JP3605113B2

JP3605113B2 - Metal-plastic structure can by drawing and ironing and method of manufacturing the same

Info

Publication number: JP3605113B2
Application number: JP51579395A
Authority: JP
Inventors: ジエイマツクヘンリー，ロバート; プテイ，ドミニク
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: AU1300095A; EP0731738A1; EP0731738A4; WO1995015226A1; JPH09511182A; EP0731738B1; DE69427408D1; FR2713138A1; DE69427408T2; FR2713138B1; ES2158073T3

Description

発明の背景
本発明は、全般的には、飲料または食料のパッケージングに利用される缶ならびにエアロゾル用容器を、絞り・しごき加工によって制作することに関するものである。更に正確にいうと、本発明は、金属−ポリマ−金属を含むタイプ、即ち、二枚の金属シート間にポリマ層が置かれ、そこに接着されるタイプの、新しい改善された金属−プラスチック積層構造体に関するものである。
以後、本発明の、この新しい改善された積層材料を特定するために、特に識別せずに金属−プラスチック−金属、金属−ポリマ−金属、或いはもっと簡単にMPMという略記を使用する。
層状の金属−プラスチック構造を説明する多数の文書が存在している。これらの大部分は、金属−ポリマまたはポリマ−金属−ポリマ構造であって、金属−ポリマ−金属構造は珍しい。
MPM構造体について言及しているこれらの文書はいずれも、絞り・しごき加工による飲料用または食料用缶を作成するのに特に適した材料ならびに厚さの好適範囲を教えていない。
1982年１月７日付けで公告されたWO 82/00020号明細書は、説明のつもりで、その最もシンプルな形態において金属の箔またはプレートに取り付けられたポリエチレン（PE）フィルムを含む金属−プラスチック構造を記述している。別の実施例は、複雑なPE−金属−PEを形成する、１枚の金属プレートの両面に付着された２枚のPEフィルムを含んでいる。最後に第３実施例は、PEフィルムの両側に付着された２枚の金属プレートまたは箔から構成される。低圧力のエチレンとブテン−１のもとで共重合によって得られる、使用PEは、0.91〜0.94の密度を有する線形低密度タイプのもの（LLDPE）である。この願書で説明されたLLDPPEは、接着剤を使用する必要なく、直接に金属に付着するという興味深い特性を有している。熱と圧力を同時に加えること（ヒートシール）によって、それを金属に付けるだけで間に合う。
この出願に説明されている金属基板には、鋼、錫またはクロムまたはクロム／酸化物または亜鉛のコーティングを備えた鋼、ニッケルで処理されたまたはされないアルミニウム、銅、または亜鉛が含まれる。それは化学変換処理を受けていてもよい。
シンプルな金属−プラスチック構造体の所期の絶対的または相対的例に関する明確な教示はないが、この公告書類は、厚さ210ミクロンの鋼、スズメッキ鋼、クロム−クロム酸化物、またはアルミニウムといった、種々の金属のプレートにヒートシールされる、厚さ100ミクロンの種々タイプのポリエチレンのフィルムを説明している。こうして得られて標本は、ひだ付け加工、打抜き加工、絞り加工、壁しごき加工によって、中空な物品に形成される。コーティングの接着性が比較され、線形低密度ポリエチレン（LLDPE）の優質性が示されている。
フランス特許第FR2 665 887号明細書（ペチニ・エンバレジ・アリメンテア）は、ショア硬度80未満の接着層によって一緒に結合される二層のアルミニウムから構成されていることを特徴とする、絞り加工、絞り・しごき加工、またはフローターンによって作られるコルクに取り付けるカプセルを説明している。接着層は、エチレンアクリル酸またはポリエチレン、或いは、酸の官能性によって改質されたポリプロピレンから成り立ちうる。複合物の総厚は120〜400ミクロンで、下記の総厚構成比を備えている：
アルミニウム外側層20〜50％
接着層３〜30％
アルミニウム内側層40〜60％
Schwezerische Aluminum AGに譲渡された欧州特許出願第EP−Ａ−0 046 444号明細書は、プラスチック層を、二枚の金属層を合わせたものと同じ位の厚さにできるMPM複合積層を説明している。
深絞り性を達成するための表明要件の一つは、複合物が引き伸ばされるときに、プラスチックコアによって生じる荷重が、それぞれの金属ストリップによって生じるものよりも大きいようなプラスチックコア層と金属表面層とを選択することである。この条件は、配向または伸張されたプラスチック層を利用することによって達成される。軟または半硬アルミニウムの薄いストリップが特に適していることも述べられている。適切なプロセスとして絞り・しごき加工は教示されていないものの、そのような半剛容器に便利なプロセスである伸長による深めの絞り加工ならびに深絞り加工の教示はある。
同様なMPM構成方法は、BASF Aktiengesellschaftに譲渡された欧州特許出願第EP−Ａ−O 034 781号明細書に説明されている。この出願の発明者等は、選択金属に近いプラスチック延性特性を与えるために、プラスチックフィルムを金属箔と結合する前に圧延する。
種々の有用な物品に形成できる金属−プラスチック−金属構造の積層は、Dow Chemical Companyに譲渡された欧州特許出願第EP−Ａ−0134958号明細書に説明されている。この発明は、標準的な実験室試験で測定される少なくとも所定レベルの引張り成形性に耐える積層の能力と、与えられた急半径に金属破損なく曲げ加工される能力と、所定レベルの熱安定性とに関して、詳しく定義されている。
この特許明細書は、絞り加工または絞り・しごき加工される形状に対する基準も、絞り加工によって或いは絞り・しごき加工によって形成されるこれら積層構造体の能力も、記載していない。説明されている実験室試験は、材料物質を薄くするように固定された外縁を維持しながら材料物質を均一に引き伸ばす二軸引張試験の一形態である。そのような引張成形プロセスは、従来は自動車のパネルのような浅い物品を成形する際に利用されているが、食料または飲料用缶を作成するのには利用されていない。食料用缶を作成したり、飲料用缶を作成する初期ステップに利用されるような従来の絞り加工プロセスは、材料物質を外縁からフローするもので、厚さ低減はほとんどまたは全くない。
Continental Can Companyに譲渡された米国特許第3298559号明細書は、ケーキ焼き皿のような、従来の成形型で冷間延伸される積層金属−プラスチック容器を説明している。説明されている金属−プラスチック容器の中に、MPMタイプのものが幾つかある。広範囲な金属およびプラスチックの厚さが請求されているが、これらの厚さの割合の重要性については教示がない。MPM構造体を扱ったこれらの例の総金属厚に対するプラスチックの割合は、５〜９％である。このMPMの例の金属層は極軟またはゼロテンパーであると説明されている。絞り・しごき加工プロセスによってそのような容器を形成できること、または、食料用缶に適した絞り加工容器が作成可能であることの指示は皆無である。
提示課題
発明者等に提示された課題は、ガス入り飲料用の缶の改善というものであった。一般に、容量が約33センチリットルの円筒形をなす、この缶は、内部が食品用承認ワニスでコーティングされ、外部が内容製品の性質とメーカー名を示す１枚または複数枚の化粧層でコーティングされている、イージーオープン蓋によって密閉される。これら缶の、最も利用頻度の高い成形プロセスは、絞り・しごき加工のプロセスである。このプロセスにより、非常の早い生産サイクルが可能となり、それにより、このタイプの缶が並外れて世界普及できた。
当業者に既知のこのプロセスは、その名が示す通り、１回または数回の絞り加工から成る第一シリーズと、１回または数回のしごき加工から成る第二シリーズを含んでいる。厚さ約300ミクロンの鋼またはアルミニウム合金の平坦な円形ディスクから始まる。このディスクは、まず、図1aに示される装置の助けを得、絞り加工されて初期の浅い杯状体を形成する。最初に平坦だったディスク（１）が、ここでは、変形中で図示されている。それは、固定された変形ダイプレート（２）と加圧プレート（３）間で加圧される。ピストンによって作動されるパンチ（４）の降下により、事実上、厚さの減少を受けない杯状体形成ができる。次に、指定数字が図1aの同じ構成要素に対応している（図1bの）第二絞りパスによって杯状体が形成される。
その後、この杯状体の側面は、内径が次第に減少する、全般的に数字の３で表される一連のしごき加工リングの助けを得て、しごき加工される。図２に、これらのしごき加工リングのうちの１個を示し、その働きを説明する。杯状体（５）は、パンチ（６）に僅かな遊びで合わせられ、パンチ（６）は杯状体（５）を、杯状体の外径よりもその内径が小さいリング（７）の内部に通す。これにより壁は薄くなり、相当するように引き伸ばされる。この引き伸ばし即ちしごき加工の大きさは、杯状体の外径とリングの内径の差によって管理される。１回のしごき加工パスで缶の最終高さに達しえなかった杯状体の変形容量については、前述のように、同一パンチストロークで順々に連続して杯状体がパスされる３個のリングを配設することが有用である。
上で検討されたプロセスで作られる飲料用缶の原価要素の中で、軽量であるにも関わらず、金属の原価が圧倒的部分を構成する。そこで、経済的な材料物質であるプラスチックを金属の一部に置き換えるという考えが研究者に浮かんだ。
殆どのプラスチック材料の金属の弾性モジュールならびに弾性限界は、金属のものよりはるかに小さいため、プラスチックを金属の代わりに代用することは、いくつかの構造上の問題に直面する。これらの構造上の問題に加え、一般に金属缶は、プラスチックの成形に利用されるものとかなり異なる条件下で制作されるという事実に関わるプロセス上の問題があった。例えば、金属容器は普通は高速で常温または中温で制作されるのに対し、プラスチックの挙動は、プラスチック容器が通常は低速、高温で作成されるというようであった。
前述の研究者は、WO82/00020に詳しく詳述されているように、金属箔に密着させたプラスチック層は、従来の金属成形プロセスをシンプルに変更することによって形成されうることを示した。このことは、成形中の金属−プラスチック構造の挙動は、プラスチックより強い厚い金属によって制御されるという事実、ならびに、薄いプラスチック層に生じた応力はその良好な密着の結果として金属箔に容易に転移されるという事実によって、説明できる。
比較的薄いプラスチック層に対するこの制限は、プラスチックの役割が、一般的には金属を腐食から保護し、比較的薄いプラスチック層がこの保護を満足することであるので、前述の研究では問題ではなかった。
WO 82/00020では、希望があれば、積層はポリエチレンフィルムの両側に結合された金属薄板または箔で作成してもよいとさえ述べているが、より厚いプラスチック層が所望されたり、そのようなMPM構造で可能であることを示していない。この特許明細書で説明されている、100ミクロンのプラスチックフィルムと２枚の210ミクロンの金属箔を使用したMPM構造対を制作する場合、総金属厚に対するプラスチックコアの厚さ比は、0.24未満となる。これから示す通り、この低比率は、所望のコスト削減に必要なものを下回っている。
成形時に金属が優位を占める程度の薄さのプラスチック層を利用することに加え、前述の研究者等は２種類の方法を利用している。フランス特許第FR1414475号明細書と米国特許第4390489号明細書に説明されている第一のものは、熱成形のような従来のプラスチックプロセスで利用される加熱材料から始める成形を実施することである。
第二の方法は、プラスチックコアが成形を支配し、アルミニウムの変形はプラスチックの変形の次に行われるようにそれぞれの材料が選択された金属−プラスチック構造体を利用して加工することである。前述のEP−Ａ−O 046 444では、この条件は、各金属ストリップによって生じる荷重よりも大きなプラスチックコアによって生じる荷重に関して規定されている。これは、軟または半硬アルミニウムストリップの利用と、延伸または伸張されたプラスチック層の利用によって達成される。
EP−Ａ−P 034 781号明細書では、発明者等は、与えられた金属箔と比較してプラスチックフィルムをもっと優勢にするために、プラスチックフィルムを冷間延伸する。これにより、それらは幾分か強い金属箔が使えるようになる。発明者等は金属によって生じる荷重の割合に関する自分達の結論を述べていないが、最終金属応力はそれ自体の試験のときの金属箔のそれに等しい、という推測のもとに、例示されているそれぞれの層構造体についてその百分率は容易に計算できる。この計算から、冷間圧延フィルムを利用した構造体では僅か46.4％の引張荷重であり、冷間圧延しない、更に層の厚い同一プラスチックフィルムを利用した比較サンプルでは20.8％であることが分かる。ここでも、絞り・しごき加工による容器のことも、壁しごき加工プロセスを失敗無く受けるための層構造の能力のことも言及されていない。
米国特許第3298559号明細書では、発明者等は冷間圧延などの延伸をプラスチックではなく、与えられたMPM例のそれぞれに施し、アルミニウム箔がまた、極軟またはゼロテンパーであると特徴付けている。総金属厚に対するプラスチック厚の比率は、それぞれのMPM例において少なくとも５〜１％である。発明者等は、金属が占める荷重の百分率のことを述べていないし、それを計算しうる機械的データも提供していないが、極軟アルミニウムとプラスチック−金属の高厚さ比の組合せから、プラスチック層が成形プロセスを支配することが分かる。
以下に示されるように、軟合金または層金属厚と比較して非常に薄いプラスチック層を利用することは、或る時間まで内部圧などの重大な機械的荷重に耐えなくてはならない容器の原料コストを大幅に削減するという本発明者等の目的に合致しない。
現発明者等は、深絞りに耐える、更に詳しく言うと、絞り・しごき加工される飲料および食料用缶に要求される後続のしごきステップに耐える能力という点では、延伸されたプラスチックコアより延伸されていないプラスチックコア層の方が好適であることも発見した。
厚さを減らし、それゆえに利用金属のコストを減らすという本発明の目的を達成するために、発明者等は、プラスチック層は２枚の金属層の間に配置すべきであること、また、プラスチック層は、金属−プラスチック構造で作られる容器で達成される厚さよりも厚くなくてはならないことを発見した。更に強く更に剛直な材料から作られた２枚の外側層の間に配置される中央層として低コストまたは低密度な材料を利用する他タイプの機械的構造は周知である。そのような「サンドイッチ」構造は、サンドイッチの総厚と同じ厚さの単一層の更に堅固な材料の曲げこわさに近いものを達成することで知られている。
中央材料は曲げ抵抗が小さいものの、構造の曲げ抵抗には貢献するが、それは、サンドイッチの引張抵抗にはかろうじて貢献する程度である。これは、２枚の外側金属層の総厚の低減可能性を制限するものである。容器のような比較的薄い金属壁を備えた構造体の引張抵抗は、膜強度と呼ばれる。
発明者等は、ガス入り飲料用間のような剛直な容器の底が、外側から見て、凹形から凸形になり始める圧力は、曲げこわさと膜強度の複雑な関数に左右されることを発見した。この圧力は、通常、ボトムバックリング圧力と呼ばれる。この２種類の耐性の関数の形式は、凹状ドームの正確な形状と、容器の壁の底部にドームを接続する底の部分の形状によって左右される。
ボトムバックリング圧力（Ｆ）は、単層金属の場合、厚さの関数として下記の公式で表せる：
Ｐ＝keⁿ
式中、ｋ＝材料に応じた比例定数、ｅ＝材料の厚さ、ｎ＝底部の形状に応じて１と２の間で変動する指数である。これは、指数ｎが１に近ければバックリング圧力は膜強度に敏感となること意味し、指数が２に近ければバックリング圧力は曲げこわさに敏感となることを意味している。殆どの飲料用缶の底面の場合、指数は1.2と1.9の間にある。指数が２に近くなるほど、外側金属層の任意の厚さに必要なプラスチックの厚さが薄くなる。
図３に、厚さ330ミクロンの全体金属構造と同じバックリング圧力を達成するために、２枚の金属層の総厚emの場合に要求されるプラスチック厚epを示す。異なる曲線について観察されるように、膜強度が最も臨界状態となる指数ｎ＝1.2の場合よりも、曲げこわさが最も臨界状態となる指数ｎ＝1.7の場合のほうが、断然、プラスチックの厚さを要しない。
また、この図３では、任意の底面構成の場合、それゆえに任意の値ｎの場合、一連のプラスチック厚epと、それに対応する２枚の金属層の総厚emが存在し、それらが所要ボトムバックリング強度を与えることも分かる。例えば指数1.5の構成の場合、あらゆる許容組合わせは、1.5で指示される曲線の各点の横軸と縦座標に対応している。
一般的には、各曲線の左側の点は、高い金属を少なく、安いプラスチックを多く含んでいるので、各曲線の左側の点は最も経済的な構造を示すものである。
これらの点の金属総厚に対するプラスチック厚の比率は、従来技術で実現されたものよりも高いことにも注意されたい。
絞り・しごき加工のような従来の金属成形プロセスを利用してMPM構造から開始する容器製作は、少ない金属と多いプラスチックから構成される構造ではかなり困難であると思われていた。この予想の理由の一つは、しごき加工と同じくらいの量の絞り加工のときに、MPM構造が伸張応力を受けるということであり、既存技術により、MPM構造を破損するまで伸張することは全体金属構造のそれと同じことであろうと考えられていた。この引張では、その低モジュールの結果、プラスチック材料は絞り・しごき加工によって誘発された引張応力の軽微一部をサポートすることになる。破損に至るまでの伸張について広く受け入れられている予測を試験するために、発明者等はいくつかの構造について、外側アルミニウム合金の各層は100ミクロンという一定の厚さにし、プラスチック厚を変動させながら、単軸方向引張試験を行った。
発明者等は、図４に示すように、破損にいたるまでの伸張でプラスチック厚が増し、最大300ミクロンに近いプラスチック、が達成されたことを観察して驚いた。これは1.5のP/（Mi＋Me）に相当する。
破損に至るまでの伸張における、この驚くべき増加の説明は、完全には明らかではないが、破損後の標本の調査から、外側金属層のいずれかのネッキングの開始に起因した応力の集中を拡散するというプラスチックの能力に関するものであることが分かった。プラスチックは、対向する外側層の表面の応力を分散し、それにより第一外側層のネッキングが破断に及ぶのを防ぐ。プラスチック層が、最適値よりも厚い場合は、プラスチックは集中応力を対向外側層に少ししか移転できないようで、２枚の金属層で連続的にネッキングが進行する。
破損に至るまでの伸張によって特徴付けられるMPM構造の靭性向上により、従来達成されたよりもはるかに厚い相対的プラスチック厚を備えたMPM構造を首尾良く絞り・しごき加工できるようになった。前述の通り、任意のボトムバックリング圧力の経済バランスは、このような厚いプラスチックでは、一層好ましいものとなる。
それぞれの金属箔の厚さが100ミクロンで、アルミニウム合金3003の引張破損強度が239MPである、図４を作成するのに使用されたものと同じ張力標本データを利用して、発明者等は、金属箔によって生じる総荷重の部分を計算した。百分率は、厚さ55ミクロンのコアの場合の99％から、厚さ420ミクロンのコアの場合の82％まで変動した。
発明の概要
上記ならびに他の目的により、本発明は缶本体ならびに缶を形成するのに有用な、これまでにない優れた金属−ポリマ−金属積層ならびに構造体を提供するものである。積層の層の性質と厚さは、所期の金属缶の所要機械的特性、詳しく言うと、ガス入り飲料または食料のパッケージング、ならびに、絞り・しごき加工によって形成する手段まで、を提供するように特別に構成される。
本発明は、MPMタイプの金属−プラスチック構造の絞り・しごき加工による、食料品または飲料水のパッケージ用金属缶の製作も、相等しく目的として含んでいる。
【図面の簡単な説明】
図1aと1bに、従来技術により円形ディスクの２パス絞り加工を概略的に示し；
図２に、杯状体を缶に形成するための、絞り加工済み杯状体の壁のしごき加工を示し；
図３に、ボトムバックリング厚Ｐの等厚線、横軸となる金属emの総厚、ならびに縦座標となる中間ポリマ層epの厚さを示し；
図４に、それぞれの外側金属箔の厚さ100ミクロンであるMPM構造体の、破損に至るまでの伸張の変動を、中央ポリマ層の厚さの関数として示し、
図5aと5bに、本発明によるパンチのベースの、２種類の好適形態を示し、
図６に、本発明による絞り加工の第二パスのモールド部品を示す。
好適実施例の説明
缶本体は、底面と、特に飲料を収容することを意図されたタイプの金属−ポリマ−金属の金属−プラスチック構造の底面に大してその母線が垂直をなす壁、とから構成されており、本発明の目的は、金属−プラスティック構造が、それぞれの厚さがMiとMeである金属箔で内面と外面をコーティングされた厚さＰの熱可塑性中央層を備えており、比率P/（Mi＋Me）が0.5より大きく、本体が絞り・しごき加工におって製作され、缶の壁は缶本体の底面より薄くされるようになっていることで特徴付けられている。
上に展開された問題の同じ説明の後、この比率P/（Mi＋Me）には、0.7と2.5の間であることが好ましく、１と２の間であることが更に好ましい。
金属−プラスチック構造の実現するための有利な方法において、しごき加工前の中央ポリマ層の厚さは100〜500ミクロンであり、しごき加工前の各金属箔の厚さは25〜150ミクロンである。これらの厚さは、明らかに薄くされた後の本体壁よりも薄い。更に有利な方法において、このプラスチック層は、プラスチックフィルムの型成形およびブロー成形中に普通に生じた付随的な延伸以外には本質的に延伸されていない。
中央層を構成するポリマは、次の熱可塑性材料のいずれかが選択される：
ポリプロピレン、高および低密度ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリマは、容器内に収容される食料品または飲料に接触しておらず、回収されたポリマを使用することが可能であり、それが推奨されることに注意されたい。回収されたポリエステルとポリプロピレンで試したが、完全に満足できる結果が得られた。
金属は、鋼、スズメッキされたものまたはメッキされないもの、クロムか亜鉛かニッケルでコーティングされたもの、クロム−クロム酸化物のもの、アルミニウムまたはアルミニウム合金のもの、またはアルミニウム合金のいずれかが好適である。単独試験時および引張時の金属箔の破損強度は185MPaを越えることが更に好ましい。
特定材料ならびに層の厚さの選択は、開始シートを単一軸方向の引張でひっぱるときに、荷重のほとんどが結合金属層によって生じるような選択であることが好ましい。結合金属層によって生じる荷重の百分率が、70％以上であれば更に好ましい。
金属箔は、別々の厚さにすることもできるし、別々の金属から構成することもできる。後に説明する理由により、缶の外面に対応する金属箔を缶の内面に対応するものよりも厚くしたり、缶の内面に対応する箔として耐食性が高い合金を選択し、缶の外面に対応する箔として機械的強度が高い合金を選択することができる。
ポリマ中央層と箔すなわち金属箔の間に厚さ１〜20ミクロンの適当な接着層を介在させることが可能で、この接着層の厚さはポリマＰの総圧に含まれる。
ポリマと金属の間に介在される接着剤は、例えばポリエチレンまたはエポキシ、或いは、エチレン酸（マレイン酸、クロトン酸等）によって従来様式で変化させられたポリオレフィン、アクリル酸エチレン（EAA）、ポリエステルまたは前述ポリマに対応するモノマのコポリマ、といった、いずれか熱硬化性ポリマである。
中央ポリマ層への金属箔の接着は、明らかに金属−プラスチック構造体ならびにこれら構造体から作られる缶本体の重要特性である。接着性は、剥離強度によって測定されるが、これは所定幅の金属箔の帯を、そのポリマ支持体から剥離するのに必要な力のことであり、従って、単位長さ当たりの力である。絞り・しごき加工缶本体を製造するための構造体は0.4ニュートン／ミリメートルを越える剥離強度を有しているべきである。
金属−プラスチック構造体は、本発明の適用範囲から逸脱せずに、それ自体の片面または両面にワニスまたはポリマフイルムをコーティングできる。
本発明の別の目的は、特性が前述されている本体または形から始まって用意された、完成した缶に関するものである。缶本体から缶を制作するために、最初に壁の上部を剪断することによって所定の高さまで本体をトリミングし、その後に、上部をネッキングする。上縁部は、缶に充填した後に蓋をシーミングできるように、半径の小さなカーブに巻かれるべきである。なぜなら、この小半径に従って金属−プラスチック構造体を曲げる動作のときに、カーブの中央から遠い方すなわち拡張されている方の金属箔は最小半径点で破損するが、他方の金属箔は損傷しないままであったことが分かったからである。但し、この現象は、ここで説明すると長くなりすぎてしまう理由のために、ポリマ層の無い同厚の一様な金属では発生しない。この問題に直面し、発明者等はまず解決のための研究を行い、次いで、拡張状態での金属箔の破損は、充填およびシーミングがなされた缶の機械的強度には全く影響を及ぼさないという仮説を速やかに立てた。実際のところ、心配されるのは、２枚の金属箔のうちの一方が破損した巻きフランジを備えた缶が、蓋を分離しようとする内部圧力によって生じる引張応力に耐えられないのではないか、という点である。しかしながら、圧力が加えられたシリンダの軸方向の内部応力は、軸に垂直な方向のそれの約半分である。従って、軸に垂直な面で圧力に耐えるために、その二層の金属で、完成金属−プラスチック構造体に十分な金属が存在すれば、残りのそのままの状態の層に、軸方向の応力に耐えうる十分な金属が含まれていることになる。この仮説は計算によって立てられた。また、縁の総厚は、一般的に、壁の最も薄い部分よりも厚く、それによって安全性に余裕が生まれる。缶を強くするために、内側の箔よりも外側の箔を厚くし、強い合金を選択することも可能である。最後になるが、金属箔の破損部は、缶の最終ユーザが気付きさえしないような蓋の縁折返し蓋で覆われるので、缶の外観が影響を受けることはない。カーブ中央から遠い方の、従って拡張状態の金属箔が半径最小位置にて破損する上側巻き縁を有する、金属−プラスチック、金属−ポリマ−金属の缶完成品は、本発明の第二目的を構成する。
シーミングの技術の他に、ヒートシール、接着といった他の既知技術によって金属−プラスチック缶にカバーを取り付けることも相等しく可能である。
本発明は、次のステップを含むことを特徴とする、飲料のパッケージ用の絞り・しごき加工缶を制作するプロセスにも相等しく関わっている：
ａ）金属層と熱可塑性ポリマ層と第二金属層を順々に含み、各金属層とポリマ層の間に接着性のポリマ層を介在できる、金属−プラスチック構造体のストリップを準備すること。
ｂ）ストリップから円形ディスクを切り取ること。
ｃ）２回のパスのそれぞれは、母線が曲率半径５〜10ミリメートルでベースに結合される円形ベースを有する円筒状パンチを用いて行われることが好ましく、また、第二パスは水平に対する固定プラテンの入射角が10゜〜70゜で行われることが好ましい、連続する２パスでディスクを杯状体となるように絞り加工すること。
ｄ）キャリブレーションと呼ばれる最初のもので壁の厚さを２〜25％まで減らす４個の一連のしごき加工用リングによって得られことが好ましい、杯状体の壁をしごき加工すること。
本発明のステップａの金属−プラスチック構造体目標は、種々の周知方法によって準備される。最も広く使用されているのは、直接共押出し、熱シーリング、および高周波接着である。最後の二方法は、プラスチックフイルムと金属ストリップが連続的に送られるラインで実践されることが好ましい。
直接共押出しは、切れ目なく広げられて、外側層を構成する２枚の金属層間に、両側に２枚の接着剤の薄層が施される中央ポリマ層を押し出すことである。このようにして得られた複合製品は、ローラの間を通されて異なる層間が付着される。この技術は、熱可塑性接着剤の場合にのみ適用されることは明らかである。
熱接着は、両面に接着層、ここではやはり熱可塑性物質、がコーティングされた中央層またはポリマを含むポリマの複合ストリップから開始して、このストリップを２枚の金属箔の間に導入することである。熱接着は、こうして得られた複合製品を、ポリマコアと金属箔の間の接着を保証するように十分に接着層を溶融または少なくとも軟化するのに足りる温度ま加熱された２本の間を通すことによってよって保証される。
最後に、高周波による接着は、周知方法により２枚の金属箔の内面に熱硬化性接着剤をコーティングし、ローラの助けをかりて、一方の側と他方の側からこれらの箔を中央ポリマ層に貼付けることである。
缶の成形は、一般的に、図１に表されるような装置を利用して、連続的な１回または複数回の絞り加工パスから成るステップｃに関わる。特定ケースのMPMタイプの金属−プラスチック構造体に動作条件に合わせるために、発明者等は、クラックや皺や剥離を生ずることのなく確実に構造体を絞り加工するときに一緒に作用する、或る特定なパンチベース形状と、ダイプレート全体形状を、優先させることにした。
概ね回転シリンダの形状をなすパンチは、本発明の好適方法のいずれかにより、半径５〜10mmの円弧によってパンチのベースにその母線が結合される軸方向断面を提示する。この結合は、パンチの回転軸にその中央がくる第二円弧の部分から見て、直接にまたは仲介材によりパンチのベースに施される。図5aと5bは、前述の２種類の変更態様を示すものである。
図5aは最もシンプルな形状の実施例である。パンチ９は、軸を徹断面で示されており、軸10の周りを回転するシリンダの形状となっている。母線11は、５〜10mmの範囲内にある（例えば直径85mmのパンチの場合は8mm）半径R1の円弧によってベースに結合されている。この円弧は、円環面の部分の回転によって生じる。
図5bに、もう少し複雑な発展形状を示す。母線は、中心がパンチの軸に合っている第二円弧に正接される５〜10mmの半径R1の第一円弧14によってベースに結合されている。円弧部（15）は球状のドームを生じ、円弧（14）は円環面の一部を形成する。一例として、R1は約6mmで、R2は約250mmにすることができる。
前述のパンチの特定形状と共働する、本発明の他の好適方法は、詳しく言うと、第二絞りパスで利用されるダイプレートの入口の形状である。通常、絞り用のダイプレートは、前述のように平坦な円形ディスクから開始する第一絞りパスを示す図1aに概略図示されているような形状を有している。図６に、開始材料がディスクではなく、第一パスのときに既に引き延ばされた形状である、本発明による後続絞りパスを示す。杯状体（24）は、絞りプロセスの途中であり、上部（25）に一致するその初期直径は、プロセス中に、パンチ（27）とダイプレート（28）の間に空間で定められる最終径（26）に向かって小さくなっている。これにつれて、壁の高さは、一般的な言葉の意味でいうアイロン掛けすることなく即ち、厚さが大幅に減ることなく高くなる。開始杯状体の内部に内部加圧プレート（29）が配置される。
発明者等は、パンチの軸に垂直な水平面と共に差込コーンの母線が形成される角度が、MPMタイプの金属−プラスチック構造体を絞り加工するのに臨海的な角度であることを発見した。この角度は10゜〜70゜、好ましくは約60゜であるべきである。
缶の成形は、対応して壁を薄くすることにより壁を伸張させるしごき加工工程である。この工程は、図２に概略的に示されている。
出願人は、クラックや剥離のような欠陥を生じることなく、MPMディスクから絞り加工された杯状体の壁を、好ましくは特に欧州特許出願第EP0402006号で一般的に実践されている３回のパスではなくて、４回の連続しごき加工パスで処理されることによって、しごき加工できることを発見した。更に好適には、これらの連続パスの最初のものは、厚さの割合を２〜25％に減らすシンプルなキャリブレーションパスにする。
本発明の種々のステップである特定のケースに関する、説明の後の例。
例１
厚さ300ミクロンのポリプロピレンのストリップは、その両側に、マイレン酸改質ポリプロピレンフィルムから成る厚さ10ミクロンの接着剤をコーティングされている。２枚の接着材フィルムは、２本のロールの間を通すことによって常温でフィルムに付けられている。こうして得られた複合ストリップは、それぞれボビンから巻き出されて、接着剤が溶けるように200℃の温度でオーブンを通して予熱処理が施された、厚さ100ミクロンのアルミニウム合金3003、「アルミニウム協会」の規格によるマンガン合金の２枚の箔の間に連続的に導入される。こうして得られたMPM構造体は、次に、約4000Kpaの圧力を加えるローラの間を通される。この構造体から開始して、直径140mmの円形ディスクが切り取られる。これらのディスクは、次に、図5aに示されたものに類似のR1＝8mmのパンチの助けを得て、連続する２回のパスで絞り加工されている。第二絞り加工パスでは、角度αが60゜のダイプレートが使用されている。第一パスにより、外径86mm、高さ35mmの杯状体が得られる。第二パスにより、外径67mm、高さ56mmの杯状体が得られる。パンチによって動かされる円筒形の杯状体は、最後に、順次直径が小さくなる一連の４個のリングを含むツールを通され、直径66mmで高さ130mmの飲料用缶の杯状体が得られる。それぞれの壁厚減少を初期厚に対する百分率で表すと、20％、50％、52％、57％になる。これらの杯状体を注意深く検査したが、金属またはプラスチックのクラックの兆候は認められなかった。金属とプラスチックの間の剥離も観察されなかった。
例２
複合MPMストリップは、例１と同じ3003合金で、厚さが80ミクロンの２枚の箔の間に、厚さ250ミクロンのポリプロピレンと、その両側の厚さ10ミクロンのマレイン酸改質ポリプロピレンの接着材層から成るコアを共押出しすることによって作成される。接着は、4000Kpaの圧力を加えながら200℃に加熱した２本のローラの間を通すことによって達成されている。既に例１と同じ条件下で軟種類かの飲料用ボトル杯状体を製造した。これらの杯状体を検査したが、金属またはプラスチックのクラックは全く認められなかった。また、金属とプラスチックの間の剥離も観察されなかった。
例３
MPM複合ストリップは、同一条件下で、例２と同じ成分を利用して共押出しされたが、コアにこれと同じMPM構造体から制作された缶から回収されたポリプロピレンを使用して作成された。使用済みの缶からのポリプロピレンの回収では、ポリマから接着剤を分離できなかったが、得られた構造体は優れた品質で、クラックも剥離も認められなかった。例１と同じ条件下で飲料用缶杯状体を製造した。これら杯状体を検査したが、金属またはプラスチックのクラックは全く認められなかった。金属とプラスチックの間の剥離も観察されなかった。
例４
図２のものと同じ工程条件下で、厚さ80ミクロンの3003合金箔、厚さ10ミクロンのアモルファス・ポリエチレン・テレフタレートの接着剤層、厚さ200ミクロンのポリエチレン・テレフタレート層、厚さ10ミクロンの別のアモルファス・ポリエチレン・テレフタレート層、最後に厚さ80ミクロンの別の3003合金箔の順から成るMPM構造体を制作した。これらの杯状体を検査したが、金属またはプラスチックのクラックは全く認められなかった。また、金属とプラスチックの間の剥離は観察されなかった。
例５
例５は、使用するポリエチレン・テレフタレートが使用済みのプラスチックボトルから回収されたものである点が比較相違点である、例４と同じ杯状体の制作に関するものである。洗浄および乾燥後、これらのボトルは粉にされ、押出成形機のフィードホッパに投入された。構造体にも、絞り・しごき加工によって得られた杯状体にも、品質上の問題は観察されなかった。 Background of the Invention
The present invention generally relates to making cans and aerosol containers used for packaging beverages or foodstuffs by squeezing and ironing. More precisely, the invention relates to a new and improved metal-plastic laminate of the metal-polymer-metal type, i.e. of the type in which a polymer layer is placed between two metal sheets and adhered thereto. It relates to a structure.
Hereinafter, in order to identify this new and improved laminate material of the present invention, metal-plastic-metal, metal-polymer-metal, or more simplyMPMUse the abbreviation
There are a number of documents describing layered metal-plastic structures. Most of these are metal-polymer orPolymerA metal-polymer structure, where the metal-polymer-metal structure is unusual.
None of these documents mentioning an MPM structure teaches a suitable range of materials and thicknesses particularly suitable for making drawn or ironed beverage or food cans.
WO 82/00020, published Jan. 7, 1982, for the purpose of explanation, describes in its simplest form a metal-plastic comprising a polyethylene (PE) film attached to a metal foil or plate. Describes the structure. Another embodiment includes two PE films attached to both sides of a single metal plate to form a complex PE-metal-PE. Finally, the third embodiment consists of two metal plates or foils attached to both sides of the PE film. The PE used, obtained by copolymerization under low pressure ethylene and butene-1, is of the linear low density type (LLDPE) with a density of 0.91 to 0.94. The LLDPPE described in this application has the interesting property that it adheres directly to metals without the need for adhesives. By applying heat and pressure at the same time (heat sealing), it is just enough to attach it to the metal.
The metal substrates described in this application include steel, steel with a tin or chromium or chromium / oxide or zinc coating, aluminum, copper or zinc with or without nickel treatment. It may have undergone a chemical conversion treatment.
Although there is no clear teaching as to the intended absolute or relative example of a simple metal-plastic structure, this publication does not cover 210 micron thick steel, tinned steel, chromium-chromium oxide, or aluminum. FIG. 2 illustrates various types of polyethylene films 100 microns thick, which are heat sealed to various metal plates. The specimen thus obtained is formed into a hollow article by pleating, punching, drawing and wall ironing. The adhesion of the coatings was compared, demonstrating the superiority of linear low density polyethylene (LLDPE).
French patent FR 2 665 887 (Petini Embarezi Alimentair) discloses a drawing, drawing, characterized by being composed of two layers of aluminum joined together by an adhesive layer having a Shore hardness of less than 80 -Describes a capsule that attaches to a cork made by ironing or flow turn. The adhesive layer can be composed of ethylene acrylic acid or polyethylene, or polypropylene modified with acid functionality. The total thickness of the composite is 120-400 microns and has the following total thickness composition ratio:
Aluminum outer layer 20-50%
Adhesive layer 3-30%
Aluminum inner layer 40-60%
European Patent Application EP-A-0 046 444, assigned to Schwezerische Aluminum AG, describes an MPM composite laminate in which the plastic layer can be as thick as the combination of the two metal layers. ing.
One of the assertion requirements for achieving deep drawability is that when the composite is stretched, the load produced by the plastic core is greater than that produced by the respective metal strip, with the plastic core layer and the metal surface layer having a greater load. Is to choose. This condition is achieved by utilizing an oriented or stretched plastic layer. It is also stated that thin strips of soft or semi-hard aluminum are particularly suitable. Although drawing and ironing is not taught as a suitable process, there are teachings of deep drawing by elongation as well as deep drawing, which is a convenient process for such semi-rigid containers.
A similar MPM construction method is described in European patent application EP-A-0 034 781 assigned to BASF Aktiengesellschaft. The inventors of this application roll the plastic film before bonding it to the metal foil to provide plastic ductility properties close to the selected metal.
Metal-plastic-metal structure laminates that can be formed into various useful articles are described in EP-A-0134958, assigned to the Dow Chemical Company. The present invention provides a laminate capable of withstanding at least a predetermined level of tensile formability as measured by standard laboratory tests, the ability to bend to a given steep radius without metal failure, and a predetermined level of thermal stability. Are defined in detail.
This patent specification does not describe the criteria for the shape to be drawn or drawn and ironed, nor the ability of these laminated structures to be formed by drawing or by drawing and ironing. The described laboratory test is a form of a biaxial tensile test in which the material is uniformly stretched while maintaining a fixed outer edge to thin the material. Such stretch forming processes have traditionally been utilized in forming shallow articles, such as automotive panels, but have not been used to make food or beverage cans. Conventional drawing processes, such as those utilized in the initial steps of making food cans and beverage cans, flow material from the outer edges with little or no thickness reduction.
U.S. Pat. No. 3,298,559, assigned to the Continental Can Company, describes a laminated metal-plastic container that is cold drawn in a conventional mold, such as a cake pan. Some of the metal-plastic containers described are of the MPM type. Although a wide range of metal and plastic thicknesses are claimed, there is no teaching as to the importance of these thickness percentages. The ratio of plastic to total metal thickness in these examples dealing with MPM structures is 5-9.%It is. The metal layer in this MPM example is described as being extremely soft or zero tempered. There is no indication that such containers can be formed by a drawing and ironing process, or that drawn containers suitable for food cans can be made.
Presentation tasks
The problem presented to the inventors was to improve cans for gaseous beverages. Generally, this can has a cylindrical shape with a capacity of about 33 centimeters. The can is coated on the inside with a food-approved varnish and on the outside with one or more decorative layers indicating the nature of the product and the name of the manufacturer. Is sealed by an easy-open lid. The most frequently used forming process for these cans is the drawing and ironing process. This process allowed for a very fast production cycle, which allowed this type of can to become exceptionally global.
This process, known to those skilled in the art, includes, as the name implies, a first series of one or more drawing operations and a second series of one or more ironing operations. Start with a flat circular disc of steel or aluminum alloy approximately 300 microns thick. This disc is first drawn with the help of the apparatus shown in FIG. 1a to form an initial shallow cup. The initially flat disk (1) is shown here in deformation. It is pressed between the fixed deformation die plate (2) and the pressure plate (3). The lowering of the punch (4) actuated by the piston results in a cup formation which is virtually free of thickness reduction. The cup is then formed by the second squeezing pass (of FIG. 1b), where the designated number corresponds to the same component in FIG.
Thereafter, the sides of the cup are ironed with the aid of a series of ironing rings, generally designated by the numeral 3, of decreasing inner diameter. FIG. 2 shows one of these ironing rings and explains its function. The cup (5) is fitted with a slight play to the punch (6), the punch (6) replacing the cup (5) with a ring (7) whose inside diameter is smaller than the outside diameter of the cup. Pass inside. This makes the wall thinner and correspondingly stretched. The size of this stretching or ironing is governed by the difference between the outside diameter of the cup and the inside diameter of the ring. Regarding the deformation capacity of the cup-shaped body that could not reach the final height of the can in one ironing pass, as described above, the three cup-shaped bodies passed one after another with the same punch stroke. It is useful to arrange the ring of the.
Among the cost factors of beverage cans made by the process discussed above, the cost of metal, despite its light weight, constitutes an overwhelming part. Researchers came to the idea of replacing plastic, an economic material, with some metal.
Substituting plastic for metal faces some structural problems, as the elastic modulus of metal as well as the elastic limit of most plastic materials is much smaller than that of metal. In addition to these structural issues, there were process issues related to the fact that metal cans are generally made under conditions that are significantly different from those used for molding plastics. For example, metal containers are usually made at room temperature or medium temperature at high speed, whereas the behavior of plastic was such that plastic containers are usually made at low speed and high temperature.
The aforementioned investigators have shown that a plastic layer adhered to a metal foil, as detailed in WO 82/00020, can be formed by simple modifications of the conventional metal forming process. This is due to the fact that the behavior of the metal-plastic structure during molding is controlled by a thicker metal than plastic, and the stresses created in the thin plastic layer are easily transferred to the metal foil as a result of its good adhesion. Can be explained by the fact that
This limitation on relatively thin plastic layers was not a problem in the previous studies, since the role of plastic is generally to protect metals from corrosion, and relatively thin plastic layers satisfy this protection. .
WO 82/00020 even states that if desired, the laminate may be made of sheet metal or foil bonded to both sides of the polyethylene film, but thicker plastic layers are desired or such It does not show that it is possible with the MPM structure. When making a pair of MPM structures using a 100 micron plastic film and two 210 micron metal foils as described in this patent specification, the thickness ratio of the plastic core to the total metal thickness is less than 0.24. Become. As will be shown, this low ratio is below what is needed for the desired cost savings.
In addition to using a plastic layer as thin as metal dominates during molding, the researchers mentioned above use two methods. The first, described in French Patent FR 1414475 and US Pat. No. 4,390,489, is to carry out molding starting from heated materials utilized in conventional plastic processes such as thermoforming. .
The second method is to use a metal-plastic structure in which each material is selected such that the plastic core dominates the molding and the deformation of the aluminum follows the deformation of the plastic. In the above-mentioned EP-A-O 046 444, this condition is specified for the load generated by the plastic core which is larger than the load generated by each metal strip. This is achieved through the use of soft or semi-rigid aluminum strips and the use of stretched or stretched plastic layers.
In EP-A-P 034 781, we cold stretch a plastic film in order to make the plastic film more dominant compared to a given metal foil. This allows them to use somewhat stronger metal foil. Although the inventors have not stated their conclusions on the proportion of the load caused by the metal, each of the examples illustrated under the assumption that the final metal stress is equal to that of the metal foil in its own test. The percentage of the layered structure can be easily calculated. From this calculation, it can be seen that the tensile load of the structure using the cold rolled film is only 46.4%, and that of the comparative sample using the same thick plastic film without cold rolling is 20.8%. Again, no mention is made of the drawn and ironed container nor the ability of the layered structure to successfully undergo the wall ironing process.
In U.S. Pat.No. 3,298,559, the inventors applied stretching, such as cold rolling, to each of the given MPM examples, rather than plastic, and the aluminum foil was also characterized as being extremely soft or zero-tempered. . The ratio of plastic thickness to total metal thickness should be at least 5 to 1 in each MPM example.%It is. The inventors do not state the percentage of the load occupied by the metal and do not provide any mechanical data that can be used to calculate it, but from the combination of very soft aluminum and the high thickness ratio of plastic-metal, plastic It can be seen that the layers dominate the molding process.
As shown below, the use of a plastic layer that is very thin compared to the soft alloy or layer metal thickness can reduce the material of the container that must withstand significant mechanical loads, such as internal pressure, for some time. Significantly reduce costsWhenDoes not meet the purpose of the present inventors.
The present inventors have found that stretched plastic cores are more stretchable in terms of their ability to withstand deep drawing, and more particularly, the subsequent ironing steps required for drawn and ironed beverages and food cans. It has also been found that an unfilled plastic core layer is preferred.
In order to achieve the object of the present invention of reducing the thickness and therefore the cost of the metal used, the inventors have stated that the plastic layer should be placed between two metal layers, It has been discovered that the layers must be thicker than can be achieved with containers made of metal-plastic construction. Other types of mechanical structures are well known that utilize low cost or low density materials as a central layer disposed between two outer layers made of a stronger and more rigid material. Such "sandwich" constructions are known to achieve near the bending stiffness of a single layer more rigid material of the same thickness as the total thickness of the sandwich.
Although the center material has low bending resistance,, Structure bendingresistance ToIt does, but only marginally, to the tensile resistance of the sandwich. This limits the possibility of reducing the total thickness of the two outer metal layers. The tensile resistance of a structure with relatively thin metal walls, such as a container, is called membrane strength.
The inventors have found that the pressure at which the bottom of a rigid container, such as one between gas-filled beverages, starts to change from concave to convex when viewed from the outside depends on a complex function of bending stiffness and membrane strength. Was found. This pressure is commonly called the bottom buckling pressure. The type of function of the two resistances depends on the exact shape of the concave dome and the shape of the bottom connecting the dome to the bottom of the container wall.
The bottom buckling pressure (F), for a single layer metal, can be expressed as a function of thickness by the following formula:
P = keⁿ
Where k is a proportionality constant depending on the material, e is the thickness of the material, and n is an index varying between 1 and 2 depending on the shape of the bottom. This means that if the index n is close to 1, the buckling pressure is sensitive to film strength, and if the index n is close to 2, the buckling pressure is sensitive to bending stiffness. For the bottom of most beverage cans, the index is between 1.2 and 1.9. The closer the index is to 2, the thinner the plastic required for any given thickness of the outer metal layer.
FIG. 3 shows the total thickness em of the two metal layers to achieve the same buckling pressure as the entire metal structure with a thickness of 330 microns.in the case ofRequired plastic thickness epShow. As can be observed for the different curves, the thickness of the plastic is much more pronounced for the index n = 1.7, where bending stiffness is most critical, than for index n = 1.2, where film strength is most critical. No need.
Also, in this FIG. 3 there is a series of plastic thicknesses ep and the corresponding total thickness em of the two metal layers for any bottom configuration and therefore for any value n, which are It can also be seen that it gives buckling strength. For example, for a configuration with an index of 1.5, every allowed combination corresponds to the abscissa and ordinate of each point of the curve indicated by 1.5.
In general, the points on the left of each curve represent the most economical construction because the points on the left of each curve contain less high metal and more cheap plastic.
It should also be noted that the ratio of plastic thickness to total metal thickness at these points is higher than realized in the prior art.
Containers starting from MPM construction using traditional metal forming processes such as drawing and ironingProductionWas thought to be quite difficult with structures composed of less metal and more plastic. One of the reasons for this expectation is that the MPM structure is subject to tensile stress during drawing as much as ironing, and the existing technology does not allow the MPM structure to be stretched until it breaks. It was thought to be the same as that of the metal structure. At this tension, as a result of its low module, the plastic material will support a minor part of the tensile stresses induced by drawing and ironing. To test the widely accepted predictions of elongation to failure, we determined that for some constructions, each layer of the outer aluminum alloy had a constant thickness of 100 microns, while varying the plastic thickness. , A uniaxial tensile test.
The inventors were surprised to observe that, as shown in FIG. 4, the thickness of the plastic increased with stretching to failure, resulting in a plastic close to 300 microns. This corresponds to a P / (Mi + Me) of 1.5.
An explanation for this surprising increase in elongation to failure is not entirely clear, but examination of the specimen after failure has diffused stress concentrations due to the onset of necking in any of the outer metal layers. It turned out to be about the plastic's ability to do so. The plastic disperses the stress on the surface of the opposing outer layer, thereby preventing the necking of the first outer layer from breaking. If the plastic layer is thicker than optimal, the plastic seems to be able to transfer only a small amount of concentrated stress to the opposing outer layer, and necking proceeds continuously with the two metal layers.
The increased toughness of MPM structures, characterized by stretching to failure, has enabled MPM structures with much higher relative plastic thicknesses than previously achieved to be successfully drawn and ironed. As mentioned above, the economic balance of any bottom buckling pressure is more favorable for such thick plastics.
Utilizing the same tension sample data used to create FIG. 4, where the thickness of each metal foil is 100 microns and the tensile failure strength of the aluminum alloy 3003 is 239 MP, the inventors, The portion of the total load caused by the metal foil was calculated. The percentage varied from 99% for a 55 micron thick core to 82% for a 420 micron thick core.
Summary of the Invention
For these and other objects, the present invention provides an unprecedentedly superior metal-polymer-metal laminate and structure useful for forming can bodies and cans. The nature and thickness of the layers of the laminate will provide the required mechanical properties of the intended metal can, in particular the packaging of gaseous beverages or foodstuffs, and even the means of forming by drawing and ironing. Specially configured for
The present invention relates to a metal can for packaging food or drinking water by drawing and ironing a metal-plastic structure of the MPM type.ProductionAre included equally for purposes.
[Brief description of the drawings]
1a and 1b schematically show a two-pass drawing of a circular disc according to the prior art;
FIG. 2 shows the ironing of the wall of the drawn cup to form the cup into a can;
FIG. 3 shows the contour line of the bottom buckling thickness P, the total thickness of the metal em on the horizontal axis, and the thickness of the intermediate polymer layer ep on the ordinate;
FIG. 4 shows the variation in elongation to failure of an MPM structure with a thickness of 100 microns for each outer metal foil as a function of the thickness of the central polymer layer,
5a and 5b show two preferred embodiments of the base of the punch according to the invention,
FIG. 6 shows a second pass mold part of the drawing process according to the present invention.
Description of the preferred embodiment
The can body comprises a bottom surface and a wall whose generatrix is substantially perpendicular to the bottom surface of a metal-polymer-metal metal-plastic structure of the type specifically intended to contain a beverage. The purpose of the invention is to provide a metal-plastic structure comprising a thermoplastic central layer of thickness P coated on the inner and outer surfaces with metal foils of respective thicknesses Mi and Me, wherein the ratio P / (Mi + Me) Larger than 0.5, the body is drawn and ironedProductionThe can wall is the can bodyof From the bottomIt is characterized by being made thinner.
Of the problem expanded abovethe sameAfter the description, this ratio P / (Mi + Me) is preferably between 0.7 and 2.5, more preferably between 1 and 2.
In an advantageous method for realizing a metal-plastic structure, the thickness of the central polymer layer before ironing is 100-500 microns, and the thickness of each metal foil before ironing is 25-150 microns. These thicknesses are clearly thinner than the body wall after being thinned. In a further advantageous way, this plastic layer is applied to the plastic film.Type MoldingAnd essentially no stretching other than the attendant stretching that normally occurs during blow molding.
The polymer that makes up the center layer isPlastic materialOne of the following is selected:
Polypropylene, high and low density polyethylene, polyester, polyamide, and polymer are not in contact with foodstuffs or beverages contained in containers, and it is possible to use recovered polymer, which is recommended Note that Trials were performed with the recovered polyester and polypropylene, and completely satisfactory results were obtained.
The metal is preferably any of steel, tinned or unplated, chromium, zinc or nickel coated, chromium-chromium oxide, aluminum or aluminum alloy, or aluminum alloy . More preferably, the breaking strength of the metal foil in the single test and in the tensile test exceeds 185 MPa.
The selection of the specific material as well as the layer thickness is such that when the starting sheet is pulled in uniaxial tension, most of the load is caused by the bonding metal layerThatpreferable. More preferably, the percentage of the load generated by the bonding metal layer is 70% or more.
The metal foils can be of different thicknesses or can be composed of different metals. For reasons explained later, make the metal foil corresponding to the outer surface of the can thicker than that corresponding to the inner surface of the can, or select an alloy with high corrosion resistance as the foil corresponding to the inner surface of the can, corresponding to the outer surface of the canFoilAn alloy having high mechanical strength can be selected.
A suitable adhesive layer having a thickness of 1 to 20 microns can be interposed between the polymer center layer and the foil or metal foil, the thickness of which is included in the total pressure of the polymer P.
The adhesive interposed between the polymer and the metal can be, for example, polyethylene or epoxy, or a polyolefin, ethylene acrylate (EAA), polyester, or a polyester modified in a conventional manner with ethylene acid (maleic acid, crotonic acid, etc.). Any thermosetting polymer, such as a monomeric copolymer corresponding to the polymer.
Adhesion of the metal foil to the central polymer layer is clearly an important property of metal-plastic structures as well as can bodies made from these structures. Adhesion is measured by peel strength, which is the force required to peel a band of metal foil of a given width from its polymer support, and is therefore the force per unit length. . The structure for producing the drawn and ironed can body should have a peel strength of greater than 0.4 Newton / mm.
The metal-plastic structure can itself be coated with varnish or polymer film on one or both sides without departing from the scope of the present invention.
Another object of the present invention relates to a finished can, prepared with properties starting from the body or shape described above. To make a can from a can body, the body is first trimmed to a predetermined height by shearing the top of the wall, and then the top is necked. The upper edge should be wound into a small radius curve so that the lid can be seamed after filling the can. This is because, in the operation of bending the metal-plastic structure according to this small radius, the metal foil farther from the center of the curve, that is, the expanded metal foil is broken at the minimum radius point, while the other metal foil remains undamaged. It was because it turned out that it was. However, this phenomenon does not occur with a uniform metal of the same thickness without a polymer layer, for the reason that it will be too long to be described here. Faced with this problem, the inventors first studied for a solution, and then said that the breakage of the metal foil in the expanded state had no effect on the mechanical strength of the filled and seamed cans. I hypothesized quickly. In fact, the concern is that a can with a wound flange in which one of the two foils is broken cannot withstand the tensile stresses caused by the internal pressure trying to separate the lid. That is the point. However, a cylinder with pressureAxial directionIs about half of that in the direction perpendicular to the axis. Thus, if the two layers of metal have sufficient metal in the finished metal-plastic structure to withstand the pressure in a plane perpendicular to the axis, the remaining intact layers will be subjected to axial stresses. It will contain enough metal to withstand. This hypothesis is calculatedErect. Also, the overall thickness of the rim is generally thicker than the thinnest part of the wall, thereby providing safety margins. To make the can stronger, it is also possible to make the outer foil thicker than the inner foil and select a stronger alloy. Lastly, the metal foil breaks are covered with a lid fold-back lid that may not even be noticed by the end user of the can, so that the appearance of the can is not affected. A finished metal-plastic, metal-polymer-metal can having an upper winding edge far from the center of the curve, and thus the expanded metal foil breaks at a minimum radius, constitutes a second object of the invention. I do.
In addition to the seaming technique, it is equally possible to attach the cover to the metal-plastic can by other known techniques such as heat sealing, gluing.
The present invention equally relates to a process for making a squeezed and ironed can for beverage packaging, comprising the following steps:
a) Providing a strip of metal-plastic structure, which in turn comprises a metal layer, a thermoplastic polymer layer and a second metal layer, with an adhesive polymer layer interposed between each metal layer and the polymer layer.
b) Cutting a circular disc from the strip.
c) Each of the two passes is preferably performed using a cylindrical punch having a circular base whose generatrix is connected to the base with a radius of curvature of 5 to 10 mm, and the second pass is a fixed platen to horizontal. The drawing is preferably performed at an incident angle of 10 ° to 70 °, and the disk is drawn in two consecutive passes so as to be cup-shaped.
d) Ironing the cup wall, preferably obtained by a series of four ironing rings, reducing the wall thickness by 2-25% in the first, called calibration.
The metal-plastic structure target of step a of the present invention is prepared by various known methods. The most widely used are direct coextrusion, heat sealing, and high frequency bonding. The last two methods are preferably practiced on a line where the plastic film and the metal strip are fed continuously.
Direct coextrusion is the extrusion of a central polymer layer that is unbroken and spread between two metal layers that make up the outer layer, on each side of which two thin layers of adhesive are applied. The composite product thus obtained is passed between rollers and the different layers are deposited. Obviously, this technique only applies in the case of thermoplastic adhesives.
Thermal bonding is started from a central layer coated on both sides with an adhesive layer, here also a thermoplastic, or a composite strip of polymer containing polymer and introducing this strip between two metal foils. is there. Thermal bonding involves passing the composite product between two pieces heated to a temperature sufficient to melt or at least soften the adhesive layer to ensure adhesion between the polymer core and the metal foil. Guaranteed by.
Finally, high frequency bonding involves coating the inner surfaces of two metal foils with a thermosetting adhesive in a well-known manner and with the help of a roller these two sides from one side and the other.FoilTo the center polymer layer.
The shaping of the can generally involves a step c consisting of one or more successive drawing passes, utilizing an apparatus as represented in FIG. In order to adapt the operating conditions to a particular case of a MPM type metal-plastic structure, the inventors work together to ensure that the structure is drawn without cracks, wrinkles or delamination, or The specific punch base shape and the overall shape of the die plate are given priority.
The punch, generally in the form of a rotating cylinder, presents an axial cross-section, in which the generatrix is connected to the base of the punch by an arc of radius 5-10 mm, according to any of the preferred methods of the present invention. The connection is made to the base of the punch, either directly or by an intermediary, as viewed from the portion of the second arc centered on the axis of rotation of the punch. 5a and 5b illustrate the two variants described above.
FIG. 5a is an example of the simplest shape. The punch 9 is shown in a cross-section through its axis and is in the form of a cylinder that rotates around an axis 10. The bus bar 11 is connected to the base by an arc of radius R1 which is in the range of 5 to 10 mm (for example, 8 mm for an 85 mm diameter punch). This arc is generated by the rotation of the portion of the torus.
FIG. 5b shows a slightly more complex developed shape. The bus is joined to the base by a first arc 14 of radius R1 of 5-10 mm tangent to a second arc centered on the axis of the punchBeen Is. arcDepartment(15) results in a spherical dome and the arc (14) forms part of the toric surface. As an example, R1 can be about 6 mm and R2 can be about 250 mm.
Another preferred method of the present invention, which cooperates with the specific shape of the punch described above, is in particular the shape of the entrance of the die plate used in the second drawing pass. Typically, the die plate for drawing has a shape as schematically illustrated in FIG. 1a, showing a first drawing pass starting from a flat circular disc as described above. FIG. 6 shows a subsequent drawing pass according to the invention, in which the starting material is not a disk but has a shape that has already been stretched in the first pass. The cup (24) is in the middle of the drawing process and its initial diameter corresponding to the upper part (25) is the final diameter defined by the space between the punch (27) and the die plate (28) during the process. It becomes smaller toward (26). As a result, the height of the wall is increased without ironing in the general sense of the word, i.e. without significantly reducing the thickness. An internal pressure plate (29) is located inside the starting cup.
The inventors have found that the angle at which the bus bar of the plug-in cone is formed with a horizontal plane perpendicular to the axis of the punch is a critical angle for drawing metal-plastic structures of the MPM type. This angle should be between 10 ° and 70 °, preferably about 60 °.
Forming a can is an ironing process that stretches the wall by correspondingly thinning the wall. This step is schematically illustrated in FIG.
The Applicant has determined that the cup wall drawn from the MPM disc without defects such as cracks and delaminations may preferably be formed by the three times commonly practiced especially in European Patent Application EP0402006. It has been discovered that ironing can be performed by processing in four consecutive ironing passes, rather than in passes. More preferably, the first of these successive passes is a simple calibration pass that reduces the percentage of thickness to 2-25%.
FIG. 7 is an example following the description of a particular case, which is various steps of the invention.
Example 1
A 300 micron thick strip of polypropylene is coated on both sides with a 10 micron thick adhesive consisting of a maleic acid modified polypropylene film. Two adhesive films are applied to the film at room temperature by passing between two rolls. The composite strips thus obtained were each unwound from a bobbin and pre-heated through an oven at a temperature of 200 ° C. to melt the adhesive, a 100 micron thick aluminum alloy 3003, from the Aluminum Association. It is introduced continuously between two foils of manganese alloy according to the standard. The MPM structure thus obtained is then passed between rollers applying a pressure of about 4000 Kpa. Starting from this structure, a 140 mm diameter circular disc is cut out. These discs were then drawn in two consecutive passes with the help of a R1 = 8 mm punch similar to that shown in FIG. 5a. In the second drawing pass, a die plate having an angle α of 60 ° is used. The first pass yields a cup with an outer diameter of 86 mm and a height of 35 mm. The second pass results in a cup with an outer diameter of 67 mm and a height of 56 mm. The cylindrical cup driven by the punch is finally passed through a tool comprising a series of four rings of successively smaller diameter, resulting in a beverage can cup with a diameter of 66 mm and a height of 130 mm. . Each wall thickness reduction as a percentage of the initial thickness is 20%, 50%, 52%, and 57%. Upon careful examination of these cups, no signs of metal or plastic cracking were observed. No delamination between metal and plastic was observed.
Example 2
The composite MPM strip is the same 3003 alloy as in Example 1, with a bond between 250 micron thick polypropylene and 10 micron thick maleic acid modified polypropylene on both sides between two 80 micron thick foils. It is made by co-extruding a core consisting of a material layer. Bonding is achieved by passing between two rollers heated to 200 ° C. while applying a pressure of 4000 Kpa. A soft drink bottle cup was manufactured under the same conditions as in Example 1. Examination of these cups revealed no metal or plastic cracks. Also, no delamination between metal and plastic was observed.
Example 3
The MPM composite strip was co-extruded under the same conditions utilizing the same ingredients as in Example 2, but was made using polypropylene recovered from a can made from the same MPM structure as the core. . Recovery of the polypropylene from the used can failed to separate the adhesive from the polymer, but the resulting structure was of excellent quality with no cracks or delamination. A drink can cup was produced under the same conditions as in Example 1. Examination of these cups revealed no cracks in the metal or plastic. No delamination between metal and plastic was observed.
Example 4
Under the same process conditions as in FIG. 2, an 80 micron thick 3003 alloy foil, a 10 micron thick amorphous polyethylene terephthalate adhesive layer, a 200 micron thick polyethylene terephthalate layer, a 10 micron thick An MPM structure consisting of another amorphous polyethylene terephthalate layer, and finally another 803 micron thick 3003 alloy foil was created. Examination of these cups revealed no metal or plastic cracks. Also, no delamination between metal and plastic was observed.
Example 5
Example 5 relates to the production of the same cup as in Example 4, except that the polyethylene terephthalate used was recovered from a used plastic bottle. After washing and drying, the bottles were ground and placed in the feed hopper of the extruder. No quality problems were observed in the structure or in the cup obtained by drawing and ironing.

Claims

A drawn and ironed can with a bottom surface and upstanding sides having a laminated structure of the Mi-P-Me type, wherein Mi and Me are the inner and outer metal foil layers, respectively, and P is an essentially non-oriented polymer. It is a single layer, the thickness ratio P / (Mi + Me) exceeds 0.5, the thickness of the side is smaller than the thickness of the bottom, and on the bottom of the can body, the thickness of the polymer layer P is 100 and 500 microns, The said can body, wherein the thickness of each metal layer Mi and Me is 25 to 150 microns.

The can body according to claim 1, wherein the ratio P / (Mi + Me) is 0.7 to 2.5.

The can body according to claim 2, wherein the ratio P / (Mi + Me) is 1.0 to 2.0.

The can body according to claim 1, intended to contain a beverage.

The can body according to claim 1, wherein a peel strength of a metal layer formed on the plastic layer of the laminated structure is more than 0.4 N / mm.

Mi and Me are each a metal foil selected separately from steel, tin-plated steel, steel coated with chromium or zinc or nickel, aluminum coated with chromium-chromium oxide, and aluminum alloy. The can body according to claim 1, characterized in that:

The can body according to claim 5, wherein the metal foils Mi and Me are made of an aluminum alloy.

The can body of claim 1, wherein the polymer layer P comprises a thermoplastic polymer selected from the group consisting of polypropylene, high density polyethylene, low density polyethylene, polyester, and nylon.

2. The can body according to claim 1, wherein the polymer layer P contains a recovered polymer.

Selected from thermoset polymer adhesives based on polyurethane and epoxy adhesives, 1 to 20 microns thick sandwiched between the central polymer layer P and each metal foil layer Mi and Me, the thickness of which is The can body according to claim 1, further comprising an adhesive layer included in the total thickness of the can.

A polymer selected from the group consisting of polymers derived from ethylenically unsaturated carboxylic acids, copolymers derived from olefins and ethylenically unsaturated carboxylic polyurethanes, and polyesters, having a thickness of between 1 and 20 microns and a central polymer layer The can body according to claim 1, further comprising an adhesive layer sandwiched between P and each of the metal foil layers Mi and Me, the thickness of which is included in the total thickness of the polymer P.

The metal foil layers Mi and Me are characterized in that they are separate materials, such that Mi is a metal foil with excellent corrosion resistance and the outer foil layer Me has excellent mechanical strength. The can body according to range 1.

The can body according to claim 1, wherein the side surface portion includes an upper winding region in which the metal foil layer Mi spreads and is broken at a place where the radius of curvature is minimum.

The can body according to claim 1, wherein the metal foil Me forming the outer surface of the can body is thicker than the foil layer Mi forming the inside of the can body.

A method for reducing the metal content of a can body, wherein Mi and Me are inner and outer metal foil layers, respectively, P is a central polymer layer, and the thickness ratio P / (Mi + Me) exceeds 0.5 Providing a Mi-P-Me laminated sheet, cutting the disc from the sheet, drawing the disc in at least one drawing pass to form a cup, and at least one ironing Forming, in a pass, a can body comprising a drawn cup and an upright side having a bottom portion and an upright side portion having a smaller overall thickness than the bottom portion. .

16. The method according to claim 15, wherein the ratio P / (Mi + Me) is between 0.7 and 2.5.

16. The method according to claim 15, wherein the ratio P / (Mi + Me) is between 0.1 and 2.0.

16. The method according to claim 15, wherein the drawing step includes a plurality of drawing passes.

16. The method according to claim 15, wherein in the laminated sheet, the thickness of the polymer layer P is 100 to 500 microns and the thickness of each metal layer Mi and Me is 25 to 150 microns.

The laminated sheet Mi-P-Me has a thickness of 1 to 20 microns and is sandwiched between the central polymer layer P and each of the metal foil layers Mi and Me, and the thickness of the adhesive layer is included in the total thickness of the polymer P. 16. The method according to claim 15, further comprising:

16. The method of claim 15, wherein in the lamination, the polymer layer P is a thermoplastic polymer selected from the group consisting of polypropylene, high density polyethylene, low density polyethylene, polyester, and polyamide.

16. The method according to claim 15, wherein the adhesive is a thermoplastic polymer made from a polyurethane epoxy based adhesive.

The adhesive is a thermoplastic polymer selected from an ethylenically unsaturated carboxylic acid, an acid anhydride selected from polyethylene and polypropylene, a copolymer of olefin and acrylic acid, and a copolymer of polyester and polyester. The method of range 20.

16. The method according to claim 15, wherein each of the metal foils Mi and Me is a metal foil separately selected from steel, chromium or tin-plated steel, aluminum, and aluminum alloy foils.

16. The method according to claim 15, wherein the metal foil Me outside the side of the body is thinner than the foil layer Mi inside the side of the can body.

In the drawing step, at least two drawing passes are performed using a cylindrical punch with a circular bottom where the generatrix is mixed with the bottom with a radius of curvature of 5 to 10 mm, the second pass being horizontal with the die plate. The method according to claim 15, characterized in that the angle of incidence is between 10 ° and 70 °.

16. The method of claim 15, wherein in the drawn and ironed can body, the arc connects the generating line of the punch to the base merge of the second arc centered on the axis of the punch.

In the ironing step, ironing of the drawn cup is achieved with the help of four successive ironing rings, the first of which only calibrates the cup, i.e. 16. The method according to claim 15, characterized in that the wall thickness of the cup is reduced by only 2 to 25%.

The can body according to claim 1, wherein at least one of the metal foils Mi and Me is a foil of a substance having a tensile breaking strength of more than 185 MPa.

The can body according to claim 1, wherein at least one of the metal foils Mi and Me is a foil of a substance having a tensile breaking strength of more than 210 MPa.

2. The can body according to claim 1, wherein the polymer layer P is essentially non-oriented.