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Structures stratifiées orientées et leur utilisation.
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La présente invention est relative à une utilisation particulière des structures stratifiées faisant 1-objet du brevet principal.
En dépit de l'usage étendu du canton léger dans l'in- 5 dustrie de l'emballage, on a reconnu depuis longtemps certaines limitations à son utilité. Par exemple, les emballages en cardon léger sant affaiblis par l'humidité et ne sont par imperméables aux graisses et huiles. Par conséquent, quand on emballe certains types de nourritures et de cosmétiques, les emballges en carton ) léger nécessitent en général un second emballage pour l'article emballé pour préserver l'intégrité et l'apparence de 1'emballage.
D'autres caractéristiques physique du carton léger ont limité la forme de l'emballage et les types de traitement de surface que l'on peut utiliser sur les produits d'emballage en carton léger, parce que le carton léger ne peut pas être thermoformé ou profondément embouti.
Des tentatives antérieures pour surmonter ces limita- tions inhérentes ont impliqué le contre-collage de divers revête- ments imperméables à l'eau sur le carton léger, de façon à le ren- dre apte à résister à la graisse et à l'humidité. On a aussi collé le papier lui-même sur certains produits sous forme de mousse pour améliorer les qualités d'amortissement des produits d'emballage, comme on l'indique dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2.770.406. D'autres tentatives encore pour préparer des produits d'emballage économiques on porté sur des structures stratifiées à base de mousse,
comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique n 3.229.814. Les structures stratifiées préparées suivant ce dernier brevet sont constituées d'un sandwich formé d'une pellicule thermoplastique collée sur chacun des côtés d'une feuille de mousse à base de perles de polystyrène expansé. Bien que ces structures soient relativement imperméables à l'humidité et aux graisses, elles sont d'une applicabilité limitée par le fait qu'elles ne font pas preuve de l'intégrité structurelle nécessaire pour l'utilisation dans la fabrication des boîtes en carton léger.
La présente invention est relative à des boites pliantes thermcformées et à des ébauches de boîtes en carton léger qui font preuve d'une souplesse d'emploi unique dans le do- naine de l'emballage et une force structurelle inhabituelle. De façon spécifique, la présente invention est relative à des boites pliantes constituées essentiellement d'une structure stratifiée
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compreant :
(a) un noyau formé de mousse orientée à cellules fermées ayant un allongement inférieur à environ 50 % et consistant es- sentiellement en polymère de styrène présentant un module 5 de traction supérieur à 10.550 kg/cm2, et (b) une pellicule thermoplastique ayant un module de traction supérieur à 10.550 kg/cm2 et étant thermoformable à des température d'environ 50 à 230 C, collé sur chacune des faces du noyau, 0 la boite présentant au moins une face thermoformée de façon à s'é- certer du plan normal de la face, La' présente invention est, de plus, relative à des ébauches de boites en carton léger pour la fabrication-de ces boî- 'Les.
; Comme on l'indique plus haut, les mousses.qu'on peut utiliser pour les boites de laprésente invention 'présente un allongement inférieur à50% et de préférence inférieur à 8 %.On préfère spécialement les mousses de polystyrène ayant un allongement d'environ 2,5 à 8 %. Par al- longement. on entend l'extension linéaire de la mousse à la rupture.
) De plus, la mousse doit être préparée à partir d'un polymère ayant un module de traction supérieur à 10.550 kg/cm2 , déterminé par la méthode ASTM D 882-64T.
On peut préparer les mousses orientées à base de poly- mère de styrène à partir de polymères de styrène et de ses dérivés méthylés, par exemple, le poly(a-méthylstyrène), le poly(2,4-di- ' méthylstyrène), aussi bien qu'à partir de copolymères et de mélan- ges de styrènes, tels que le poly(styrène-butadiène), et le poly- (acrylonitrile-styrène). En général, pour la plupart des applications concernant l'emballage, la partie en mousse orientée de la structure stratifiée a une épaisseur d'environ 254 à 2540 microns et, de préférence, d'environ 305 à 965 microns.
Dans les formes de réalisation de la présente invention utilisant une mousse orientée à base de polystyrène, la mousse doit avoir un poids spécifique d'environ 8 à 320 kg/m3 et on a trouvé qu'un poids spécifique d'environ 80 à 160 kg/m3 est particulièrement bien adapté à l'utilisation dans les emballages. 'On peut préparer de telles mousses de polystyrène par des techniques bien connues du spécialiste, comme décrit en détail dans Plastics technology, août 1966, pages 41-44 et septembre 1966, 'pages 46-49. On peut ussi se procurer dans le commerce, chez Sinclair-Koppers, Pittsbugh, Pensyl-
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vania, et Plastics 'Systems'Incorporated, Carlstadt,.
New Jerséyi " des' mousses de polystyrène extrudées et.orientées convenant-pour l'utilisation dans le cadre do la présente invention.
Il est important pour les performances de' ces produits sous forme de boites que la mousse soit orientée par étirage,bi- axial d'environ 2 à 12 fois. A cause de l'utilisation étendue de l'extrusion tubulaire et de l'expansion dans la préparation de feuilles de crusse, qu'on a trouvé économiquenent désirable d'utiliser des frousses ayant été étirées environ 5 fois dans la direc-
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tion, transversale (?D;.et environ 3 à 12 fois dans la-direction machine (MD).
La pellicule contre-collée sur -le noyau de mousse dans les structures suivant la-présente invention doit être thermoformable à des températures d'environ 50 C à 230 C, et doit avoir
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un module de ,traction d'au -moins I0.55a k/cm2. On peut préparer ces pellicules à partir d'une grande variété de polymères compre- nant, par exemple, les homopolymères et les copolymres'de chloru-
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re de-polyvinyle orientés biaxialeroent au moint, 2 fois dans chacune des directions, le polypropylène, les polyesters, tels que le téréphtalate de polyéthylène, les polymères acrylonitril9/butadiHne/ styrùne, le polystyrène'et,les polystyrènes modifiés, par exemple 16 ;
...1 v( a-méthylstyrène) et le Foly(2,4-iir.thylstyrène), 'le"s poly- éthyiènes orientés, les polyericies, les polycarbon3tes et les .interpolymères acryliques modii($.: Les polymères et copolyméres d'éthy- ' I ène sent particulièren.ent utiles pour certaines utilisations r- quérant un produit de grande flexibilité et de toucher plus deux. ' Cependant, on préfère en général-utiliser des pellicules formées
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de chJ0ru:' de polyvinyle o:x# polypropylène dans les structures de la présente' invention, à cause de leurs excellentes thern::oformabiliez et défvrmah.lit . 0n grf3rs-grticzli::
e:ent u."e pellicule àe c:lari;:e de r-alyvirylt- non- F,lest,ifié, ces pellicules présentant en . général un module de tracticn de 23.200 à-2?tlCO kg/tm - Les cépo- . lymèrea de 'chlorure de polyvinylc qu'on peut utiliser 'cor-prennent ceux ayant une teneur de 6 à 8 je.- en polypropylène ou acétate.de vir-yle con-mf coTono.-,,ère.C,08 copolyné7res ont un odule de traction de 18300 à 21100 kg/cm. ' '
Pour que les produits stratifiée de la présente inven-
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tien soient pliables, on a trouvé que le poiarcenta6e 'd'alloo&ement des pellicules extérieures àleur.pointde rupture doit. être plus - '
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grand.que la fonction (), formule dans laquelle t représente
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3'épaisseur de la pellicule et R le rayon du pliage.
En général, les pellicules doivent avoir un allongement supérieur à environ
20 $.
L'allongement d'une pellicule particulière utilisée 5 est en général mesuré d'après le procédé ASTM-D882-méthode A.
On doit cependant noter que l'allongement de la pellicule'doit être mesuré au taux de tension qui se présente au cours d'une opération réelle de pliage, lequel peut excéder le taux de tension de 100 % par minute utilisé dans le test ASTM dont il est question plus ) haut. La force de liaison des produits stratifiés est un point important pour leur utilité commerciale et la force de la liaison pellicule-mousse doit être d'au moins 98,4 et, de préférence, de 118 g/cm linéaire. Une force de liaison inadéquate peut avoir pour résultat un travail de découpage, pliage et thermoformage non satisfaisant. De plus, une force de liaison réduite diminue l'utilité des produits stratifiés pour les boites à rabatsréutili- sables et réduit sensiblement leur résistance structurelle.
On peut préparer des produits stratifiés ayant la force de liaison requise par des techniques de liaison utilisant ou n'utilisant pas d'adhésif, comme on le discute en détail dans la demande de brevet belge déposée ce jour sous le N 80220.
On peut préparer les ébauches de boîtes en carton léger suivant la présente invention à partir des structures stratifiées à base de mousse par découpage et pliage au moyen d'appareilscomerciaux courants de formation de boites. Cependant, quand on plie avec un équipement à grande vitesse, il faut prendre soin de mettre en oeuvre des produits stratifiés possédant des pellicules externes ayant un pourcentage d'allongement correspondant aux exigences précédemment indiquées.
Une particularité importante des ébauches de boîtes en carton léger et des boites pliantes de la présente invention est qu'au moins une de leur face, comme défini par les plis, est thermoformée pour s'écarter du plan normal de la face. Cn peut aisément thermoformer les produits stratifiés à base de mousse utilisés dans la préparation des structures de la présente invention à des profondeurs de 7,6 om et plus, à des rapports de bosselure (diamè- tre/profondeur) d'environ 3/1 à 1/3. On peut thermoformer les produits stratifiée à base de mouses avant ou après découpage et pliage des ébauches, pour s'adapter aux besoins d'une opération particuliers de fabrication.
En général, cependant, on préfère que
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le thermoformage soit fait avant pliage, pour éviter une réexpan-- sion des zones pliées.
Les techniques de thermoformage applicables compren- nent celles généralement utilisées par les spécialistes, comme on ' le décrit par exemple dans Plastics Technology, novembre 1966 pages 54-58. Par exemple, on peut préchauffer les ébauches de boi- tes au moyen de dispositifs de chauffage infrarouge à une tempéra- ture de surface d'environ 120 C et à une température de noyau de 85'C. On peut ensuite forcer le produit stratifié dans un moule ou matrice'en s'aidant du vide et/ou de la pression. Suivant une autre possibilité, on peut thermoformer l'ébauche de boite en utilisant des rouleaux de bosselage. Quand on utilise des rouleaux de bosselage, on doit chauffer soit le rouleau, soit l'ébauche de boite, soit les deux avant formation.
On peut thermoformer les faces de l'ébauche de boîte vers l'extérieur ou vers l'intérieur par rapport à la boite formée et le thermoformage peut être présent sur n'importe laquelle et, de préférence, sur toutes les faces de la boîte. Le dessin ou les formes particulières thermoformées dans les faces ne sont pas critiques pour la présente invention et peuvent comprendre, par-exem- ple, divers motifs décoratifs aussi bien cue des formes fonctionelles conçues pour stabiliser l'article emballé dans la boîte pliée. D'autres formes thermoformées peuvent fournir des becs verseurs et- des poignées pour la boite.
Les formes thermoformées des ébauches de boites et des boîtes pliantes suivant la présente invention présente un eff et bénéfique surprenant sur la rigidité structurelle des boîtes pliantes. On a trouvé que n'importe quel motif, dessin''ou forme thermoformé dans la face de la boîte ou dans l'ébauche de boîte accroît la rigidité et la stabilité de la boîte. Bien qu'on n'ait pas tout à fait compris l'effet surprenant du thermoformage, on croit qu'il est le résultat,au moins en partie, d'un accroissement de l'épaisseur fonctionnelle des parois de la boîte, bien que l'épaisseur réelle des parois de la boîte soit uniforme pour toute la structure.
Ainsi, on présente des ébauches de boîtes et des boîtes pliables présentant une résistance, une stabilité et une intégrité structurelle de loin supérieures aux boîtes faites de produit the- moplastique plan .
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Oriented layered structures and their use.
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The present invention relates to a particular use of the laminated structures forming the subject of the main patent.
Despite the extensive use of the lightweight canton in the packaging industry, certain limitations to its utility have long been recognized. For example, lightweight cardboard packaging which is weakened by moisture and is not impermeable to fats and oils. Therefore, when packaging certain types of foods and cosmetics, lightweight cardboard packages generally require a second packaging for the packaged article to maintain the integrity and appearance of the package.
Other physical characteristics of lightweight board have limited the shape of the package and the types of surface treatments that can be used on lightweight board packaging products, because lightweight board cannot be thermoformed or otherwise. deeply stamped.
Previous attempts to overcome these inherent limitations have involved laminating various waterproof coatings to the lightweight board so as to make it able to resist grease and moisture. The paper itself has also been bonded to some foam products to improve the cushioning qualities of packaging products, as disclosed in US Pat. No. 2,770,406. Still other attempts to prepare economical packaging products have focused on laminate structures based on foam,
as described in US Pat. No. 3,229,814. The laminated structures prepared according to this latter patent consist of a sandwich formed of a thermoplastic film bonded to each side of a sheet of foam based on expanded polystyrene beads. Although these structures are relatively impervious to moisture and grease, they are of limited applicability in that they do not exhibit the structural integrity necessary for use in the manufacture of lightweight cardboard boxes. .
The present invention relates to thermally formed folding boxes and lightweight cardboard box blanks which exhibit flexibility unique in the packaging field and unusual structural strength. Specifically, the present invention relates to folding boxes consisting essentially of a laminated structure.
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understanding:
(a) a core formed of oriented closed cell foam having an elongation of less than about 50% and consisting essentially of a styrene polymer having a tensile modulus greater than 10,550 kg / cm2, and (b) a thermoplastic film having a tensile modulus greater than 10,550 kg / cm2 and being thermoformable at temperatures of about 50 to 230 C, glued to each of the faces of the core, 0 the box having at least one thermoformed face so as to be clear from the normal plane of the face. The present invention further relates to blanks of lightweight cardboard boxes for the manufacture of such boxes.
; As indicated above, the foams which can be used for the cans of the present invention exhibit an elongation of less than 50% and preferably less than 8%. Especially preferred are polystyrene foams having an elongation of about 2.5 to 8%. By lengthening. this is understood to mean the linear extension of the foam at break.
) In addition, the foam must be prepared from a polymer having a tensile modulus greater than 10,550 kg / cm2, determined by the method ASTM D 882-64T.
Oriented styrene polymer foams can be prepared from polymers of styrene and its methylated derivatives, for example, poly (α-methylstyrene), poly (2,4-dimethylstyrene), as well as from copolymers and mixtures of styrenes, such as poly (styrene-butadiene), and poly (acrylonitrile-styrene). In general, for most packaging applications, the oriented foam portion of the laminate structure has a thickness of about 254 to 2540 microns, and preferably about 305 to 965 microns.
In embodiments of the present invention using an oriented polystyrene foam, the foam should have a specific gravity of about 8 to 320 kg / m3 and it has been found that a specific weight of about 80 to 160 kg. / m3 is particularly well suited for use in packaging. Such polystyrene foams can be prepared by techniques well known to those skilled in the art, as described in detail in Plastics technology, August 1966, pages 41-44 and September 1966, pages 46-49. One can also obtain in the trade, at Sinclair-Koppers, Pittsbugh, Pensyl-
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vania, and Plastics' Systems'Incorporated, Carlstadt ,.
New Jersey "extruded and oriented polystyrene foams suitable for use in connection with the present invention.
It is important to the performance of these boxed products that the foam be stretch oriented, biaxially about 2 to 12 times. Because of the extensive use of tubular extrusion and expansion in the preparation of crustacean sheets, it has been found economically desirable to use choppers which have been stretched about 5 times in the direction.
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tion, transverse (? D;. and about 3 to 12 times in the machine-direction (MD).
The film laminated to the foam core in structures according to the present invention should be thermoformable at temperatures of about 50 C to 230 C, and should have
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a tensile modulus of at least I0.55a k / cm2. These films can be prepared from a wide variety of polymers including, for example, chloro homopolymers and copolymers.
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re-polyvinyl oriented biaxially at least, 2 times in each direction, polypropylene, polyesters, such as polyethylene terephthalate, acrylonitrile / butadiene / styrene polymers, polystyrene 'and, modified polystyrenes, for example 16;
... 1 v (α-methylstyrene) and poly (2,4-iir.thylstyrene), oriented polyethylenes, polyericies, polycarbons and modified acrylic interpolymers ($ .: Polymers and Ethylene copolymers are particularly useful for certain uses where a product of high flexibility and plus two feel. However, it is generally preferred to use formed films.
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of polyvinyl o: x # polypropylene in the structures of the present invention, because of their excellent thern :: oformabiliez and defvrmah.lit. 0n grf3rs-grticzli ::
e: ent u. "e film àe c: lari;: e de r-alyvirylt- non- F, ballast, ifié, these films generally having a tracticn modulus of 23,200 to -2? tlCO kg / tm - The Polyvinyl chloride cepolymerea which can be used cor-take those having a content of 6 to 8% polypropylene or vir-yl acetate con-mf coTono .- ,, era C, 08 copolyne7res have a traction odule of 18300 to 21100 kg / cm. ''
In order for the layered products of this invention to
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If they are pliable, it has been found that the allocation of outer films to their breaking point has been found. to be more - '
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large. that the function (), formula in which t represents
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3 the thickness of the film and R the radius of the fold.
In general, dandruff should have an elongation greater than about
$ 20.
The elongation of a particular film used is generally measured according to method ASTM-D882-method A.
It should be noted, however, that the elongation of the film should be measured at the rate of tension which occurs during an actual bending operation, which may exceed the rate of tension of 100% per minute used in the ASTM test of which it is more) above. The bond strength of laminated products is an important point for their commercial utility and the strength of the film-to-foam bond should be at least 98.4 and preferably 118 g / linear cm. Inadequate bond strength can result in unsatisfactory cutting, bending and thermoforming work. In addition, reduced bond strength decreases the utility of laminate products for reusable flap boxes and significantly reduces their structural strength.
Laminate products having the required bond strength can be prepared by bonding techniques using or not using adhesive, as discussed in detail in the Belgian patent application filed today under No. 80220.
The lightweight cardboard box blanks according to the present invention can be prepared from the laminate foam structures by cutting and folding using common commercial box forming apparatus. However, when bending with high speed equipment, care must be taken to use laminated products having outer films having an elongation percentage corresponding to the requirements previously stated.
An important feature of the lightweight cardboard box blanks and folding boxes of the present invention is that at least one of their face, as defined by the folds, is thermoformed to deviate from the normal plane of the face. The foam-based laminate products used in the preparation of the structures of the present invention can readily thermoform to depths of 7.6 µm and greater, at dent ratios (diameter / depth) of about 3/1. to 1/3. Laminate products based on mouses can be thermoformed before or after cutting and folding of the blanks, to suit the needs of a particular manufacturing operation.
In general, however, it is preferred that
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thermoforming is done before folding, to avoid re-expansion of the folded areas.
Applicable thermoforming techniques include those generally used by those skilled in the art, as described, for example, in Plastics Technology, November 1966, pages 54-58. For example, can blanks can be preheated by means of infrared heaters to a surface temperature of about 120 ° C and a core temperature of 85 ° C. The layered product can then be forced into a mold or die with the aid of vacuum and / or pressure. Alternatively, the box blank can be thermoformed using embossing rolls. When using embossing rolls, either the roll or the can blank or both must be heated before forming.
The faces of the box blank can be thermoformed outward or inward with respect to the formed box and the thermoforming can be present on any and preferably on all sides of the box. The design or particular shapes thermoformed into the faces are not critical to the present invention and may include, for example, various decorative patterns as well as functional shapes designed to stabilize the packaged article in the folded box. Other thermoformed shapes can provide spouts and handles for the box.
The thermoformed shapes of box blanks and folding boxes according to the present invention have a surprisingly beneficial effect on the structural rigidity of folding boxes. Any pattern, design, or thermoformed shape in the face of the box or in the box blank has been found to increase the rigidity and stability of the box. Although the surprising effect of thermoforming has not been fully understood, it is believed to be the result, at least in part, of an increase in the functional thickness of the walls of the can, although the actual thickness of the walls of the box is uniform for the whole structure.
Thus, box blanks and collapsible boxes are presented with far superior strength, stability and structural integrity than boxes made from flat thermoplastic.