ITRM20130510A1 - Preforma per contenitore in plastica avente fondo sottile - Google Patents

Description

Titolo: PREFORMA PER UN CONTENITORE DI PLASTICA A FONDO SOTTILE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce a una preforma in materiale plastico, come PET o altro materiale idoneo, utilizzata per esempio per realizzare contenitori di dimensioni ridotte per bevande o altri liquidi mediante stampaggio per soffiaggio ad inietto-compressione.

Stato della tecnica

Per ragioni economiche, la linea seguita dai fabbricanti di contenitori di PET è di ridurre il più possibile il peso, e pertanto la quantità di resina utilizzata, mantenendo le prestazioni tecniche degli stessi contenitori, come principalmente contenitori usa e getta. Per ottenere questo risultato è necessario rendere più leggere le preforme. I progettisti pongono particolare attenzione alle prestazioni dei contenitori finali di dimensioni ridotte, per esempio bottiglie con una capacità minore di un litro, in particolare bottiglie che hanno una capacità compresa tra 25 e 50 cl, che rappresentano una notevole parte del mercato delle bevande. In particolare, le bottiglie di acqua non contenente CO2con un peso compreso tra 6 e 15 g presentano problematiche molto complesse, poiché non vi è sufficiente materiale termoplastico per lo stiramento fino al limite della sua resistenza strutturale nelle svariate zone che costituiscono il contenitore, il quale può essere progettato con forme complesse. Nella progettazione di tali contenitori, una priorità assoluta è costituita dal complesso delle prestazioni tecniche di questa categoria di contenitori soffiati che presentano pareti di corpo molto sottili e che per esempio devono mantenere ancora la resistenza al carico assiale, la resistenza allo scoppio nei casi in cui vi è l’aggiunta di azoto e la resistenza alla deformazione nella direzione radiale. Da molti anni ormai, con la tecnologia ad iniezione tradizionale, i limiti delle progettazioni delle preforme concernenti lo spessore delle differenti zone della parete risultano evidenti e, in particolare, è noto e comunemente accettato nell’industria di preforme in PET che occorre assicurare un determinato rapporto tra lo spessore costante di parete di fondo (BWT) di una preforma e il suo spessore di parete laterale (WT). Tipicamente, questo rapporto deve essere compreso all’interno del seguente intervallo:

0,7 ≤ BWT/WT ≤ 0,95.

Con tale rapporto, è possibile osservare che l’iniezione di una preforma può essere effettuata senza sollecitare eccessivamente il materiale in corrispondenza della porzione dell’orifizio di entrata, poiché viene lasciato sufficiente spazio al PET fuso per muoversi tra la parte superiore del mandrino e il punto di iniezione sul lato di inserimento dell’orifizio di entrata. Tuttavia, se il rapporto BWT/WT di minimo 0,7 non viene garantito, vi è quindi un elevato rischio di sollecitazione eccessiva attorno al punto di iniezione che può: 1) sia portare a cristallinità all’interno nell’estremità della preforma a causa del noto fenomeno della cristallinità indotta per sollecitazione sia 2) impedire un corretto e completo riempimento dello stampo della preforma, poiché la restrizione dello spessore di fronte al punto di iniezione può impedire un facile flusso del PET fuso in questa sezione, e, inoltre, può portare a un eccessivo congelamento del PET fuso in quest’area, il che può far sì che la massa fusa più fredda raggiunga con difficoltà la superficie di sigillo superiore (TSS – Top Sealing Surface) della preforma (con rischio di iniezione incompleta o short shot). Tale rapporto è quasi lo stesso sia per le bevande con CO2(bevande analcoliche gassate = CSD) sia senza CO2. In questa situazione, è difficile ridurre la quantità di PET a causa del limite strutturale sullo spessore della parete. Realizzare uno spessore di parete della preforma inferiore a 2 mm con i metodi di iniezione tradizionali è particolarmente difficile a causa delle elevate forze di attrito che vengono sviluppate, in opposizione allo scorrimento del PET all’interno della stessa cavità dello stampo di iniezione. Pertanto, è particolarmente sentita la necessità di ottenere una preforma innovativa che possa ovviare agli inconvenienti di cui sopra.

Sommario dell’invenzione

Lo scopo primario della presente invenzione è di fornire una preforma in materiale plastico, per la realizzazione di un contenitore, in particolare una bottiglia in PET di dimensioni ridotte mediante stampaggio per soffiaggio o stampaggio per stirosoffiaggio, avente una geometria tale da garantire un’ottimale qualità di stampaggio per soffiaggio di un contenitore.

Un altro scopo non meno importante della presente invenzione è di ottenere una preforma alleggerita in modo ottimale per mezzo di un procedimento di stampaggio ad inietto-compressione. La tecnologia di stampaggio ad iniettocompressione offre nuove possibilità per la progettazione di preforme, poiché è possibile ovviare ai limiti tradizionali relativi agli spessori delle pareti delle preforme.

Pertanto, lo scopo dell’invenzione viene realizzato mediante una preforma, secondo la rivendicazione 1, atta a realizzare un contenitore soffiato finale attraverso un processo di stampaggio per soffiaggio, detta preforma comprendendo:

- una porzione di collo,

- una porzione di fondo la cui estremità, che definisce l’estremità della preforma, definisce uno spessore di parete di fondo minimo BWTmine

- una porzione di corpo che si estende tra la porzione di fondo e la porzione di collo e che definisce uno spessore di parete laterale WT,

in cui vi è un passaggio graduale nello spessore di parete da detto spessore di parete di fondo minimo BWTmina detto spessore di parete laterale WT, detto passaggio terminando in corrispondenza di un’estremità della porzione di fondo, e in cui il rapporto BWTmin/WT è compreso tra 0,20 e 0,65.

Vantaggiosamente, la geometria della preforma dell’invenzione consente di ottenere, rispetto alle preforme note, un’ulteriore riduzione del peso complessivo del contenitore finale. Il peso dei contenitori nuovi sarà compreso tra 6 grammi per le bottiglie di acqua e minore di 20 grammi per le bevande CSD, mantenendo le proprietà meccaniche almeno uguali a quelle delle bottiglie equivalenti dello stato della tecnica anteriore che hanno un peso compreso tra 7 e 21 grammi.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione preferite dell’invenzione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di una preforma in materiale plastico, illustrata a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’aiuto dei disegni allegati in cui:

la figura 1 rappresenta il rapporto BWT/WT per la tipica applicazione CSD, la figura 2 rappresenta il rapporto BWT/WT per la tipica applicazione di acqua, la figura 3 rappresenta la forma e il rapporto BWTmin/WT della preforma secondo l’invenzione per l’applicazione CSD,

la figura 4 rappresenta la forma e il rapporto BWTmin/WT della preforma secondo l’invenzione per l’applicazione di acqua,

la figura 5 rappresenta la formazione del fondo della bottiglia mediante l’operazione di stampaggio per stiro-soffiaggio di una preforma della tecnologia standard,

la figura 6 rappresenta la formazione del fondo della bottiglia mediante l’operazione di stampaggio per stiro-soffiaggio di una preforma secondo l’invenzione.

I medesimi numeri di riferimento nelle figure identificano i medesimi elementi o componenti.

Descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione La tecnologia del processo di inietto-compressione (ICP) sviluppata dagli autori della presente invenzione offre nuove possibilità per la progettazione di preforme, poiché è possibile ovviare ai limiti tradizionali degli spessori della parete della proforma. Poiché la posizione/distanza del mandrino verso il punto di iniezione sul lato di inserimento dell’orifizio di entrata non è fissa durante l’intero processo di inietto-compressione, il che significa che l’area/spazio tra l’estremità del mandrino e il punto di inserimento dell’orifizio di entrata è maggiore all’inizio del processo di inietto-compressione e viene ridotto soltanto all’ultimo stadio del processo quando si verifica la fase di compressione, il seguente rapporto BWTmin/WT è ora applicabile:

0,20 ≤ BWTmin/WT ≤ 0,65, preferibilmente 0,25 ≤ BWTmin/WT ≤ 0,60,

dove BWTminè lo spessore di parete di fondo minimo, che è lo spessore della parete di fondo in corrispondenza dell’estremità della preforma. Ciò significa che è possibile ottimizzare lo spessore della parete della preforma nell’area dell’estremità della preforma ed è possibile ridurre in modo sostanziale materiale sprecato attorno al punto di iniezione. Se confrontiamo due preforme che producono la stessa bottiglia, una prodotta con la tecnologia ad iniezione tradizionale, figure 1 e 2, e l’altra prodotta con l’ICP, figure 3 e 4, quella prodotta con l’ICP avrà una base più leggera, poiché non vi è la necessità di garantire un rapporto minimo uguale a 0,7 in questo caso, pertanto gli spessori della parete nell’estremità della preforma saranno inferiori. La figura 1 rappresenta un progetto dello stato della tecnica della parte finale 100 di una preforma per bevande analcoliche gassate (CSD), laddove il numero di riferimento 1 indica una porzione di corpo e il numero di riferimento 2 indica la porzione di fondo che termina nel punto di appoggio dei petali, dove inizia il corpo 1. In questo esempio lo spessore di parete di fondo BWT è costante e il rapporto BWT/WT è nell’ordine di 0,8, e il peso della bottiglia finale è di 21 grammi. La figura 2 illustra una preforma per una bottiglia di acqua dello stato della tecnica. In questo esempio lo spessore di parete di fondo BWT è costante e il rapporto BWT/WT è nell’ordine di 0,83 e il peso della bottiglia finale è di 7,2 grammi. Le figure 3 e 4 sono due esempi di preforma secondo l’invenzione, in cui lo spessore di parete di fondo BWT non è costante, al confronto con gli esempi forniti nelle figure 1 e 2. La preforma per bevande analcoliche gassate (CSD), figura 3, secondo il nuovo design, presenta una zona più sottile attorno alla materozza 3, con il punto più sottile in corrispondenza del punto della materozza 3. Per la preforma della figura 3, il rapporto BWTmin/WT, laddove BWTminrappresenta lo spessore di parete di fondo in corrispondenza del punto della materozza 3, dove lo spessore ha il valore minimo, è dell’ordine di 0,25, e il peso della preforma è di soli 19,6 grammi. La figura 4 rappresenta la stessa concezione di una preforma per una bottiglia di acqua: in questo caso il rapporto BWTmin/WT è dell’ordine di 0,55 e il peso è dell’ordine di 6,0 grammi. È opportuno ribadire che i numeri forniti sono meramente un esempio che non limita in alcun modo la portata dell’invenzione.

Preferibilmente una preforma secondo l’invenzione, idonea per una bottiglia di bevanda analcolica gassata, presenta un rapporto BWTmin/WT compreso tra 0,20 e 0,30 (compresi i valori limite).

Preferibilmente una preforma secondo l’invenzione, idonea per una bottiglia di bevanda analcolica non gassata, presenta un rapporto BWTmin/WT compreso tra 0,50 e 0,60 (compresi i valori limite).

Dal centro della materozza 3, dove lo spessore di parete di fondo presenta il valore minimo BWTmin, lo spessore della parete aumenta in modo graduale per raggiungere lo spessore della parete laterale WT del corpo della preforma in corrispondenza del punto di appoggio dei petali. Lo spessore della preforma in corrispondenza del centro della materozza 3, che si presenta in corrispondenza dell’estremità della preforma, viene ridotto al minimo al fine di ridurre la quantità di materiale amorfo attorno al punto di iniezione della preforma, portando così a meno materiale in eccesso in quest’area e a prestazioni della bottiglia migliorate in termini di stabilità termica e stress cracking, il che è particolarmente importante per le applicazioni CSD, poiché il rischio di stress cracking sulla base della bottiglia è uno dei principali rischi per i prodotti in PET contenenti CSD.

Una problematica nella progettazione della preforma è di ottenere una distribuzione del materiale di PET nelle zone della parete laddove è necessario, e ciò significa esattamente nella parte periferica della base e non attorno al punto di iniezione (il materiale in eccesso attorno al punto di iniezione è inutile per le prestazioni meccaniche della bottiglia).

Per migliorare questo aspetto, nella regione dove termina la porzione di preforma avente lo spessore di parete laterale WT, il corpo 1 della preforma, secondo l’invenzione, presenta un gradino di parete 4 avente uno spessore WTmaxmaggiore dello spessore di parete laterale WT. Detto spessore WTmaxè compreso tra il 4% e il 20% in più rispetto a detto spessore di parete laterale WT.

Pertanto, il gradino 4 è posto tra la porzione di corpo 1 e la porzione di fondo 2 della preforma, cioè tra l’estremità della porzione di corpo 1 e l’estremità della porzione di fondo 2, corrispondente al punto di appoggio dei petali del contenitore soffiato nel caso di un fondo petaloide.

Questo design “Step Core” con due differenti spessori (WT e WTmax), il gradino di parete essendo indicato con 4 nelle figure 3, 4 e 6, consente di avere nella regione dello “Step Core” una quantità sufficiente di materiale disponibile per il corretto soffiaggio della base della bottiglia (petali), migliorando pertanto la stabilità della bottiglia che dipende in larga misura dallo spessore del fondo. Tipicamente, con la tecnologia ad iniezione tradizionale, è molto complicato avere una base sufficientemente resistente senza avere anche materiale in eccesso attorno al punto di iniezione. Grazie alla progettazione della preforma ICP, è ora possibile distribuire il materiale in modo più preciso nella base della bottiglia e impedire uno spreco di materiale attorno al punto di iniezione. Anche questo aspetto è di particolare importanza per le applicazioni idonee per BAG, poiché la stabilità termica della base della bottiglia dipende in larga misura dalla rigidità della base della bottiglia, pertanto occorre distribuire una quantità sufficiente di materiale all’interno della base per ottenere una buona stabilità termica. Tuttavia, come descritto in precedenza, con la tecnologia ad iniezione tradizionale, avere una base sufficientemente resistente implica solitamente che una parte del materiale in eccesso sia posta attorno al punto di iniezione che corrisponde al centro della materozza. Ciò viene in genere accettato, tuttavia questo materiale in eccesso è molto sensibile allo stress cracking poiché si trova prevalentemente in stato amorfo. Grazie all’invenzione, durante la realizzazione di una preforma idonea per l’ICP, ora viene realizzata una soluzione migliore in termini di stabilità termica e di minore sensibilità allo stress cracking. Le figure 5 e 6 illustrano uno schema che rappresenta il modo in cui la preforma viene trasformata nella bottiglia finale durante il processo di stampaggio per stiro-soffiaggio. Nella figura 5, dove il numero di riferimento 5 indica i petali, è evidente che la vecchia tecnica lascia troppo materiale in corrispondenza del centro C del fondo della bottiglia, laddove non solo esso non è necessario ma aumenta anche la possibilità di stress cracking. Nella figura 6, dove il numero di riferimento 4 indica il gradino di parete all’interno della regione dello “Step Core”, è possibile vedere che una preforma con un passaggio graduale dallo spessore di parete di fondo minimo BWTminallo spessore di parete laterale WT lascia il centro C del fondo della bottiglia con molto meno materiale. È possibile utilizzare il nuovo design, denominato “Thin Wall Step Core” TWSC, con vantaggi per l’applicazione nei prodotti come bevande analcoliche gassate “CSD”, in cui la bevanda contiene additivi di CO2nella misura espressa in g/l o in volumi di gas, per tutti i livelli di carbonatazione, per esempio dal minimo di 2g/l fino a 9g/l. Il nuovo design TWSC consente di realizzare contenitori leggeri, incrementa le prestazioni della soffiatrice e amplia la finestra di processo della distribuzione della plastica sulla base del contenitore al fine di superare le specifiche dell’incrinatura per sollecitazione caustica (caustic stress cracking CSC) e la stabilità termica (TS). Lo stress cracking è un test progettato per valutare la qualità di un contenitore sottoposto a pressione interna nella sua parte più rigida, e precisamente la materozza centrale presente all’interno della piastra di base. Poiché, in generale, le linee di trasporto dei contenitori utilizzano agenti di scorrimento di tipo basico, i contenitori impregnati di anidride carbonica devono superare una prova di simulazione denominata caustic stress cracking. Questa prova richiede che il contenitore sia riempito con la bevanda/acqua fino al livello designato di carbonatazione e immerso per l’altezza del petalo in una soluzione acquosa di NaOH. Per la durata della prova, la materozza non deve essere rotta, causando l’esplosione della bottiglia. Dato che il materiale amorfo è microporoso e permeabile, se il raccordo dalla materozza ai petali non è dolce e sufficientemente raffreddato durante il processo di stampaggio per stiro-soffiaggio, la zona di raccordo è particolarmente attaccabile nel “punto critico” mediante l’attacco di NaOH (idrolisi catalizzata da basi). L’attacco alcalino porta alla rottura del legame estereo con la scissione delle catene polimeriche e, se la regione tra i petali e il punto di iniezione presenta zone orientate in modo sparso, la probabilità che la base della bottiglia non superi la prova di stress cracking è molto elevata. Il meccanismo avviene con una prima fase di degradazione superficiale con la formazione di difetti locali che possono propagarsi velocemente e in modo semplice lungo il profilo del materiale portando alla fragilità alla rottura (brittle fracture). Tuttavia, nel caso di passaggio regolare come nell’invenzione, lo stiramento massimo conferisce un orientamento preferenziale alle catene polimeriche e riduce la predisposizione al deterioramento a causa dell’attacco basico. La stabilità termica è un’altra prova che consente di valutare la resistenza meccanica della bottiglia, contenente bevande gassate, la quale viene posta per un dato periodo di tempo in un termostato a una temperatura maggiore di 20°C rispetto alla temperatura ambiente. La prova consente di simulare la capacità della bottiglia in ambienti caldi. Dato che l’anidride carbonica è un gas solubile in acqua o in bevande a base di acqua, viene stabilito un equilibrio tra CO2allo stato liquido e CO2allo stato gassoso in funzione della temperatura, poiché la solubilità diminuisce all’aumentare della temperatura del gas. Ciò provoca un aumento della fase gassosa all’interno del volume confinato e un aumento della pressione interna. Una conseguenza è una dilatazione parziale del contenitore, con un aumento volumetrico, che a sua volta riduce in modo significativo la pressione interna, riduce la rigidità per via dell’interazione della bottiglia in PET e del calore con un’eventuale deformazione irreversibile della base denominata fondo deformato (rocker bottom). La sollecitazione a cui è sottoposto il fondo di bottiglia interessa in particolare la struttura dei petali e la prima parte della transizione, ed è necessario uno spessore sufficiente per impedire l’ampliamento dei petali della base del contenitore e il successivo rovesciamento della materozza che renderebbe la bottiglia instabile. È evidente che il contenitore deve superare contemporaneamente le prove summenzionate di CSC e TS, e in seguito diviene necessario ottenere una base per la bottiglia che soddisfi entrambe le caratteristiche, e precisamente il fatto che il raccordo della materozza sia strettamente stirato e raffreddato per la CSC e che i petali siano sufficientemente spessi e resistenti per la TS. Dato che lo spessore in corrispondenza della materozza in una preforma standard presenta una grandezza superiore al design TWSC, è difficile stirare l’area della materozza e trovare un buon compromesso tra l’andamento del raccordo e lo spessore sui petali. Proprio a causa dello standard di geometria vincolante, nei contenitori dello stato della tecnica vengono realizzati raccordi molto spessi, in cui vi è un’eccessiva presenza di materiale amorfo, il che comporta un raffreddamento sostanziale, a scapito del tempo di ciclo della macchina. Il vantaggio di una preforma secondo l’invenzione consiste nel fatto che essa massimizza l’utilizzo di PET, ottenendo pertanto contenitori finali soffiati più leggeri e più efficienti che utilizzano anche le prestazioni massime della soffiatrice. La preforma “Thin Wall Step Core” è progettata in modo che il profilo di “parete sottile” sulla materozza consenta di ottenere, sulla base di un contenitore soffiato, un passaggio sottile e graduale che comincia dalla materozza e va fino al punto di appoggio dei petali sulla superficie, mentre il profilo con “Step Core” aspira una maggiore quantità di materiale, in confronto alle preforme dello stato della tecnica, su tutto il profilo dei petali. Il risultato viene traslato in una base globalmente leggera, in cui, a causa della geometria delle preforme tradizionali, la quantità di materiale accumulato nella materozza, attraverso il design “TWSC”, viene ridotta e parzialmente ridistribuita verso lo “Step Core” dove sarà posizionata sul profilo dei petali della bottiglia soffiata, rendendo la stessa robusta e facile da raffreddare. Tuttavia, i vantaggi dell’invenzione vengono ottenuti non solo per i contenitori con una base petaloide, ma anche per i contenitori che potrebbero non avere una base petaloide, come quelli utilizzati per l’acqua minerale.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Preforma (100), atta a realizzare un contenitore soffiato finale attraverso un processo di stampaggio per soffiaggio, detta preforma comprendendo: - una porzione di collo, - una porzione di fondo (2) la cui estremità (3), che definisce l’estremità della preforma, definisce uno spessore di parete di fondo minimo BWTmine - una porzione di corpo (1) che si estende tra la porzione di fondo (2) e la porzione di collo e che definisce uno spessore di parete laterale WT, in cui vi è un passaggio graduale dello spessore di parete da detto spessore di parete di fondo minimo BWTmina detto spessore di parete laterale WT, detto passaggio terminando in corrispondenza di un’estremità della porzione di fondo, e in cui il rapporto BWTmin/WT è compreso tra 0,20 e 0,65.
2. 2. Preforma secondo la rivendicazione 1, in cui, in corrispondenza di detta estremità di porzione di fondo, all’interno della regione in cui la porzione di preforma avente uno spessore di parete laterale WT termina, è previsto un gradino di parete (4) avente uno spessore WTmaxmaggiore di detto spessore di parete laterale WT.
3. 3. Preforma secondo la rivendicazione 2, in cui lo spessore WTmaxdel gradino di parete (4) è compreso tra il 4% e il 20% più elevato rispetto a detto spessore di parete laterale WT.
4. 4. Preforma secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui il gradino di parete (4) è posto tra la porzione di corpo (1) e la porzione di fondo (2).
5. 5. Preforma secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui la preforma serve per una bottiglia di bevanda analcolica gassata, e il rapporto BWTmin/WT è compreso tra 0,20 e 0,30.
6. 6. Preforma secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui la preforma serve per una bottiglia di bevanda analcolica non gassata, e il rapporto BWTmin/WT è compreso tra 0,50 e 0,60.