxamento de tensão do material termoplástico.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o artigo é um recipiente e pelo fato de que o pós-tratamento compreende a aplicação de uma sobrepressão no recipiente.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a sobrepressão é criada por meio da inserção e manutenção de um fluido no recipiente.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o dito fluido é um fluido não oxidante.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito fluido é dióxido de carbono ou nitrogênio.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 6, caracterizado pelo fato de que a pressão aplicada no recipiente é compreendida entre 0,15 MPa (1,5) e 0,4 MPa (4 bars).

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 7, caracterizado pelo fato de que a sobrepressão no recipiente é mantida por um período correspondente a pelo menos parte do período no qual o material termoplástico do recipiente é submetido a relaxamento de tensão e/ou escoamento.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 8, caracterizado pelo fato de que a sobrepressão no recipiente é mantida por um período de cerca de 7 dias.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de a 9, caracterizado pelo fato de que o conjunto de válvula é montado sobre recipiente em uma relação de vedação antes da inserção do fluido pressurizado.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações de1 a 10, caracterizado pelo fato de que, durante pelo menos parte do póstratamento, o artigo se situa fora de um molde.

12. Método para lavar um recipiente de material termoplástico moldado, por meio da inserção de um fluido sob pressão no mesmo, caracterizado pelo fato de que o dito fluido é inserido no recipiente quando o recipiente é submetido ao relaxamento de tensão do material termoplástico, e a manutenção do dito fluido sob pressão no recipiente por um período correspondente a pelo menos parte do período no qual o recipiente é submetido a um relaxamento de tensão.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o fluido é um fluido não-oxidante, em particular, dióxido de carbono ou nitrogênio.