CH721912A1 - Verfahren zum Formen und Füllen eines Behälters aus einem Preform - Google Patents

Abstract

Das PET-Material des Preforms weist eine intrinsische Viskosität zwischen 0,6 dl/g und 0,8 dl/g und bevorzugt zwischen 0,5 dl/g und 0,7 dl/g nach ASTM D4603 auf, wodurch bei dem Verfahren eine zu hohe Streckverfestigung des PET-Materials welche eine Eintrübung der Behälteroberfläche verursacht, verhindert ist.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Formen und Füllen eines Behälters aus einem Preform gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Bekanntermaßen lassen sich Kunststoffbehälter im Streckblasverfahren aus Preforms herstellen. Seit längerer Zeit ist es auch bekannt den Preform (Vorformling) anstatt mit Pressluft mit dem flüssigen Füllgut auszuformen. Dadurch ist ein üblicherweise nach der Behälterformung sattfindender Abfüllschritt obsolet. Dieser verbesserte Prozess ist als Formfüll-Prozess bekannt.

[0003] Eine Formfüllmaschine umfasst eine Bearbeitungsstation zum expandierenden Umformen von Kunststoff-Preforms zu Kunststoffbehältern in einer Hohlform, indem ein flüssiges Füllgut unter Druck in die Preforms eingefüllt wird und diese mit dem flüssigen Füllgut zu Kunststoffbehältern ausgeformt werden.

[0004] Beim Formfüll-Prozess muss mit hohen Einspritzgeschwindigkeiten und Drücken gearbeitet werden, damit jeder Preform durch die eingefüllte Flüssigkeit in gleichbleibender Qualität die Form des Kunststoffbehälters erhält. Standardmässige Preforms sind für diese Prozessbedingungen nur bedingt geeignet, da ihre Eigenschaften an das Streckblasverfahren mit einem gasförmigen Medium angepasst sind.

Aufgabe der Erfindung

[0005] Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik resultiert die Aufgabe ein verbessertes Formfüllverfahren zu schaffen, bei dem der geformte Behälter trotz der veränderten Prozessparameter eine hohe Qualität besitzt.

Beschreibung

[0006] Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zum Formen und Füllen eines Behälters aus einem Preform durch die im kennzeichnenden Abschnitt des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale. Weiterbildungen und/oder vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0007] Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das PET-Material des Preforms eine intrinsische Viskosität zwischen 0,6 dl/g und 0,8 dl/g und bevorzugt zwischen 0,5 dl/g und 0,7 dl/g nach ASTM D4603 aufweist, wodurch bei dem Verfahren die Streckverfestigung des PET-Materials eine zu hohe Streckverfestigung des PET-Materials welche eine Eintrübung der Behälteroberfläche verursacht, verhindert ist. Durch die niedrige intrinsische Viskosität des Preform-Materials können die sich negativ auf die Qualität des geformten Behälters auswirkenden Prozessparameter des Formfüll-Prozesses kompensiert werden. ASTM D4603 ist das Standardtestverfahren zur Bestimmung der intrinsischen Viskosität von Polyethylenterephthalat (PET)-Materialien.

[0008] Grundsätzlich ist es anzustreben, dass der Preform in dem Formfüllprozess hochverstreckt wird, um einen Behälter mit verbesserten Eigenschaften im Vergleich zu niedrig verstreckten Behältern zu erhalten. Dazu zählen verbesserte Material- und Barriereeigenschaften, eine hohe optische Klarheit, verbesserte Härte und Kratzresistenz und eine einheitliche Materialverteilung. Preforms welche für den Streckblas(SBM)-Prozess ausgelegt sind, sind für den Einsatz im Formfüllprozess wenig geeignet. Dies liegt daran, dass die im Formfüllprozess auftretenden Prozessparameter, insbesondere die hohe Einspritzgeschwindigkeit und der hohe Druck, zu einer hohen Streckgeschwindigkeit und einem daraus resultierenden zu hohen Streckverfestigungs-Effekt führen. Je schneller die bi-axiale Verstreckung, je tiefer die Temperatur des Preforms und/oder der Flüssigkeit und je höher die intrinsische Viskosität ist, desto intensiver kommt das PET-Material in den Bereich der unerwünschten Streckverfestigung. Der auftretende Streckverfestigungs-Effekt bei zu hoher Streckverfestigung zeigt sich durch eine unerwünschte Trübung der Behälteroberfläche.

[0009] Durch die gewählte erniedrigte intrinsische Viskosität des PET-Materials kann der Preform hochverstreckt werden, ohne dass der ausgeformte und befüllte Behälter unerwünschte Qualitätseinbussen, insbesondere eine unerwünschte Oberflächentrübung aufweist. Durch die erniedrigte intrinsische Viskosität können die Prozessparameter des Formfüll-Verfahrens, welche für den SBM-Prozess vorgesehenen Preforms zu unerwünschten Behältertrübungen führen, unverändert bleiben. Eine aufwendige Anpassung der Prozessparameter zur Verhinderung des qualitätsverschlechternden Streckverfestigungs-Effekts kann in überraschender Weise durch die Erniedrigung der intrinsischen Viskosität vermieden werden. Die intrinsische Viskosität des PET-Materials für Preforms für den SBM-Prozess liegt üblicherweise bei 0,8 dl/g nach ASTM D4603. Für den FormFill-Prozess wird generell empfohlen ein reduziertes Streckverhältnisse anzuwenden. Dies ist jedoch grundsätzlich nur möglich, wenn in ein neues Preform-Design und damit in ein neues und teures Preformwerkzeug investiert wird. Mit einem niedrigviskosen PET-Material ist es nun möglich, die bestehenden Streckverhältnisse beizubehalten und bestehende, ursprünglich nicht für den FormFill-Prozess vorgesehene Preform-Designs / Preformwerkzeuge zu verwenden.

[0010] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die intrinsische Viskosität des PET-Materials durch die Verkürzung der Molekülketten eingestellt. Dadurch kann die intrinsische Viskosität genau in den Bereich eingestellt werden, damit die Behälterqualität durch die notwendigen Prozessparameter des Formfüll-Verfahrens nicht beeinträchtigt werden.

[0011] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Preform aus einem Granulat spritzgegossen und dem Granulat ein Chain Breaker beigemengt, wodurch die intrinsische Viskosität des Preforms eingestellt wird. Dadurch kann die Beimengung des Chain Breakers in einen bestehenden Verfahrensschritt integriert werden.

[0012] Unter „Chain Breaker“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung chemische Verbindungen verstanden, die geeignet sind, PET abzubauen bzw. die Molekülketten zu verkürzen. Zusätzlich kann der Chain Breaker so beschaffen sein das er die Ketten verändert und gezielt Copolymere in die Polymerkette eingebaut werden. Chain Breaker, welche zusätzlich Copolymere in die Kette einbauen, werden auch kristallisationshemmende Chain Breaker bezeichnet.

[0013] In vorteilhafter Weise wird das Granulat in einem Extruder zu einer Schmelze aufgeschmolzen und die Schmelze aus Granulat und Chain Breaker wird reaktiv extrudiert und direkt in eine Spritzgussform eingespritzt, um den Preform herzustellen. Unter diesen Bedingungen wird das PET-Material während der Extrusion im Spritzaggregat rasant abgebaut, d.h. das mittlere Molekulargewicht des PET-Materials und damit die intrinsische Viskosität nimmt ab.

[0014] Vorteilhaft erfolgt die Beimengung des Chain Breakers vor oder während des Aufschmelzens des Granulats, wodurch eine homogene Verteilung des Chain-Breakers erfolgt.

[0015] Bevorzugt wird bzw. werden als Chain Breaker Monoethylenglykol, Diethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol und/oder zyklische Mehrfachalkohole eingesetzt. Mit Hilfe dieser Chain Breaker kann die intrinsische Viskosität durch Spaltung der PET-Moleküle direkt beim eigentlichen Spritzprozess so weit abgesenkt werden, dass beim Formen des Behälters aus dem Preform im Formfüll-Verfahren trotz der vorherrschenden „agressiven“ Prozessparameter keine unerwünschte Trübung der Behälteroberfläche durch „Überstreckung“ auftritt.

[0016] Vorteilhaft wird als kristallisationshemmender Chain Breaker Isophthalsäure, Cyclohexandimethanol, Spiroalkohol oder Furandicabonsäure eingesetzt.

[0017] Zweckmässigerweise beträgt der Anteil an Chain Breaker 1 bis 3 Gew.-% in dem PET-Material, wenn der Chain Breaker Monoethylenglykol oder Diethylenglykol oder eine Mischung aus diesen ist. So lässt sich mit diesen 2 wertigen Alkoholen die intrinsische Viskosität des PET-Materials auf den notwendigen Wert für das Formfüll-Verfahren einstellen. Die kristallisationshemmendenden Chain Breaker benötigen teileweise eine höhere Konzentration von 1 bis 8 Gew.-%.

[0018] Wenn der Chain Breaker Diethylenglykol, Cyclohexandimethanol Spiroalkohol oder Furandicabonsäure oder eine Mischung aus diesen ist, ist es bevorzugt, wenn der Anteil an Chain Breaker 1 bis 8 Gew.-% in dem PET-Material beträgt.

[0019] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das PET-Material ein Recyclingmaterial und die intrinsische Viskosität wird in einem Festkörperpolymerisations(SSP)-Reaktor eingestellt. Unter einem Recyclingmaterial ist rezykliertes post-consumer PET zu verstehen, welches auch als rPET bezeichnet wird. Der SSP-Reaktor ist bei der Herstellung von rPET-Material dazu vorgesehen die Molekülketten zu verlängern und die intrinsische Viskosität anzuheben. Dadurch kann die intrinsische Viskosität des PET-Materials auf den für das Formfüll-Verfahren notwendigen Wert eingestellt werden. Im SSP-Reaktor kann dies in Kombination mit Chain Breakern oder anstatt dieser erfolgen.

[0020] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch die Einstellung der intrinsischen Viskosität das PET-Material des Preforms an die Verfahrensbedingungen, insbesondere die Temperatur und die Einspritzgeschwindigkeit der Flüssigkeit und die durch die Flüssigkeit erzeugte Streckgeschwindigkeit, angepasst. Dadurch können die „agressiven“ Prozessparameter, welche beim Formfüll-Verfahren vorherrschen, kompensiert werden, um die Qualität der hergestellten Behälter zu verbessern. Preforms, welche für den SBM-Prozess vorgesehen sind, werden durch die „agressiven“ Prozessparameter derart überstreckt, dass die Oberfläche des hergestellten Behälters trüb und nicht transparent ist. Es kann aber auch zusätzlich zur einstellung der intrinsischen Viskosität die Wärmeleitfähigkeit, die Einspritzgeschwindigkeit und die Temperatur der Flüssigkeit in einem gewissen Bereich angepasst werden, um eine zu hohe Streckverfestigung des PET-Materials zu verhindern.

[0021] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Streckverfestigung während des Einspritzens der Flüssigkeit in den Preform neben der Einstellung der intrinsischen Viskosität des PET-Materials des Preforms dadurch reduziert, dass die Flüssigkeit eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,3 und 0,9 W/(m·K) aufweist. Dadurch erhält der Preform bei der Verstreckung die geeignete Temperatur, um keine zu hohe und dementsprechend unerwünschte Streckverfestigung zu erhalten. Flüssigkeiten mit dieser Wärmeleitfähigkeit können Essigreiniger, Spülmittel, Handseife, Klarspüler, Mundwasser, Gesichtswasser aber auch Speiseöl sein.

[0022] Als zweckmässig hat es sich herausgestellt, wenn die Flüssigkeit derart in den Preform eingespritzt wird, dass die Streckgeschwindigkeit mit welcher der Preform zu dem Behälter verstreckt wird zwischen 0,5 m/s bis 2,5 m/s beträgt. Die Streckgeschwindigkeit kann ebenfalls genutzt werden, um der zu hohen Streckverfestigung entgegenzuwirken, die wiederum von den Produkteigenschaft abhängt (Wärmeübergang u. Wärmeleitfähigkeit).

Beschreibung des Verfahrens:

[0023] Das Verfahren wird zum Formen und Füllen eines Behälters aus einem Preform, welcher aus einem PET-Material spritzgegossen ist, eingesetzt und wird auch als Formfüll-Verfahren oder als FormFill-Verfahren bezeichnet. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Preforms in einer Hohlform platziert. Der Preform besitzt die Form eines Rohres, das an seinem unteren Ende geschlossen und an seinem gegenüberliegenden Ende offen ist. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Preform gestreckt. Dazu kann eine Strecklanze eingesetzt werden, welche auch als eine Einspritzlanze für eine Flüssigkeit dienen kann. In einem dritten Verfahrensschritt wird die Flüssigkeit in den Preform nach Beginn des Streckens eingespritzt, um eine Ausdehnung des Preforms in der Hohlform zu bewirken, Dadurch wird ein geformter und gefüllter Behälter hergestellt. Die Axialstreckung kann dabei ganz oder teilweise durch die Strecklanze erfolgen. Die Radialstreckung und teilweise auch die Axialstreckung des Preform kann durch die Befüllung des Preforms mit der Flüssigkeit erfolgen. Beim Formfüll-Verfahren wird mit hohen Einspritzgeschwindigkeiten und Drücken gearbeitet, wodurch der Preform im Vergleich zum SBM-Verfahren schneller und dementsprechend „aggressiver“ und höher verstreckt wird. Diesen Verfahrensbedingungen sind für das SBM-Verfahren vorgesehene Preforms nicht gewachsen. Bei diesen Preforms tritt durch die schnelle Verstreckung ein zu hoher Streckverfestigungs-Effekt auf, welcher sich in einer unerwünschten trüben Behälteroberfläche zeigt. Das PET-Material des Preforms zur Verwendung in dem Formfüllprozess weist eine intrinsische Viskosität zwischen 0,6 dl/g und 0,8 dl/g und bevorzugt zwischen 0,5 dl/g und 0,7 dl/g nach ASTM D4603 auf, wodurch bei dem Verfahren die Streckverfestigung des PET-Materials welche eine Eintrübung der Behälteroberfläche verursacht, verhindert ist. Durch die Einstellung einer erniedrigten intrinsischen Viskosität in Abhängigkeit von den Verfahrensparametren des Formfüll-Verfahrens lässt sich der Streckverfestigungseffekt und die damit einhergehende Verschlechterung der Behälterqualität bei jeder Anwendung vermeiden. Zudem kann durch die angepasste intrinsische Viskosität die Zykluszeit verbessert werden und die Grenzen des Prozessfensters können eingehalten werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Formen und Füllen eines Behälters aus einem Preform, spritzgegossen aus einem PET-Material, das Verfahren umfassend: – Platzieren eines Preforms in eine Hohlform, wobei der Preform die Form eines Rohres besitzt, das an seinem unteren Ende geschlossen und an seinem gegenüberliegenden Ende offen ist; – Strecken des Preforms und – Einspritzen einer Flüssigkeit in den Preform nach Beginn des Streckens, um eine Ausdehnung des Preforms in der Hohlform zu bewirken, wodurch ein geformter und gefüllter Behälter hergestellt wird,dadurch gekennzeichnet, dass das PET-Material des Preforms eine intrinsische Viskosität zwischen 0,6 dl/g und 0,8 dl/g und bevorzugt zwischen 0,5 dl/g und 0,7 dl/g nach ASTM D4603 aufweist, wodurch bei dem Verfahren eine zu hohe Streckverfestigung des PET-Materials welche eine Eintrübung der Behälteroberfläche verursacht, verhindert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die intrinsische Viskosität des PET-Materials durch die Verkürzung der Molekülketten eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Preform aus einem Granulat spritzgegossen wird und dem Granulat ein Chain Breaker beigemengt wird, wodurch die intrinsische Viskosität des Preforms eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat in einem Extruder zu einer Schmelze aufgeschmolzen wird und die Schmelze aus Granulat und Chain Breaker reaktiv extrudiert und direkt in eine Spritzgussform eingespritzt wird, um den Preform herzustellen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimengung des Chain Breakers vor oder während dem Aufschmelzen des Granulats erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Chain Breaker Monoethylenglykol, Diethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol und/oder zyklische Mehrfachalkohole eingesetzt wird bzw. werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Chain Breaker Isophthalsäure, Cyclohexandimethanol, Spiroalkohol oder Furandicabonsäure eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Chain Breaker 1 bis 2 Gew.-% in dem PET-Material beträgt, wenn der Chain Breaker Monoethylenglykol oder Diethylenglycole oder eine Mischung aus diesen sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Chain Breaker 1 bis 8 Gew.-% in dem PET-Material beträgt, wenn der Chain Breaker Diethylenglykol, Cyclohexandimethanol, Spiroalcohole oder Furandicabonsäuren oder eine Mischung aus diesen ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PET-Material ein Recyclingmaterial ist und die intrinsische Viskosität in einem Festkörperpolymerisations(SSP)-Reaktor eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einstellung der intrinsischen Viskosität das PET-Material des Preforms an die Verfahrensbedingungen, insbesondere die Temperatur und die Einspritzgeschwindigkeit der Flüssigkeit und die durch die Flüssigkeit erzeugte Streckgeschwindigkeit, angepasst wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckverfestigung während des Einspritzens der Flüssigkeit in den Preform neben der Einstellung der intrinsischen Viskosität des PET-Materials des Preforms dadurch reduziert wird, dass die Flüssigkeit eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,3 und 0,9 W/(m·K) aufweist.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit derart in den Preform eingespritzt wird, dass die Streckgeschwindigkeit mit welcher der Preform zu dem Behälter verstreckt wird zwischen 0,5 m/s bis 2,5 m/s beträgt.