DE3784965T3

DE3784965T3 - Nachfüllbare Flasche aus Polyester.

Info

Publication number: DE3784965T3
Application number: DE3784965T
Authority: DE
Inventors: Wayne N. Collette
Original assignee: Graham Packaging Pet Technologies Inc; Continental PET Technologies Inc
Current assignee: Graham Packaging Pet Technologies Inc
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2007-05-26
Also published as: DE3752110T2; DE379264T1; EP0379264A2; DE3752346D1; EP1145968B1; DE3752374T2; ATE157318T1; EP0247566A2; EP0479393A1; MX170668B; EP0247566B1; DE3784965D1; DE8717827U1; US4755404A; DE3752110D1; DE479393T1; DE737621T1; IE60410B1; EP0494098B1; DE3751635T2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen rückgebbaren transparenten wiederbefüllbaren Behälter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 (DE-A 2807949).
Eine ökonomische und kommerziell brauchbare wiederbefüllbare Kunststoffflasche führt zu einer Reduktion der bestehenden Müll- und Recyclingprobleme, wie sie im Zusammenhang mit Einwegkunststoff-Getränkeflaschen auftreten und insbesondere im Zusamenhang mit Kunststoffgetränkeflaschen, die aus PET hergestellt sind. Darüber hinaus erlaubt eine wiederbefüllbare Flasche die Einführung der sichereren und leichteren Kunststoffbehälter auch in solchen Märkten, die derzeit von Glas dominiert werden, wo die Gesetzgebung die Verwendung von nicht wiederverwertbaren Verpackungen untersagt.
Technisch muß eine wiederbefüllbare Kunststoffflasche ästhetisch und funktional über ein Minimum von 5 und vorzugsweise von über 10 Durchgängen oder Schleifen brauchbar sein, um als ökonomisch sinnvoll angesehen werden zu können. Eine Schleife besteht aus (1) einer leeren Laugenwäsche, gefolgt von (2) einer Prüfung auf Verunreinigungen und einem Befüllen mit dem Produkt/Verschließen, (3) einer Lagerung im Lagerhaus, (4) einer Verteilung an Groß- und Einzelhändler und (5) dem Erwerb, der Verwendung und der Leergutlagerung durch den Verbraucher, gefolgt von einer eventuellen Rückgabe an den Abfüller. Um diese Beständigkeit zu erreichen, sollte der Kunststoffbehälter eine Füllstand-Volumenabweichung von 1,5% oder weniger beibehalten und während seiner Lebensdauer gegen Brüche aufgrund von Stößen, Bersten und/oder durch die Umgebung bedingten Spannungsrissen beständig sein.
Der ideale wiederbefüllbare Kunststoffbehälter muß klar und transparent sein, um eine visuelle Prüfung auf Verunreinigungen vor dem Füllen zu ermöglichen. Darüber hinaus sollte der Behälter eine einstückige Konstruktion mit einem einstückig blasgeformten Bodenelement sein, um eine visuelle Prüfung und andere Probleme, wie sie bei zweistückigen Behältern auftreten, zu umgehen (zweistückig ist hier definiert als ein blasgeformter Körper mit einem halbkugelförmigen geschlossenen Ende, das typischerweise an eine spritzgeformte Bodenschale angesetzt wird, wobei die Bodenschale eine vertikale Stabilität liefert).
An dieser Stelle ist klar, daß verschiedene Polymerkandidaten die Klarheit und die physikalischen Eigenschaften haben, die bei der Herstellung von wiederbefüllbaren Kunststoffflaschen und ähnlichen Behältern als notwendig anzusehen sind. Diese Polymere umfassen Polyethylenterephthalat (PET), Acrylonitril, Polyarylat, Polykarbonat usw. Von diesen kommerziell erhältlichen Polymeren bietet PET den besten Ausgleich zwischen seinen Eigenschaften und dem Kosten-/Nutzenverhältnis.
Nicht rückgebbare PET-Getränkebehälter werden kommerziell meistens in einem Zwei-Schritt-Prozeß hergestellt, der das Einspritz- und/oder Extrusionsformen eines Vorformlings umfaßt, gefolgt von einem Wiedererhitzen des Vorformlings, einem Ausgleich und einem Streckblasformen in die gewünschte Behältergeometrie. Die Anwendung der bekannten Technologie zu Herstellung von Getränkeflaschen auf rückgebbare PET-Behälter liefert jedoch keine akzeptablen Leistungsergebnisse. Insbesondere erfüllen Behälter, die mit herkömmlichem Vorformlings- und Flaschendesign und herkömmlichen Prozeßverarbeitungs-Techniken hergestellt wurden, nicht die Leistungsanforderungen beim Wiederbefüllen nach 2 bis 3 Durchgängen oder Schleifen.
Die DE-A 28 07 949 offenbart z. B. eine transparente rückgebbare Kunststoffflasche für kohlensäurehaltige Getränke mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Insbesondere offenbart das Dokument eine Flasche mit einem relativ dickwandigen im wesentlichen nicht biegsamen Körper, der aus Polyethylenterephthalat (PET) mit einer hohen Eigenviskosität (IV), z. B. von 0,85 bis 1,50, geformt ist. Der offenbarte Behälter kann unterhalb von 55ºC gereinigt werden. Das ist eine relativ niedrige Reinigungstemperatur, die für einige Hersteller von kohlensäurehaltigen Getränken nicht akzeptabel ist. Der Behälter kann sich bei höheren Reinigungstemperaturen verformen.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, einen wiederbefüllbaren thermoplastischen PET- Behälter mit einem dünnwandigen biegsamen Körper bereitzustellen, der seine ästhetischen und funktionalen Leistungsmerkmale über 5 bis 10 vollständige Wiederbefüll-Durchgänge oder -Schleifen beibehält.
Die vorliegende Erfindung sieht dementsprechend einen rückgebbaren transparenten wiederbefüllbaren Behälter mit einer Spannungrißbeständigkeit nach Anspruch 1 vor.
Vorzugsweise kann der Behälterkörper mit einer kohlensäurehaltigen Flüssigkeit bei einem Druck von 4 ATM oder höher befüllt werden.
Der Behälterkörper kann eine Flasche mit einem Halsabschluß zum Aufnehmen eines Schraubdeckels sein.
Vorzugsweise ist der Behälterkörper hauptsächlich zylindrisch mit einer Seitenwanddicke von 0,7 bis 0,9% seines Durchmessers.
Vorzugsweise beträgt die umlaufende Aufstellrundung mindestens ungefähr 3,81 mm (0,150 inch).
Vorzugsweise hat der Behälter einen spritzgeformten mit Schraubgewinde versehenen Halsabschluß, und der orientierte verlängerte verjüngte Abschnitt hat eine biaxiale Orientierung bis ungefähr 6,35 mm (0,250 inch) in den Halsabschluß hinein.
Vorzugsweise hat der orientierte verlängerte verjüngte Abschnitt eine biaxiale Orientierung bis ungefähr 2,45 mm (0,100 inch) in den Halsabschluß hinein.
Vorzugsweise beträgt die Abweichung von der Rechtwinkligkeit nach 5 Zyklen 3,81 mm (0,150 inch) oder weniger.
Der Behälterboden kann eine Dicke vom ungefähr 7-fachen der Behälterseitenwand aufweisen.
Vorzugsweise ist die Behälterkörperdicke größenordnungsmäßig um das 9-fache kleiner als die Wanddicke des Vorformlingskörpers.
Die Bodenwand kann rippenfrei und kontinuierlich verstärkt sein. Vorzugsweise ist die minimale Dicke des Glockenbereiches der Bodenwand größenordnungsmäßig um 3-fache größer als die mittlere Dicke der Behälterseitenwand.
Vorzugsweise liegt die Behälterkörperdicke in der Größenordnung von 0,635 mm (0,025 inch).
Es werden nun beispielartige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht und zeigt den typischen Zyklus oder Durchlauf, den ein wiederbefüllbarer Behälter durchlaufen muß.
Fig. 2 ist ein vertikaler Querschnitt durch einen Vorformling einer speziellen Konfiguration, wobei die gewünschten strukturellen Merkmale der Flasche erreicht werden.
Fig. 3 ist ein teilweiser transversaler Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 und zeigt den allgemeinen Querschnitt des Vorformlings.
Fig. 4 ist ein transversaler horizontaler Querschnitt entlang der Linie 4-4 von Fig. 2 und zeigt den Querschnitt des Vorformlings in einem unteren verdickten Wandabschnitt.
Fig. 5 ist ein vertikaler Querschnitt durch eine typische wiederbefüllbare Flasche, die in Übereinstimmung mit dieser Erfindung geformt worden ist.
Fig. 6 ist ein vergrößerter teilweiser Querschnitt und zeigt insbesondere eine gewünschte Konfiguration für den unteren Körper und den Boden.
Es ist herausgefunden worden, daß ein Versagen (durch das Entstehen und die Fortsetzung von Rissen) von biaxial orientierten blasgeformten PET-Flaschen und ähnlichen Behältern, die einer Laugenwäsche ausgesetzt werden, primär im Bodenbereich und insbesondere im mittleren Teil dieses Bodenbereiches auftritt, der eine geringe oder gar keine Orientierung hat. Weiterhin ist in den letzten Jahren ein Verfahren zum Steigern der strukturellen Unversehrtheit der Bodenstruktur eines blasgeformten Kunststoffbehälters entwickelt worden, wie es z. B. in der US-PS 4,334,627 (erteilt am 15.06.82) offenbart ist. In Übereinstimmung mit diesem Patent sind Vorformlinge vorgesehen, die in ihrem unteren Bereich, d. h. in dem Bereich, der später der Behälterboden wird, mit Längsrippen versehen sind.
Darüber hinaus hat man in den letzten Jahren herausgefunden, daß die Eigenviskosität von PET-Homopolymeren ein wichtiger Faktor im Hinblick auf eine Verringerung der Entstehung und Ausbreitenung von Rissen ist.
Ausgehend vom Obigen, sind Vorformlinge vom in der US-PS 4,334,627 offenbarten Typ mit herkömmlichen Formungstechniken unter der Verwendung von PET-Homopolymeren mit einer Eigenviskosität von 0,72, 0,84 bzw. 1,06 - gemessen mit den ASTM D2857-Standards - hergestellt worden. Insbesondere hatten die Vorformlinge mit einem geformten mit Gewinde versehenen Halsabschluß einen kreisförmigen Querschnitt, eine Länge von 6 inches unterhalb des Halsabschlußes und einen Außendurchmesser von 28,58 mm (1,125 inch) im Mittelkörper bei einer Wanddicke in der Größenordnung von 4,57 ± 0,508 mm (0,180 ± 0.020 inch). Diese Vorformlinge wurden verwendet, um 11-Flaschen mit einer Höhe unterhalb des Halsabschlußes von 254 mm (10,0 inches) und einem maximalen Durchmesser von 76,2 mm (3,0 inches) mit einem Boden vom "Champagner"-Typ zu formen.
Dabei wurden herkömmliche Verfahrensbedingungen verwendet, umfassend:
Vorformlings-Wiedererhitzungszeit 75 Sekunden
Blaszeit 2,5 Sekunden
gesamte Formungszykluszeit 6,5 Sekunden
Formtemperatur 60ºC (140ºF)
Die Termperaturen zum Wiedererhitzen des Vorformlings wurden dahingehend angepaßt, um eine Wanddicke im Behälterkörper von 0,508 ± 0,127 mm (20 ± 5 mil) zu erhalten, und zwar bei einer minimalen Vorformlingstemperatur, wie sie zum Herstellen von klaren Behältern nötig ist. Mittlere Vorformlingstemperaturen, gemessen in einem "Isoparabolischen Drop Calorimeter" lagen bei 85ºC (185ºF), 89ºC (192ºF) und 98ºC (208ºF) für die Polymere mit den Eigenviskositäten von 0,72, 0,84 bzw. 1,06.
Die in Übereinstimmung mit dem obigen Programm geformten Behälter wurden dem folgenden simulierten Lebenszyklus unterworfen:
Zunächst wurde jeder Behälter einer typischen kommerziellen Laugenwaschlösung ausgesetzt, die aus 3,5 Gewichts-% Natriumhydroxid mit Leitungswasser besteht. Diese Waschlösung wurde bei 60ºC (140ºF) gehalten und die Flaschen wurden 15 Minuten lang unverschlossen in die Waschlösung eingetaucht, um die Zeit-/Temperaturbedingungen eines kommerziellen Flaschenwaschsystems zu simulieren.
Nach dem Entfernen aus der Waschlösung wurden die Flaschen in Leitungswasser gespült und dann mit einer kohlensäurehaltigen Wasserlösung bei 4,05 · 10&sup5; ± 0,203 · 10&sup5; N/m² (4,0 ± 0,2 ATM) befüllt, verschlossen und bei 38ºC (100ºF) für ungefähr 24 Stunden in einem Konvektionsofen bei 50%-iger relativer Luftfeuchtigkeit gelagert. Der Fülldruck kann jedoch bis zu 5 Volumen betragen, d. h. 5,06 · 10&sup5; N/m² (5 ATM) Druck in der Flasche. Diese angehobene Ofentemperatur wurde gewählt, um längere kommerzielle Lagerperioden bei niedrigeren Umgebungstemperaturen zu simulieren. Nach der Entfernung aus dem Ofen wurden die Behälter entleert und wieder demselben Wasch-/Füllzyklus unterworfen, bis sie versagten.
Darüber hinaus wurden Prüfflaschen aus der Serie mit einer Eigenviskosität von 0,84 (1) zwanzig aufeinanderfolgenden jeweils 15 minütigen Waschzyklen ohne Druckbeaufschlagung zwischen den Zyklen unterworfen und (2) andere wurden zwanzig aufeinanderfolgenden Druckbefüllungen und Lagerzyklen mit angehobenen Temperaturen ohne eine Laugenwäsche zwischen diesen Zyklen unterworfen. Die Resultate dieser Tests sind unten aufgelistet:
Ein Versagen wurde definiert als irgendein Riß, der sich durch die PET- Flaschenwand fortsetzte und zu Leckage und Druckverlusten führte. In den Flaschen mit einer Eigenviskosität von 0,84, die nur einer Laugenwäsche oder einem Druckbefüllungszyklus unterworfen wurden, wurden keine Risse wahrgenommen. Flaschen aus jeder Serie, die einem kompletten Wasch-/Druckzyklus unterworfen wurden, versagten nach 7 oder weniger Zyklen.
In Anbetracht des Obigen wurde gefolgert, daß die Laugenlösung als ein Spannungsrißmittel wirkt, wenn, und nur wenn, Restrisse in den PET-Flaschen aufgrund geometrischer Spannungen vorhanden waren, denen der Polyester während der Druckzyklen unterworfen war.
Alle Risse entstanden an der Innenfläche der Flasche und setzten sich durch die Außenwand fort. Es wurden verschiedene Rißentstehungsmechanismen bemerkt: (1) radiale Risse, die an der umlaufenden Aufstellrundung entstehen und sich um den Boden herum fortsetzen; (2) radiale Risse, die an der Innenwand der Strukturverstärkungsrippen entstehen und sich um den Boden herum fortsetzen; und (3) axiale Risse, die gegenüber dem Vorformlingsanguß entstehen und sich axial durch den Flaschenboden fortsetzen. Alle Fehler traten im unorientierten Bodenbereich der Flasche auf (die biaxiale Orientierung, wie sie in den Flaschenseitenwänden auftritt, verbessert die Rißbeständigkeit wesentlich). Die Entstehung von axialen Rissen, die sich nicht fortsetzten, erfolgte in der Schulter oder im Halsübergangsbereich (von der unorientierten in die orientierte Flaschenseitenwand).
In PET-Flaschen tritt bei einem Innendruck ein gewisses Kriechen auf (d. h. eine nicht elastische Volumenausdehnung mit der Zeit). Dessen ungeachtet überstieg die Gesamtvolumenschrumpfung aufgrund der Wäsche bei 60ºC (140ºF) den Kriechgrad bei der Befüllung mit 38ºC (100ºC) und eine zu beanstandende Verformung im Schulterübergangsbereich zwischen dem Flaschenkörper und dem Halsabschluß trat bei allen Flaschen auf, die der Laugenwäsche bei angehobener Temperatur ausgesetzt worden waren, wie auch ein allmählicher kalkiger Beschlag an der Außenfläche der Flaschen. Dieses Verkalken oder Weißerwerden war am stärksten im Übergangsbereich niedriger Orientierung zwischen amorphen nicht orientierten und semi-kristallinen orientierten Bereichen. Aus dem Vorangegangenen kann geschlossen werden, daß Flaschen, die unter der Verwendung der derzeitig kommerziell akzeptablen Technologie zur Herstellung von nicht rückgebbaren PET-Getränkeflaschen hergestellt wurden, nicht für einen Mehrweggebrauch geeignet sind. Die Hauptprobleme umfassen die 60ºC (140ºF)-Schrumpfung, die das Kriechen übersteigt, das während des befüllten Abschnittes eines simulieren kommerziellen Zyklus' auftritt, und das Versagen aufgrund von Spannungsrissen während des Waschabschnittes des Zyklus'.
An dieser Stelle ist hervorzuheben, daß die maximal erlaubte Volumenabweichung ±1,5% beträgt und daß ein Rißversagen, welchen Typs auch immer, nicht akzeptabel ist.
Nach großen Bemühungen ist herausgefunden worden, daß das Rißproblem stark verringert werden kann, indem an Stelle eines rippenverstärkten Bodens ein Boden mit einer kontinuierlichen Verstärkung vorgesehen wird. Dementsprechend ist ein Vorformling 10 wie der in Fig. 2 gezeigte vorgesehen worden. Der Vorformling 10 hat an seinem offenen oberen Ende einen geformten mit Gewinde versehenen Halsabschluß 12 und unter dem Halsabschluß 12 hat der Vorformling 10 im Bereich 14 eine ansteigende Dicke. Der Hauptteil der Länge des Vorformlings 10 hat die Form eines Körperabschnittes 16, der im allgemeinen eine konstante Dicke hat und im Querschnitt ringförmig ist, wie in Fig. 3 gezeigt. Insbesondere ist der Bodenabschnitt 20 mit einem verdickten Wandabschnitt 22 versehen (den der Fachmann als Flöte oder Flötenabschnitt 22 bezeichnet), der für eine Verdickung des Bodenabschnittes gegenüber derjenigen des Körperabschnittes 16 sorgt. Während die Wanddicken des Körperabschnittes und des Bodenabschnittes variiert werden können, bleibt das Verhältnis der Wanddicke zwischen Körper- und Bodenabschnitt konstant. Der verdickte Wandabschnitt 22 erstreckt sich in den Boden 24 des Vorformlings 10 hinein.
Es wurde weiterhin eine Änderung an der resultierenden Flasche 30 vorgenommen, die mit einem Boden versehen ist, der eine umlaufende Aufstellrundung 32 aufweist. Wie am besten in Fig. 6 zu sehen, wurde der Radius der umlaufenden Aufstellrundung 32 von 2,54 mm (0,100 inch) auf 3,81 mm (0,150 inch) angehoben. Dieser Radius der umlaufenden Aufstellrundung kann jedoch eine Größe von bis zu 7,62 mm (0,300 inch) haben und der innere Bodenradius kann in der Größenordnung von 0,762 mm (0,030 inch) bis 1,27 mm (0,050 inch) liegen.
Vorformlinge mit der Flöte im Gegensatz zu den Rippen wurden aus PET mit einer Eigenviskosität von 0,84 hergestellt und unter Wiedererhitzung geblasen, um wie in Fig. 5 eine Flasche zu blasen, jedoch mit dem Unterschied, daß der kritische Radius der umlaufenden Aufstellrundung 32 angehoben ist.
Diese Flaschen wurden aufeinanderfolgenden Wasch-/Druckzyklen des oben offenbarten Typs unterworfen. Nach 10 Zyklen traten keine Risse des oben beschriebenen radialen Typs auf. Risse vom axialen Typ entstanden in den Boden- Abschnitten 34 und den Schulter-Abschnitten 36 der Flasche nach 15 Zyklen, es konnte jedoch nicht beobachtet werden, daß sie sich fortsetzten. Andererseits erreichte die gesamte Volumenschrumpfung 7,0%. Im Schulter-Orientierungs- Übergangsbereich war eine sichtbare Verformung offensichtlich und die Flaschen wiesen aufgrund der Laugensalzlösung ein sichtbares Weißerwerden auf.
Dieser Erfolg führte zum Schluß, daß kommerziell brauchbare wiederbefüllbare PET-Behälter dann sinnvoll sind, wenn durch die Behälterstruktur der Aufbau von durch Geometrie verursachten Spannungen während der Druckperioden minimiert und wenn das Schrumpfungs-/Verformungsproblem bei 60ºC (140ºF) über 5 bis 10 Durchgänge und über bis zu 20 Durchgänge auf einen Grad unterhalb einer Volumenänderung von ± 1,5% verringert werden könnte.
Zu dieser Zeit war eine Technologie entwickelt worden, die die thermische Stabilität von PET-Behältern durch die Anwendung von Produktkonfigurations- und Verfahrensteuerungsmerkmalen anhebt, wodurch die prozentuale Kristallinität der PET-Morphologie in den blasgeformten Behältern angehoben wird.
Die Dichte, gemessen mit der ASTM-Testmethode Nr. 1505, ist ein brauchbares Maß für die Kristallinität:
Wobei:
ds = Probendichte in gcm³
da = 1,333 gcm³ (amorph)
dc = 1,455 gcm³ (100% kristallin).
Das Anheben der prozentualen Kristallinität in der Behälterseitenwand verringert die molekulare Mobilität im Polymer und somit die Behälterschrumpfung bei einer gegebenen Temperatur.
Typische Techniken zum Anheben der Kristallintät der PET-Flaschenseitenwand nach dem Stand der Technik umfassen ein Heißfixieren, bei dem der Behälter in einer Form geblasen wird, die bei 149-204ºC (300-400ºF) gehalten wird, und ein darauffolgendes inneres Abkühlen.
Die kürzlich entwickelte Technologie macht sich anstelle der typischen Heißfixiertechniken das Behälterdesign und Prozeßsteuertechniken zunutze, um Behälter mit einem Kristallinitätsgrad von 24-30% und einer verbesserten thermischen Stabilität (d. h. Beständigkeit gegen eine Schrumpfung bei angehobenen Temperaturen) im Vergleich zu Behältern herzustellen, die mit der herkömmlichen Technologie für nicht rückgebbare PET-Flaschen hergestellt worden sind.
In Übereinstimmung mit der oben erwähnten kürzlich entwickelten Technologie kann der Vorformling in einer herkömmlichen Streckblas-Formungsmaschine wiedererhitzt werden, die mit einem Quarz-Infrarot-Wiedererhitzungsofen ausgerüstet ist, wobei der Vorformling kurz vor dem Streckblasen auf eine Temperatur in der Größenordnung von 107ºC (225ºF) bis 118ºC (245ºF) erhitzt wird.
Diese neu entwickelte Technologie wurde im Zusammenhang mit einem Vorformling verwendet, der so konfiguriert war, daß eine Eingangswanddicke von 4,57 ± 0,508 mm (0,180 ± 0,020 inch) und einer Wanddicke der Endflasche von 0,508 ±0,127 mm (0,020 ± 0,005 inch) mit einem Gesamtstreckungsverhältnis des Vorformlings von 8 : 1 erreicht wurde. Dieser Vorformling hatte ein Gewicht von 100 g und eine Länge unterhalb des Halsabschlusses von 158,75 mm (6,250 inches) und einen Körperdurchmesser in der Mitte von 31,75 mm (1,250 inches).
Weiterhin wurde die Länge des verjüngten Abschnittes 14 des Vorformlings stark angehoben, wodurch eine Orientierung des Schulterbereiches 36 bis 0,635 mm (0,250 inch) in den Abschlußbereich hinein und bis auf 2,54 mm (0,100 inch) für eine 1,51-Flaschenkonfiguration, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, erreicht wird.
Die Vorformlinge wurden aus einem PET-Homopolymer mit einer Eigenviskosität von 0,84 spritzgeformt. Die im Vergleich zu früheren Vorformlingen angehobene Wanddicke des Vorformlings führte zu einer teilweisen molekularen Rekristallisation im Einspritzhohlraum. Die Abnahme an Transparenz (Trübung) in diesen Vorformlingen war meßbar größer als in den ursprünglich diskutierten Vorformlingen, gemessen mit den ASTM D-1003 Standards.
Diese Vorformlinge wurden bei einer Temperatur von 118ºC (245ºF) erhitzt (das maximal erreichbare vor dem Einsetzen der Oberflächenkristallisation). Darüber hinaus wurde die Blasformtemperatur auf 82ºC (180ºF) angehoben, um ein Abkühlen der Flasche vor dem Entfernen aus der Blasform zu ermöglichen. Die Endflaschen wurden zwanzig simulierten Wasch-/Druckdurchgängen unterworfen. Selbst nach zwanzig Zyklen oder Schleifen traten keine radialen Spannungsrißfehler auf. Einige Behälter enthielten kleinere axiale Bodenrisse, die am Angußpunkt des Vorformlings einsetzten, sich aber nicht durch die Wand fortsetzten, was zu Druckverlusten hätten führen können. Die Endvolumen- Änderung betrug -0,65%, was gut innerhalb der 1,5%igen Füllpegel- Spezifikation liegt. Andererseits lag die mittlere Abweichung von der Rechtwinkligkeit ("total indicator runout" - TIR) bei 5,72 mm (0,225 inch) gegenüber einem Ziel von 4,57 mm (0,180 inch). Der Berstdruck überstieg 1,24 · 10&sup6; N/m² (180 psi). 40% der Behälter, die, befüllt mit H&sub2;O, einem 90º-Stoß aus 1,83 m Höhe ausgesetzt wurden, versagten jedoch. Aus diesem Test wird jedoch deutlich, daß Flaschen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung geformt wurden, 5 bis 10 Durchläufe sogar mit geringeren Wanddicken überstehen würden.
Die Probleme bei der Abweichung von der Rechtwinkligkeit unter Druck bei einstückigen Behältern hängen typischerweise mit den Änderungen der Wanddicke um die umlaufende Aufstellrundung im Glockenbereich zusammen. Druckbeaufschlagtes PET kriecht mit der Zeit insbesondere bei angehobenen Temperaturen. Unorientiertes PET, wie der Bodenbereich 34 des Behälters in Fig. 5, kriecht sehr viel stärker als orientiertes PET. Darüber hinaus steigt der Kriechgrad mit der abnehmenden Wanddicke.
Um die Variation in der radialen Wanddicke zu minimieren, muß der Angußpunkt genau innerhalb des Blasboden zentriert sein. Um ein perfektes Zentrieren zu erreichen, wurde der vorgesehene Vorformling dahingehend modifiziert, daß er einen Vorsprung 26 am inneren geschlossenen Ende des Vorformlings hat, der in eine Vertiefung an der Spitze einer Streckblas-Zentrierstange (nicht gezeigt) eingreift, wobei diese Zentrierstange bekannt ist. Die Zentrierstange wiederum führt den Vorformling während des Ausdehnungsprozesses genau zur Mitte des Blasbodens.
Ein Versagen durch Stöße in einstückigen Behältern mit einem Boden vom Champagnertyp tritt gewöhnlich im unorienfierten amorphen Bereich des Bodens aufgrund der verringerten Widerstandsfähigkeit dieses Bodens gegenüber den orientierten Seitenwänden auf. Rißfehler entstehen gewöhnlich im Glockenbereich (Radius 32) am Punkt des Stoßes und setzen sich durch die unorientierte Wanddicke fort. Um Stoßfehler zu minimieren, wurde der Vorformling dahingehend modifiziert, daß die Länge des verdickten Wandabschnitttes 22 verringert wurde, wodurch die unorientierte Wanddicke im Bodenglockenbereich (32) verringert wurde.
Um das Einsetzen von axialen Rissen während des Laugenwaschzyklus' zu verringern, wurde der Vorformling schließlich dahingehend modifiziert, daß die Wanddicke im Bereich des Angußpunktes, d. h. am Boden des Vorformlings, der allgemein mit dem Bezugszeichen 24 versehen ist, angehoben wurde. Es ist zu sehen, daß dieser Bodenabschnitt im allgemeinen flach ist im Gegensatz zu einem herkömmlicherweise allgemein gleichförmigen Querschnitt.
Mit dieser modifizierten Vorformlingskonstruktion, die am besten in Fig. 2 zu sehen ist, wurden Flaschen mit einer Konfiguration geformt, wie sie allgemein in Fig. 5 gezeigt ist, wobei jedoch der Bodenglockenbereich 40 die in Fig. 6 gezeigte Konfiguration hat und der Radius 32 bei 3,81 mm (0,150 inch) liegt, obwohl dieser Radius auf bis zu 7,62 mm (0,300 inch) angehoben werden kann. Die mit dieser Vorformlingstemperatur und Blasformtemperatur und dem oben beschriebenen Ablauf geformten Flaschen wurden zwanzig aufeinanderfolgenden Laugenwasch-/Druckbefüllzyklen unterworfen. Es war keine Entstehung von axialen oder radialen Rissen zu sehen. Alle Behälter lagen innerhalb der ±1,5%igen Volumenspezifikation nach zwanzig Zyklen. Die mittlere Abweichung von der Rechtwinkligkeit (TIR) lag bei 2,16 mm (0,085 inch), wobei keine Einzelflasche oberhalb von 3,81 mm (0,150 inches) lag. Ein Aufbau von Laugensalzen an den Behältern führte zu einem gewissen Weißerwerden der Oberflächen. Diese Rückstände konnten jedoch leicht durch manuelles Schrubben entfernt werden.
An dieser Stelle ist hervorzuheben, daß die daraus resultierenden Behälter weiter durch zusätzliche bekannte kommerzielle Verfahren verbessert werden können. Z. B. kann eine kommerziell erhältliche Polymerbeschichtung auf den wiederbefüllbaren Behälter aufgebracht werden, um einen Oberflächenverschleiß/ein Zerkratzen über die Lebensdauer zu minimieren und ein Weißerwerden der Behälteroberfläche über wiederholte Laugenwaschzyklen zu verhindern. Weiterhin können kommerziell erhältliche Techniken zur Kristallisation des Vorformlings-Halsabschlußes verwendet werden, um das Elastizitätsmodul des Abschlußes anzuheben, so daß eine Beschädigung des kritischen oberen Abdichtradius 42 der in Fig. 5 gezeigten Flasche minimiert werden kann.
Der Vorformling kann weiterhin eine mehrschichtige Konstruktion mit inneren Sperrschichten umfassen, um die Lagerungsbeständigkeit zu erhöhen. Die Anwendung solcher mehrschichtigen Vorformlinge kann auch sinnvoll sein, um eine Absorption von Verunreinigungen (bei einer Befüllung mit Nicht- Nahrungsmittel-Produkten) zu verringern, wie auch eine darauffolgende Produktverunreinigung nach dem Waschen und Wiederbefüllen.
Obwohl damit ein akzeptabler Behälter bereit stand, ist entschieden worden, den Effekt höherer Kristallinitätsgrade in der Seitenwand zu untersuchen. Flaschen vom oben beschriebenen Typ wurden unter den Eingangsbedingungen hergestellt, außer daß die Blasformtemperatur auf 177ºC (350ºF) angehoben wurde und das innere Abkühlen der Flasche vor dem Entfernen der heißfixierten Flasche aus der Blasform eingeführt wurde. Die prozentuale Kristallinität wurde über Seitenwand-Dichtemessungen zu 31,5 errechnet.
Die in Übereinstimmung mit dem Obigen geformten Behälter wurden einem Laugenwasch-/Druckpacktest unterworfen und 60% der Muster versagten im Hinblick auf axiale und radiale Seitenwandrisse bei weniger als 20 Zyklen. Während physikalische Messungen auf exzellente Maßbeständigkeit hindeuteten, wurde gefolgert, daß eine übermäßige Kristallisation der Seitenwand über 30% hinaus das Elastizitätsmodul der biaxial orientierten PET-Matrix auf einen Punkt anhebt wo ein wiederholter Expansions-/Kontraktionszyklus zu einem Versagen einer halb-starren Morphologie führt.
Unter diesen Umständen muß angenommen werden, daß eine Kristallinität von 24-30% der optimale Grad für einen wiederbefüllbaren PET-Behälter ist, der vorzugsweise die Form einer Flasche mit einem spritzgeformten mit Gewinde versehenen Halsabschluß hat.
Damit die Details einer Flasche, die 20 Zyklen übersteht, vom Fachmann ganz wahrgenommen werden können, sind in der Zeichnung der Flasche in Fig. 5 die Ausmaße der Wanddicke einer solchen Flasche an verschiedenen Punkten der Flasche angegeben. Muß die Flasche nur eine geringere Anzahl von Zyklen überstehen, z. B. in der Größenordnung von 5 bis 10 Zyklen, können die verschiedenen Wanddicken geringer sein.
Beschriftung Fig. 1
CAUSTIC WASH LAUGENWÄSCHE
PURCHASE, USE EMPTY STORAGE BY CONSUMER AND RETURN TO BOTTLER ERWERB, VERWENDUNG, LEERGUTLAGERUNG DURCH DEN VERBRAUCHER UND RÜCKGABE AN DEN ABFÜLLER
CONTAMINATION INSPECT FILLING/CAPPING ÜBERPRÜFUNG AUF VERUNREINIGUNGEN, BEFÜLLEN/VERSCHLIESSSEN
WAREHOUSE STORAGE DISTRIBUTION, WHOLESALE, RETAIL LAGERUNG IM LAGERHAUS VERTEILUNG, GROSSHANDEL, EINZELHANDEL

Claims

1. Rückgebbarer, transparenter, wiederbefüllbarer, gegen Spannungsrisse beständiger Behälter (30), wobei der Behälter (30) aus einem Vorformling (10) blasgeformt ist, der biaxial orientiert ist und aus Polyethylenterephthalat (PET) besteht, wobei der Behälter (30) einen Behälterkörper hat, der eine transparente biaxial orientierte Seitenwand umfaßt sowie einen starren einstückigen Boden vom Champagnertyp (34), der einen Glockenbereich (40) mit einer umlaufenden Aufstellrundung und einem vertieften Mittelabschnitt umfaßt, einen Halsabschluß (12) zum Aufnehmen eines Verschlusses und einen orientierten verlängerten verjüngten Abschnitt (36) im an den Halsabschluß (12) anschließenden Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyethylenterephthalat (PET) eine mäßige Eigenviskosität (IV) von 0,72 bis 0,84 hat, die Behälterseitenwand biegsam ist und eine Kristallisation von 24 bis 30% hat, die Behälterkörperdicke 7 bis 9 mal kleiner ist als die Wanddicke des Vorformlingskörpers, der Boden vom Champagnertyp (34) eine niedrige Orientierung und eine Dicke hat, die größer ist als die Dicke der Seitenwand, wobei der vertiefte mittlere Abschnitt unorientiert ist, wobei der Behälter (30) ohne Reißen und bei Aufrechterhaltung seiner Maßhaltigkeit während jedes Wasch- und Befüllungszyklus' mindestens 5 Wiederverwendungszyklen übersteht, wobei die maximale Volumenabweichung über mindestens 5 Wiederverwendungszyklen ± 1,5% beträgt, wobei der Behälter (30) in jedem Zyklus einer heißen Laugenwäsche bei einer Temperatur von ungefähr 60ºC (140ºF) und einer Produktbefüllung und einem Verschließen bei einem Druck von ungefähr 4,05 · 10&sup5; N/m² (4 ATM) unterworfen wird.

2. Behälter nach Anspruch 1, wobei der Behälterkörper mit einer kohlensäurehaltigen Flüssigkeit bei einem Druck von ungefähr 4 ATM oder höher befüllt werden kann.

3. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Behälterkörper eine Flasche (30) mit einem Halsabschluß (12) zum Aufnehmen eines Schraubverschlusses ist.

4. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Behälterkörper hauptsächlich zylindrisch ist mit einer Seitenwanddicke von ungefähr 0,7 bis 0,9% seines Durchmessers.

5. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die umlaufende Aufstellrundung mindestens ungefähr 3,81 mm (0,150 inch) aufweist.

6. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Behälter (30) einen spritzgeformten mit Gewinde versehenen Halsabschluß (12) aufweist und wobei der orientierte verlängerte verjüngte Abschnitt (36) eine biaxiale Orientierung bis ungefähr 6,35 mm (0,250 inch) in den Halsabschluß (12) hinein aufweist.

7. Behälter nach Anspruch 6, wobei der orientierte verlängerte verjüngte Abschnitt (36) eine biaxiale Orientierung bis ungefähr 2,54 mm (0,100 inch) in den Halsabschluß (12) hinein aufweist.

8. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die mittlere Abweichung von der Rechtwinkligkeit nach den 5 Zyklen 3,81 mm (0,150 inch) oder weniger beträgt.

9. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der vertiefte mittlere Abschnitt (34) eine Dicke von ungefähr 4,57 mm (0,180 inch) hat und die Behälterseitenwand eine Dicke von ungefähr 0,635 mm (0,025 inch).

10. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Behälterkörperdicke größenordnungsmäßig um das 9-fache kleiner ist als die Wanddicke des Vorformlingskörpers.

11. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Boden vom Champagnertyp (34) keine Rippen hat und kontinuierlich verstärkt ist.

12. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die minimale Dicke des Glockenbereichs (32) im Boden vom Champagnertyp (34) ungefähr 2,41 mm (0,095 inch) beträgt und die Dicke der Behälterseitenwand ungefähr 0,635 mm (0,025 inch).

13. Behälter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Dicke des Behälterkörpers in der Größenordnung von 0,635 mm (0,025 inch) liegt.