DE69200085T2

DE69200085T2 - Verfahren zum Herstellen eines Behälters aus Kunststoff sowie nach Verfahren hergestellten Behälter.

Info

Publication number: DE69200085T2
Application number: DE69200085T
Authority: DE
Inventors: Mikael Quasters
Original assignee: PLM AB
Current assignee: Rexam AB
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2012-06-30
Also published as: ES2050555T3; DK9300046U3; NO922572L; FI923013A0; SE467652B; WO1993001041A1; NO922572D0; NO993021L; SE9102090L; SE9102090D0; FI103720B1; EP0521841A1; FI923013A7; DE9208788U1; DE69200085D1; DK0521841T3; EP0521841B1; FI103720B; NO993021D0; AU2291792A

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Kunststoffbehältern, und insbesondere ein Verfahren des Typs, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist. Die Erfindung betrifft ferner einen nach diesem Verfahren hergestellten Behälter.
Kunststoffbehälter bieten viele Vorteile, z.B. sind sie leichtgewich tig, haben eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Spannungen (sie können ohne zu zerbrechen fallengelassen werden, auch wenn sie gefüllt sind), und erfordern einen geringen Gesamtenergieverbrauch, insbesondere wenn die Behälter recycliert werden. Das Recyclieren kann entweder durch Waschen der Behälter und durch Neufüllung oder durch Rückgewinnung des Behältermaterials und Neuformung in neue Artikel wie Behälter durchgeführt werden. Kunststoffbehälter sind hinsichtlich des Umweltgesichtspunktes für den Gebrauch gut geeignet, falls sie aus Kunststoffen gefertigt sind, die keine Substanzen enthalten, die für Menschen, Tiere oder die Umwelt schädlich sind. Ein Beispiel derartiger Kunststoffe ist Polyethylenteraphthalat (PET).
Polyethylenteraphthalat, im Folgenden allgemein als PET bezeichnet, ist dahingehend vorteilhaft, daß es derart orientiert werden kann, daß es verbesserte mechanische Eigenschaften erhält. Eine derartige Orieitierung erhöht die Fähigkeit des Materials, Dehnungen sowohl wie externen Beanspruchungen in Form von beispielsweise mechanischen Stößen zu widerstehen. So kann die in den Behältern erforderliche Materialmenge reduziert werden, was natürlich zur Senkung der Gesamtkosten zur Herstellung von Behältern oder von Flaschen aus PET beiträgt die zur Aufnahme von beispielsweise Getränken geeignet sind.
Relevanter Stand der Technik ist aus der US-A-4264558, der US- A-4380526 und hauptsächlich aus der GB-A-2124543 bekannt, die verschiedene Techniken zur Herstellung von Kunststoffbehältern aus einem Rohling (Vorformling) beschreiben.
Ein Nachteil von orientiertem PET liegt darin, daß es schrumpft, wenn es erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Mit erhöhten Temperaturen sind hier Temperaturen gemeint, die die Glasübergangstemperatur (Tg) des Materials überschreiten, die für gebräuchliche amorphe Materialien bei etwa 80ºC liegt. Bei orientiertem Material ist die Erweichungstemperatur jedoch etwa 10ºC höher. Die Schrumpftendenz kann jedoch dadurch beseitigt werden, daß das Material zumindest 1,5-fach in der betroffenen Dehnrichtung gestreckt wird. In dieser Weise werden die Eigenschaften des Materials so geändert, daß wenn das Material bei einer erhöhten Temperatur gehalten wird und gleichzeitig das Schrumpfen verhindert wird, die Tendenz des Materials zu schrumpfen reduziert und im besten Fall vollständig verhindert wird, in einem Temperaturbereich, dessen Obergrenze etwas unterhalb der Temperatur liegt, bei der das Material wärmebehandelt wurde. Bei der Wärmebehandlung werden Spannungen aufgrund des Dehnens des Materials abgebaut, das ferner einer gewissen thermischen Kristallisation bei einer geeigneten Temperatur erfolgt. Um eine derartige thermische Kristallisation zu erreichen, mup die Temperatur etwa 110ºC überschreiten.
Im amorphen Zustand zeigt PET keine Tendenz bei Erwärmung zu schrumpfen, aber bei einer Temperatur, die Tg um zumindest 30ºC überschreitet, beginnt das Material thermisch zu kristallisieren. Falls ein Fortschreiten der thermischen Kristallisation erlaubt wird, so daß das Material einen zu hohen Grad an Kristallinität erreicht, wird das Material spröde und folglich für den Gebrauch in Behältern ungeeignet.
Behälter aus PET, die wiederholter Aufwärmung auf erhöhte Temperaturen widerstehen, sind für den mehrmaligen Gebrauch gut geeignet. PET ist selbst widerstandsfähig gegen Reinigungsmittel die normalerweise zum Reinigen von beispielsweise Glasflaschen verwendet werden, und so besteht eins der zu lösenden Probleme zur Ermöglichung der Verwendung von PET-Behältern bei der Herstellung von wiederverwendbaren Behältern wie Pfandflaschen darin, die Tendenz gestreckten PETs beim Erwärmen zu schrumpfen zu beseitigen. In der Praxis bedeutet dies, daß die Behälter einem Waschen oder Reinigen bei einer Maximaltemperatur von 90ºC, im allgemeinen höchstens 80ºC und bei den meisten Anwendungen bei einer Maximaltemperatur von 70ºC widerstehen können müssen. Selbst bei einer so tiefen Temperatur wie 70ºC ist das Reinigungsresultat vollständig zufriedenstellend, um die Neubefüllung der Behälter zu ermöglichen.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt deshalb in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Behältern aus Kunststoff, insbesondere aus PET, die eine reduzierte Neigung zum Schrumpfen aufweisen, so daß die Behälter zumindest fünfmal und in der Regel zumindest zehnmal, erneut verwendet werden können.
Diese und andere Aufgaben, die sich aus der folgenden Beschreibung ergeben, werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst und das ferner die im kennzeichnenden Teil des beigefügten Anspruchs 1 genannten Schritte aufweist. Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den beigefügten Ansprüchen 2 und 3 angegeben.
Der durch die Erfindung beabsichtigte Effekt wird durch selektiv gesteuertes Strecken (Verlängern) des Materials bei der Umformung des Rohlings oder des Vorformling in einen Behälter erzielt, was bedeutet, daß die Temperatur des Materials des Rohlinges direkt vor der Ausdehnung des Rohlinges in dem Behälter auf das gewünschte Strecken (Verlängerung) des Materials eingestellt wird. Dies wird erfindungsgemäß durch Einstellen der Temperatur der unterschiedlichen Bereiche des Rohlingmaterials erreicht, so daß die Schulter des Behälters oder der Flasche während der Ausdehnung im wesenltichen nur aus Material gebildet wird, das im Rohling am oberen konischen Teil des Rohlinges angeordnet ist. In dieser Weise wird die geringe Ausdehnung des Materials in Umfangsrichtung durch eine vergrößerte Verlängerung in Axialrichtung des Rohlinges kompensiert, so daß die Gesamtstreckung des Materials, die als Relativverlängerung in einer Richtung multipliziert mit der Relativverlängerung in der anderen Richtung (biaxiales Strecken) definiert ist, sich auf Werte oberhalb von 2,5 beläuft. Bei einem derartigen Wert der biaxialen Streckung wurde dem Material eine ausreichende Orientierung mitgegeben, um die Tendenz des gestreckten Materials zur Anfangsform zurückzukehren zu verhindern.
Die Erfindung wird nunmehr detaillierter bezüglich einiger nichtbeschränkender Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei Fig. 1 ein Axialschnitt eines Vorformlings ist und Fig. 2 ein Axialschnitt eines aus dem Vorformling gefertigten Behälters ist.
Fig. 1 zeigt einen Rohling, im Folgenden auch als Vorformling bezeichnet, aus im wesentlichen amorphem thermoplastischem Material, vorzugsweise PET, mit einem Mündungsbereich 11, einem im wesentlichen konischen Bereich 12, der sich von dem Mündungsbereich aus erstreckt einen im wesentlichen zylindrischen Bereich 13 und einem Materialbereich 14, der bei Formung des Rohlings 10 in einen Behälter 20 den Boden 24 des Behälters (siehe Fig. 2) bildet. Der Rohling 10 weist einen mittleren Hohlraum 33 mit einem im wesentlichen zylindrischen Oberteil 18 und einem im wesentlichen zylindrischen Unterteil 19 auf dessen Umfang geringer ist als der des Oberteils 18. Der Übergang zwischen dem oberen und dem unteren Teil 18, 19 des zentralen Hohlraums ist ein im wesentlichen konischer Übergangsbereich 30. Der zylindrische Unterteil 19 ist an seinem Boden geschlossen, der sich nach außen beult.
Der Rohling 10 dient somit als Startmaterial bei der Herstellung des Behälters 20, der insbesondere als wiederverwendbare Flasche für Getränke ausgebildet ist.
Der Mündungsabschnitt 11 umfaßt einen Gewindeabschnitt 16 und einen ringförmigen Griffabschnitt 17. Das den Mündungsabschnitt 11 bildende Material ist in Fig. 1 mit A bezeichnet. Der konische Bereich 12 umfaßt den im wesentlichen zylindrischen Oberteil 18 des zentralen Hohlraums des Rohlings 10. Die Konizität des konischen Abschnittes 12 resultiert aus einer ansteigenden Dicke dieses Bereichs in Richtung auf den Boden des Rohlings 10. Das Material des Rohlings 10, das den konischen Bereich 12 bildet, ist in Fig. 1 mit B bezeichnet.
Der dem Boden des Rohlings 10 nächstliegende Teil des im wesentlichen zylindrischen Oberteils 18 des Hohlraums 33 des Rohlings 10 ist durch eine Wandung begrenzt die im wesentlichen gleichförmige Wanddicke in allen Teilen des zylindrischen Bereichs 13 des Rohlings 10 aufweist. Der Bereich des im wesentlichen zylindrischen Bereichs 13 des Rohlings 10 ist in Fig. 1 mit C bezeichnet.
Der Materialbereich 14, der nach dem Umformen des Rohlings 10 den Boden des Behälters 20 bilden soll, hat eine erhöhte Wanddicke im Bereich des Übergangsabschnitts 30 des Hohlraums des Rohlings 10 und behält diese Wanddicke im wesentlichen über den gesamten Bereich des im wesentlichen zylindrischen Unterteils 19 des Hohlraums. Die Wanddicke des Rohlings 10 nimmt anschließend im geschlossenen Boden des Rohlings ab und hat ihre minimale Dicke im Mittelabschnitt des Materials 15 im Boden des Rohlings 10. Das Bezugszeichen D bezeichnet das Material des Rohlings 10, das bei dem resultierenden Behälter 20 zu einem Teil des Bodens des Behälters umgeformt wird, während das Bezugszeichen E das Material des Rohlings 10 bezeichnet, das im wesentlichen seine Form behält, wenn der Behälter 20 gebildet wird.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Behälters 20, der durch Expansion des Rohlings 10 ausgebildet wurde. In Fig. 2 bezeichnen A1, B1, C1, D1 und E1 Teile des Materials, die den in Fig. 1 mit A, B, C, D und E bezeichneten Teilen entsprechen.
Der Behälter 20 umfaßt einen Mündungsbereich 21, eine Schulter 22, einen im wesentlichen zylindrischen Mittelbereich 23 und einen Boden 24. Der Mündungsbereich 21 hat eine Form, die im wesentlichen mit dem des Mündungsbereichs 11 des Rohlings 10 übereinstimmt.
Die Schulter 22 ist verglichen mit der Länge des im wesentlichen konischen Abschnittes 12 des Rohlings 10 länger, wobei der Quotient der Axiallänge des konischen Abschnittes 12 des Rohlings 10 und der Axiallänge des zylindrischen Abschnittes 13 des Rohlings 10 Werte im Bereich von 0,25 bis 0,35 aufweist, während der Quotient der Axiallänge der Schulter 22 und der Axiallänge des zylindrischen Abschnittes 23 des Behälters 20 Werte im Bereich von 0,60 bis 0,80 aufweist. Bei der Umformung in den Behälter 20 wird das Material in Umfangsrichtung des Rohlings 10 derart gedehnt, daß im resultierenden Behälter 20 das Material im dem zylindrischen Mittelabschnitt 23 des Behälters 20 nächsten Bereich eine gesamte biaxiale Streckung im Bereich von etwa 7 bis 15 mal aufweist.
Das Material, das in der Schulter 22 angrenzend an den Mündungsbereich 21 des Behälters 20 angeordnet ist, hat, wenn der Rohling 10 in den Behälter 20 umgeformt wird, eine totale biaxiale Streckung im Bereich von 2,5 bis 3,6, vorzugsweise 2,7 bis 3,4. Im Abschnitt zwischen der Schulter 22 und dem geschlossenen Boden 24 des Behälters 20, das heißt in dem im wesentlichen zylindrischen Mittelabschnitt 23 des Behälters 20, wurde das Material bei der Umformung des Rohlings 10 in den Behälter 20 einer Streckung (Verlängerung) sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung ausgesetzt, was bedeutet, daß das Material eine biaxiale Orientierung entsprechend einer gesamten biaxialen Streckung im Bereich von 7 bis 15 mal aufweist.
Der geschlossene Boden 24 des Behälters 20 umfaßt einen mittigen Bodenabschnitt 25, der dem Mittelbereich des Materials 15 am Boden des Rohlings 10 entspricht, der in Fig. 1 mit E bezeichnet ist. Desweiteren besteht der Boden 24 aus Material, das in Fig. 1 zum Abschnitt D gehört. Der zentrale Bodenabschnitt 25 hat im Behälter 20 im wesentlichen die gleiche Form wie im Rohling 10. Das mit D in Fig. 1 bezeichnete Material wurde jedoch bei der Umformung des Rohlings 10 in den Behälter 20 einer gewissen Deformation unterworfen, ohne in diesem Zusammenhang in einem solchen starken Ausmaß gestreckt zu werden, daß die Fähigkeit des Materials, einer Schrumpfung bei Erwärmung zu widerstehen, verschlechtert ist. In Fig. 2 bezeichnet 28 die Standfläche des Behälters 20.
Die oben beschriebene Kombination aus orientiertem und nichtorientiertem Material im Behälter 20 wird durch einen Formprozeß erzielt, der in großem Maße durch die Temperatur des im wesentlichen amorphen Materials im Rohling 10 gesteuert wird, wenn seine Umformung in den Behälter 20 beginnt. Auf diese Weise ist der Mündungsbereich 21 des Behälters 20 aus einem Material, das keiner Streckung unterworfen wurde. Hinsichtlich des Materials im Boden 24 des Behälters 20 ist die Streckung so gering, daß sie hinsichtlich der Tendenz des Behälters 20 zum Schrumpfen bei Erwärmung auf die eingangs genannten Temperaturen von geringerer Wichtigkeit ist.
Wie oben beschrieben wurde, bestehen die verbleibenden Teile des Behälters 20 aus biaxial orientiertem Material mit Streckverhältnissen deutlich oberhalb der Grenze, bei der die Tendenz des Materials zum Schrumpfen durch Temperaturstabilisierung eliminiert werden kann.
Um die gewünschte Temperaturstabilität zu erreichen ist zumindest das biaxial orientierte Material mit heißen Formenoberflächen in Eingriff gebracht worden, während das Innere des Behälters unter Druck gesetzt wird. Im Ergebnis sind die im biaxialen Material vorhandenen Spannungen ausgeglichen und allgemein ist eine gewisse thermische Kristallisation aufgetreten, und die gewünschte thermische Stabilität des biaxial orientierten Materials ist erreicht worden.
Schließlich soll festgestellt werden, daß die Erfindung in keiner Weise durch die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern daß verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs des erfindungsgemäßen Konzepts gemäß den beigefügten Ansprüchen möglich sind. Insbesondere soll hier festgestellt werden, daß andere thermoplastische Materialien verwendet werden können, vorausgesetzt, daß die Umformung des Rohlings in den Behälter in Übereinstimmung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung gebracht werden kann. Beispiele für solche Kunststoffmaterialien sind Polyethylennitril (PEN), Polyacrylnitril (PAN) und Polyamidkunststoff (PA). Es soll ferner festgestellt werden, daß geringfügige Abweichungen von den vorstehend beschriebenen Bereichen und den beigefügten Ansprüchen möglich sind, ohne das erfindungsgemäße Konzept zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Behälters (20), insbesondere einer Flasche, durch Formen eines Rohlings oder eines Vorformlings (10) aus Kunststoff, insbesondere im wesentlichen amorphem Polyethylenteraphthalat (PET), wobei der Rohling (10) einen Mündungsabschnitt (11), einen im wesentlichen konischen oberen Abschnitt (12), der sich vom Mündungsabschnitt (11) aus erstreckt und einen im wesentlichen zylindrischen Abschnitt (13) aufweist, der sich vom oberen Abschnitt (12) in Richtung auf den Boden des Rohlings (10) erstreckt, wobei der Behälter (20) einen Mündungsabschnitt (21), einen im wesentlichen zylindrischen Mittelabschnitt (23) und eine Schulter (22) aufweist, die den Mittelabschnitt (23) und den Mündungsabschnitt (21) verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umformung des Rohlings (10) in den Behälter (2O) die Schulter (22) des Behälters (20) im wesentlichen nur aus Material gebildet wird, das im Rohling (10) im konischen oberen Abschnitt (12) des Rohlings angeordnet ist, während der zylindrische Abschnitt (23) des Behälters (20) im wesentlichen nur aus Material gebildet ist, das im Rohling (10) im zylindrischen Abschnitt (13) des Rohlings angeordnet ist, und daß während der Formung die Ausdehnung des Materials im konischen Abschnitt (12) des Rohlings (10) und des Materials im zylindrischen Abschnitt (13) des Rohlings (10) selektiv derart gesteuert wird, daß das Material in dem entsprechenden Abschnitt einer Streckung in Axialrichtung des Rohlings unterworfen wird, die durch den Quotienten der Axiallänge des konischen Abschnitts (12) des Rohlings (10) und der Axiallänge des zylindrischen Abschnitts (13) des Rohlings (10) mit Werten in dem ungefähren Bereich von 0,25 bis 0,35 und durch den Quotienten der Axiallänge der Schulter (22) und der Axiallänge des zylindrischen Abschnitts (23) des Behälters (20) mit Werten im ungefähren Bereich von 0,60 bis 0,80 definiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Umformung des Rohlings (10) in den Behälter (20) das Material im konischen Abschnitt (12) des Rohlings in Umfangsrichtung ausgedehnt wird, wodurch dem Material eine totale biaxiale Streckung gegeben wird, die im dem zylindrischen Mittelabschnitt (23) des Behälters (20) nächsten Bereich im ungefähren Bereich von 7 bis 15 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der Umformung des Rohlings (10) in den Behälter (20) dem Material im konischen Abschnitt (12) des Rohlings eine totale biaxiale Streckung gegeben wird, die im dem Öffnungsabschnitt (21) des Behälters (20) nächsten Bereich im Bereich von 2,5 bis 3,6, vorzugsweise 2,7 bis 3,4 liegt.