Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Vorformlinge, die nach diesem Verfahren hergestellt sind.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, welches geeignet ist, dreischichtige Vorformlinge mit erhöhtem Rezyklat-Anteil herzustellen, und ermöglicht, Vorformlinge mit einem verbesserten Sauerstoff-Diffusions-Sperrverhalten herzustellen.
Mehrschichtige Vorformlinge sind seit längerem bekannt und finden ihre Verwendung u.a. in der Getränke-Industrie, welche aus diesen Vorformlingen vor Ort Kunststoff-Flaschen herstellt, in welche die jeweiligen Getränke abgefüllt werden. Vorzugsweise werden diese Getränkeflaschen aus PET gefertigt, obwohl diese auch aus anderen thermoplastischen Materialien, wie PEN, Polyamid, Polycarbonat etc., hergestellt werden könnten. Solche Fertigungsanlagen produzieren heute mittels sequentieller Einspritzung 48 dreilagige Vorformlinge pro Arbeitsgang bei einer Jahreskapazität von ca. 50 Millionen Stück.
Bei der Herstellung dieser Vorformlinge wird in die Form des Formwerkzeugs zunächst Neumaterial eingespritzt, anschliessend gereinigtes und aufbereitetes Rezyklat eingebracht und in einem dritten Herstellungsschritt wieder Neumaterial eingespritzt, um die Einspritzdüse von Rezyklat zu befreien. Dabei wird darauf geachtet, dass die Toleranz bei der Dosierung der einzelnen Einspritzmengen möglichst klein gehalten werden kann. Diese Dosierungspräzision ist eine Voraussetzung für die Herstellung von Getränkeflaschen mit einem hohen Rezyklat-Anteil, da das Rezyklat nicht direkt mit den abgefüllten Getränken in Berührung kommen darf. Dies legen gesetzliche Vorschriften fest.
Beim Streck-Blasen der Vorformlinge zu PET-Flaschen muss deshalb sichergestellt werden können, dass die innere Schicht aus Rezyklat überall durch eine Schicht aus Neumaterial bedeckt bleibt, was sowohl an die Konstruktion der Spritzgiess-Werkzeuge als auch an die Produktionsanlagen der Vorformlinge hohe Anforderungen stellt. Leider weisen die heute bekannten Spritzgiessmaschinen nicht die für die Produktion von PET-Vorformlingen mit hohem Rezyklat-Anteil benötigte hohe Dosierungspräzision auf. Wie die EP 0 655 306 bestätigt, weisen die heute verwendeten PET-Flaschen aus diesen Gründen in der Regel lediglich einen Rezyklat-Anteil von höchstens 25% auf.
Grundsätzlich wird jedoch aus Kosten- und Kostenstabilitätsgründen von der Getränkeindustrie ein höherer Rezyklat-Anteil angestrebt. Insbesondere kämen heute Mehrwegflaschen aus PET mit 35% Rezyklat den Kosten bei der \kobilanz für Einwegflaschen sehr nahe ("break-even-point"). Ein erhöhter Rezyklat-Anteil würde somit auch die Wirtschaftlichkeit der wieder verwendbaren PET-Flaschen erhöhen. Diese Wirtschaftlichkeit hängt wesentlich vom Preis für das neue PET-Granulat ab (zur Zeit Fr. 1.40/kg). Ist dieses Granulat billiger, lassen sich Einschicht-Vorformlinge aus 100% Neumaterial preiswerter herstellen; steigt jedoch der Preis über diese Schwelle, wären dreilagige Vorformlinge mit 35% und mehr Rezyklat-Anteil günstiger.
Ein hoher Rezyklat-Anteil führt auch zu einer besseren Preisstabilität, da die grossen Preisschwankungen des Neumaterials bei Vorformlingen mit rezykliertem PET nur noch anteilhaft zu Buche schlagen. Die Kosten für Hersteller und Abfüller lassen sich somit besser kalkulieren.
Es ist deshalb auch schon vorgeschlagen worden (Modern Plastics International, February 1997, Seite 29), für die Herstellung von PET-Vorformlingen ein Co-Extrusions-Blasform-Werkzeug zu verwenden und unabhängig voneinander hergestellte Produkt-Teile miteinander zu verbinden. Damit liessen sich PET-Flaschen mit bis zu 80% Rezyklat herstellen. Ein solches Verfahren erfordert jedoch zusätzliche Werkzeuge und erweist sich damit als aufwändig und kostenintensiv.
Es ist das Bestreben der Getränkeindustrie, ohne aufwändige technische Massnahmen gesetzeskonforme Formlinge mit hohem Rezyklat-Anteil zu schaffen.
Die sich daraus ergebende technische Aufgabe besteht somit darin, Vorformlinge mit äusserst dünnen Schichten aus Neumaterial und ohne aufwändige Konstruktionen herstellen zu können, um den Rezyklat-Anteil in diesen Vorformlingen erhöhen zu können.
Insbesondere sollen in einfacher Weise dreischichtige Vorformlinge geschaffen werden, welche entweder mindestens eine möglichst dünne Schicht oder einen Rezyklat-Anteil von mehr als 35% aufweisen.
Diese Aufgabe wird gemäss Anspruch 1 durch ein überraschend einfaches Verfahren zum Betrieb eines Mehrkomponenten-Spritzgiess-Formwerkzeugs gelöst und insbesondere dadurch, dass die Zufuhr der Komponenten A und B entgegen den herkömmlichen Anordnungen vertauscht ist und das Formwerkzeug derart betrieben wird, dass in einem ersten Zyklus-Schritt die Verschlussnadel in eine Position gebracht wird, bei welcher sowohl die innere Düsenkammer als auch die äussere Düsenkammer geöffnet sind, wobei die Förderung der B-Komponente durch die äussere Düsenkammer gestoppt ist und lediglich die A-Komponente durch die innere Düsenkammer in die Formkavität gespritzt wird.
So wird für die Herstellung von Vorformlingen mit hohem Rezyklat-Anteil die als erste Komponente einzuspritzende Komponente A (Neumaterial) zur Bildung der dünnen Aussenhaut durch die innere Düsenkammer geleitet, und wird die als weitere Komponente einzuspritzende Komponente B (Rezyklat) für die Bildung einer Füll- oder Sperrschicht über die äussere Düsenkammer geleitet. Beim Spritzen eines solchen dreischichtigen Vorformlings wird in einem ersten Zyklus-Schritt die Verschlussnadel in eine Position I gebracht, bei welcher sowohl die äussere Düsenkammer mit der B-Komponente als auch die innere Düsenkammer mit der A-Komponente geöffnet sind. Bei dieser Nadelposition ist die Förderung der B-Komponente unterbrochen und wird die A-Komponente in die Formkavität gespritzt.
In einem zweiten Zyklusschritt wird die Verschlussnadel in eine Position II gebracht, bei welcher die innere Düsenkammer verschlossen und die äussere Düsenkammer geöffnet ist. Bei dieser Nadelposition ist die Förderung der A-Komponente gestoppt und wird die B-Komponente in die Formkavität gespritzt. Für den nächsten Zyklusschritt, der so genannten Haltephase, bei welcher die durch die Abkühlung schrumpfende B-Komponente ergänzt wird, bleibt die Position der Verschlussnadel unverändert. Mit dem Abschluss der Haltephase wird die Verschlussnadel in ihre Schliessposition III gebracht, bei welcher sowohl die innere als auch die äussere Düsenkammer verschlossen sind.
Es erweist sich als unerwartet, dass der erste Schuss mit der A-Komponente beim nächsten Spritzzyklus frei von unerwünschtem B-Material ist. Dieser überraschende Effekt lässt sich durch die Vertauschung der Zufuhrkanäle erklären. Insbesondere wird durch die besondere Führung der einzelnen Komponenten, d.h. Führung der A-Komponente durch die etwas wärmere innere Düsenkammer, eine leichte Senkung der Viskosität der Komponente A (Neumaterial) erzielt. Gegenüber den mit herkömmlichen Spritzgiessverfahren hergestellten Vorformlingen, können mit dem erfindungsgemässen Verfahren Vorformlinge mit einer dünneren Aussenhaut (A-Komponente) gebildet werden, und kann durch das Nachfüllen der Formkavität mit B-Komponente während der Haltedruckphase der relative Anteil an Füllmaterial erhöht werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt darüber hinaus, Vorformlinge mit einer äusserst dünnen Sperrschicht (bspw. aus Nylon oder Ähnlichem) herzustellen. Diese Sperrschichten haben die Aufgabe, die Sauerstoffdurchlässigkeit der Formlinge (Flaschen) zu minimieren und sind verhältnismässig teuer. Zur erfindungsgemässen Erzeugung eines Vorformlings mit einer dünnen Sperrschicht werden wiederum die Zufuhrkanäle entgegen den herkömmlichen Anordnungen vertauscht und wird das zur Bildung der dünnen Sperrschicht einzuspritzende Sperrmaterial durch die äussere Düsenkammer geleitet und wird der als Füllkomponente einzuspritzende Kunststoff durch die innere Düsenkammer geführt.
Beim Spritzen eines solchen Vorformlings wird wiederum in einem ersten Zyklusschritt die Verschlussnadel in eine Position I gebracht, bei welcher sowohl die äussere als auch die innere Düsenkammer geöffnet sind und wird die durch die innere Düsenkammer geleitete Komponente in die Formkavität gespritzt, während gleichzeitig die Förderung des durch die äussere Düsenkammer geleiteten Sperrmaterials unterbrochen ist. Für den nächsten Zyklusschritt verbleibt die Verschlussnadel in dieser Position I und wird das durch die innere Düsenkammer geförderte Material gleichzeitig mit dem durch die äussere Düsenkammer geführten Sperrmaterial in die Formkavität eingebracht.
Bei dieser Einspritzphase werden also beide Komponenten (Füll- und Sperrmaterial) gleichzeitig gefördert, wobei darauf geachtet wird, dass der Anteil an gefördertem Sperrmaterial äusserst gering bleibt, bspw. 5% der gesamten eingespritzten Materialmenge ausmacht. Dies wird in bekannter und einfacher Weise durch die Steuerung der Zufuhr der plastifizierten Kunststoffe erreicht. In einem dritten Zyklusschritt wird die Förderung des Sperrmaterials wieder gestoppt und wird die gefüllte Formkavität mit der zum Ausgleich des Schwundes erforderlichen Menge an Füllmaterial aufgefüllt. Mit dem Vorschieben der Verschlussnadel in eine Position III werden beide Düsenkammern geschlossen und wird der Spritzzyklus beendet. Bei den derart hergestellten Vorformlingen liegt die dünne Sperrschicht im äusseren Wandungsbereich des Vorformlings. Es erweist sich, dass Vorformlinge resp.
Formlinge mit einer derartigen Schichtanordnung ein besseres Barriereverhalten gegen den in diese Behälter diffundierenden Sauerstoff aufweisen.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
Die durch das erfindungsgemässe Betriebsverfahren erzeugten Vorformlinge weisen einen Rezyklat-Anteil von über 35% resp. einen Sperrschichtanteil von weniger als 5% auf.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Heisskanaldüse und deren Nadelverschluss;
Fig. 2a bis 2d die Positionen und Steuerung der Nadelverschlussanordnung;
Fig. 3 Längsschnitt durch einen in herkömmlicher Weise hergestellten Vorformling;
Fig. 4 Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss hergestellten Vorformling mit hohem Rezyklat-Anteil.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Aufbau eines Co-Injektions-Formwerkzeugs mit einer Heisskanaldüse 34 und einem Nadelverschluss 36 für zwei verschiedene Komponenten A und B. Das in den Extrudern plastifizierte Material gelangt durch getrennte Kanäle in den Heisskanal-Verteilerblock 15, wird in demselben verzweigt und den einzelnen Heisskanaldüsen 34 zugeführt. Jede dieser Heisskanaldüsen 34 weist einen demontierbaren Düsenhalter 33 auf und ist aus mehreren ineinander liegenden Düseneinsätzen aufgebaut, zwischen welchen eine innere Düsenkammer 3 und eine äussere Düsenkammer 5 gebildet werden, in denen die verschiedenen Kunststoffkomponenten zur Düsenspitze befördert werden. Heizelemente halten sowohl den Heisskanal-Verteilerblock 15 als auch den Düsenhalter 33 und damit die Heisskanaldüse 34 auf der erforderlichen Temperatur.
Ein pneumatisch gesteuerter Nadelverschluss 36 steuert eine im Düsenspitzenbereich der Heisskanaldüse 34 bewegbare Nadel 37 zur Freigabe resp. zum Absperren der einzelnen Komponenten A resp. B.
Bei der herkömmlichen Betriebsweise wird die Verschlussnadel 37 während eines Spritzzyklus in vier Positionen gebracht, um eine Kavität bspw. dreischichtig zu füllen. In einer ersten Stellung ist die Nadel 37 nur so weit zurückgezogen, dass die Kavität über die äussere Düsenkammer 5 mit einer ersten Komponente, insbesondere mit Original-PET resp. Rohmaterial, gefüllt werden kann. In einer zweiten Stellung ist die Nadel 37 weiter zurückgezogen, sodass auch die zweite Komponente, bspw. rezykliertes PET, durch die innere Düsenkammer 3 in die Formkavität gepresst werden kann, bevor die Nadel 37 für die Haltephase wieder in die erste Stellung und anschliessend ganz nach vorne gestossen wird, um die Düse 34 zu verschliessen.
Pro Einspritzzyklus ist die Verschlussnadel also in vier vorgegebene Stellungen zu bringen: a) \ffnen der äusseren Düsenkammer 5, b) \ffnen der inneren Düsenkammer 3, c) Verschliessen der inneren Düsenkammer 3, d) Verschliessen der äusseren Düsenkammer 3.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Nadelverschluss 36 in einer als pneumatischer Zylinder wirkenden Aussparung in der Kopfplatte 13 logiert und besteht aus einem ersten die Nadel 37 führenden Kolben 38, über welchem ein zweiter Kolben 39 beweglich eingesetzt ist. Ein hermetisch abschliessender Zylinderdeckel 40 schliesst diese Aussparung druckfest ab. Geeignet angeordnete Druckleitungen 41, 43 und 44 erlauben es, die einzelnen Kolben und damit die Nadel 37 in die gewünschte Stellung zu bringen. Die einzelnen Druckleitungen weisen jeweils einen für die Bewegung der Nadel erforderlichen Druck auf. So wird üblicherweise die äussere Druckleitung 44 mit 20 bar, die mittlere Druckleitung 43 mit 10 bar und die innere Druckleitung 41 mit 5 bar beaufschlagt.
Die in Fig. 1 dargestellte Positionierung der einzelnen Kolben 38 und 39 wird erzeugt, wenn die einzelnen Druckleitungen, wie oben angegeben, unter Druck stehen. Soll die Nadel 37 in herkömmlicher Weise in eine erste Stellung zur Freigabe der ersten Kunststoff-Komponente zurückgezogen werden, braucht lediglich der Druck in der mittleren Druckleitung 43 reduziert oder aufgehoben zu werden. Damit wird der erste Kolben 38 durch den Druck der inneren Druckleitung 41 bis an den Anschlag des zweiten Kolbens 39 bewegt. Um die Nadel 37 in eine zweite Stellung zu bringen, welche die Zufuhr der zweiten Kunststoff-Komponente durch die innere Düsenkammer öffnet, wird in analoger Weise der Druck der äusseren Druckleitung 44 vermindert resp. aufgehoben. Dies führt dazu, dass sich die beiden Kolben 38, 39 gemeinsam bis an den Zylinderdeckel 40 bewegen.
Um die Materialzufuhr wieder zu stoppen, wird vorerst die äussere Druckleitung 44 wieder unter Druck gesetzt und werden damit die beiden Kolben 38, 39 gemeinsam in Schliessrichtung bewegt. Erst wenn auch die mittlere Druckleitung 43 wieder unter Druck steht, kann durch die Bewegung des ersten Kolbens 38 auch die äussere Düsenkammer wieder unterbrochen werden. Für das einwandfreie Arbeiten der pneumatischen Nadelverschlussanordnung 36 sind drucksichere Dichtungen 51, 52 an den einzelnen Kolben und Dichtungen 53 am Zylinderdeckel 40 vorgesehen.
Ausserdem ist eine Axialdichtung 55 im Düsenhalter 33 vorgesehen, welche verhindert, dass zwischen der Kolbenanordnung 38, 39 und der Düsenanordnung 33, 34 ein Druckausgleich stattfindet und dadurch die unter Druck stehenden Dämpfe der einzelnen heissen Komponenten der Düsennadel 37 entlang durch den Düsenhalter 33 dringen, sich an den Kolbenwandungen oder an der Düsennadel niederschlagen und damit die Beweglichkeit der einzelnen Bauteile des Nadelverschlusses 36 beeinträchtigen resp. blockieren. Dies wird in bekannter Weise mit einer gasdichten Axialdichtung 55 aus temperaturbeständigem Kunststoff erreicht.
Um mit einem solchen Mehrkomponenten-Spritzgiess-Formwerkzeug mehrschichtige Vorformlinge mit erhöhtem Rezyklat-Anteil herstellen zu können, wird erfindungsgemäss die Zufuhr der Komponenten A und B entgegen den herkömmlichen Anordnungen vertauscht und derart betrieben, dass die Komponente A mit dem nur in einer dünnen Schicht einzubringenden Originalmaterial in der inneren Düsenkammer 3 der Heisskanaldüse 34 gefördert wird, während die Komponente B mit dem einzubringenden Rezyklat in der äusseren Düsenkammer 5 der Heisskanaldüse 34 gefördert wird, und wird die Nadel 37 in Positionen gebracht, wie sie im Folgenden anhand der Fig. 2a bis 2d näher erläutert werden sollen.
Die Fig. 2a bis 2d zeigen partielle Ausschnitte der Heisskanaldüse 34 mit dem dazugehörigen Nadelverschluss 36. Für das Einbringen der in der inneren Düsenkammer 3 geförderten Originalkomponente A wird, wie in Fig. 2a gezeigt, die Nadel 37 so weit zurückgezogen, dass diese innere Düsenkammer 3 freigegeben ist. Durch das Unterbrechen der Förderung der Komponente B und das Fördern der Komponente A kann die erforderliche Menge des Originalmaterials A in die Formkavität eingebracht werden. Da dieses Originalmaterial A im Innern der Heisskanaldüse 34 eine geringere Viskosität aufweist als das Füllmaterial B in der äusseren Düsenkammer 5, genügt es, nur einen geringen Anteil an Originalmaterial A in die Formkavität einzubringen.
Diese Nadelposition I kann dadurch erreicht werden, dass der Druck in den Druckleitungen 44 und 43, oberhalb des zweiten Kolbens 39 resp. zwischen dem ersten Kolben 38 und dem zweiten Kolben 39, auf bspw. 0 bar reduziert wird, während der Druck in der Druckleitung 41 unterhalb des ersten Kolbens 38 auf bspw. 6 bar aufgebaut wird. Mithilfe dieser Druckverteilung befinden sich beide Kolben in ihrer höchstmöglichen Position und kann dadurch die Nadel 37 die innere Düsenkammer 3 freigeben.
In einem aus Fig. 2b ersichtlichen zweiten Zyklusschritt wird die Nadel 37 in die Position II gebracht, bei welcher die innere Düsenkammer 3 geschlossen wird, jedoch die äussere Düsenkammer 5 geöffnet bleibt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Druck von bspw. 6 bar in der Druckleitung 41 beibehalten wird und der Druck in der Druckleitung 44 oberhalb des zweiten Kolbens 39 auf etwas mehr, bspw. 10 bar, erhöht wird. Bei dieser Position wird die Komponente B (Füllmaterial) durch die äussere Düsenkammer 5 in die Formkavität gefördert. Dieses Material weist eine höhere Viskosität auf, als dasjenige aus der inneren Düsenkammer 3 und verdrängt deshalb die vorgängig eingespritzte Komponente A in einem dünnen Film an die Aussenflächen der Formkavität, ohne diesen Film zu zerreissen.
Dieser Unterschied in der Viskosität erlaubt es, Vorformlinge mit einer dünnen Aussenhaut herzustellen. In einem dritten Zyklusschritt wird die gefüllte Formkavität für eine Zeit, d.h. während der so genannten Haltephase, mit dem Füllmaterial B weiterhin unter Druck gehalten, um den durch Schrumpfungsprozesse auftretenden Volumenverlust des Materials zu kompensieren.
Fig. 2c zeigt die Heisskanaldüse 34 und deren Nadelverschluss 36 in der Position III, bei welcher sowohl die innere Düsenkammer 3 als auch die äussere Düsenkammer 5 verschlossen sind. Dies wird dadurch erreicht, dass der Druck in der Druckleitung 41 unterhalb des ersten Kolbens 38 auf bspw. 0 bar reduziert wird und gleichzeitig der Druck in der Druckleitung 43 zwischen den beiden Kolben auf bspw. 6 bar erhöht wird, während der Druck in der Druckleitung 44 oberhalb des zweiten Kolbens 39 auf bspw. 10 bar beibehalten wird.
Konventionellerweise und mit nicht vertauschten Förderkanälen für die Komponenten A und B wird der Einspritzzyklus mit einer Nadelstellung gemäss Fig. 2b begonnen, um die Komponente A (Neumaterial) in die Formkavität einzubringen. Anschliessend wird die Verschlussnadel 37 in die Position I gebracht, um die Formkavität mit der Komponente B (Füllmaterial) aufzufüllen. Für die Haltephase wird die Nadel gemäss Fig. 2d wieder in die Position II gebracht, um das durch die Abkühlung geschwundene Material mit der A-Komponente zu ergänzen und damit sicherzustellen, dass für den nächsten Spritzzyklus keine B-Komponente (Rezyklat) als Erstmaterial in die Kavität gelangt. Um den Spritzzyklus abzuschliessen wird die Nadel, wie in Fig. 2c dargestellt, in Position III gebracht.
Damit wird deutlich, dass mit dem vorliegenden Betriebsverfahren der Spritzzyklus durch das Nachfüllen des geschwundenen Füllmaterials mit derselben Komponente beendet wird, während konventionellerweise das geschwundene Materialvolumen mit derjenigen Komponente ersetzt wird, welche beim nächsten Spritzzyklus als erste Komponente eingespritzt werden soll. Mit dem vorliegenden Verfahren kann also vermehrt B-Komponente (Rezyklat) in die Formkavität eingebracht werden und zeigt sich überraschenderweise, dass wegen der niedrigeren Viskosität der A-Komponente und durch die Unterbrechung der B-Komponente-Förderung beim Beginn des nächsten Spritzzyklus nur A-Komponente in die Formkavität gelangt und damit die strengen Forderungen der Getränkeindustrie an blasgeformte Formlinge mit einer intakten Aussen- resp. Innenhaut erfüllt werden können.
Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Längsschnitte machen den Unterschied des erfindungsgemässen und des herkömmlichen Verfahrens deutlich. Dabei zeigt Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen in herkömmlicher Weise hergestellten Vorformling mit einem Gewindeteil 61 und einem Behälterteil 62, dessen Angusszapfen 63 im Bodenteil 64 liegt. Aus diesem Längsschnitt ist auch ersichtlich, dass sowohl die Innenhaut 65 als auch die Aussenhaut 66 (ausser beim Angusszapfen) an keiner Stelle vom Füllmaterial B durchbrochen ist. Als besonders kritische Stellen erweisen sich die Verformungen im Gewindeteil 61 des Vorformlings. Diese Figur macht darüber hinaus deutlich, wie sich das Auffüllen des während der Haltephase geschwundenen Füllmaterialvolumens mit Neumaterial A auswirkt.
Insbesondere wird durch dieses zusätzlich im Bodenteil 64 eingebrachte Neumaterial der prozentuale Anteil an Rezyklat substantiell verringert.
Demgegenüber zeigt Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss hergestellten Vorformling. Dieser unterscheidet sich im Wesentlichen durch den Aufbau des Bodenteils 64, welcher nur noch drei Schichten, nämlich eine Innenhaut, Füllmaterial und eine Aussenhaut aufweist. Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Unterschied in der Stärke der einzelnen Schichten. Konventionelle Preforms mit einem Gewicht von 48,0 g und einer Gesamtwandungsdicke von 4,37 mm, welche für 1,5-Liter-Flaschen geeignet sind, weisen eine Aussenhaut mit einer Stärke von 1,3 bis 1,5 mm auf. Daraus ergibt sich ein Volumenanteil für das innen liegende Füllmaterial B von 25 bis 33 Vol.-%.
Beim erfindungsgemäss hergestellten Vorformling gemäss Fig. 4 mit demselben Gewicht von 48.0 g, weist das Aussenmaterial 65, 66 eine Stärke von 1,2 bis 0,6 mm auf und lässt sich der prozentuale Anteil des Füllmaterials durch das besondere Herstellungsverfahren auf 37 bis 63 Vol.-% erhöhen.
Durch die Vertauschung der Zufuhrkanäle können auch Vorformlinge mit einer Sperrschicht (bspw. aus Nylon oder Ähnlichem) hergestellt werden, welche eine verbesserte Sperrwirkung gegen Sauerstoff aufweisen. Dies soll anhand der Fig. 2a bis 2c näher erläutert werden. Herkömmlicherweise wird bei der Herstellung von Vorformlingen mit Sperrschicht die Nadel 37 in einem ersten Zyklusschritt in die Position II gebracht (Fig. 2b), um die Kavität mit dem für die Aussenhaut verwendeten Material zu füllen. In einem zweiten Zyklusschritt wird die Verschlussnadel 37 in eine Position I gebracht (Fig. 2a), und wird das durch die innere Düsenkammer 3 geförderte Sperrmaterial (bspw. Nylon) gemeinsam mit der durch die äussere Düsenkammer 5 geführten Komponente in die Formkavität gespritzt. Dadurch kommt das Sperrmaterial in den inneren Wandungsbereich des Vorformlings zu liegen.
Dies führt zu einer relativ kurzen Diffusionsstrecke zwischen Sperrschicht und Innenfläche des Vorformlings. Diese kurze Diffusionsstrecke führt dazu, dass unerwünscht viel Sauerstoff nach relativ kurzer Zeit das Innere des Formlings erreichen kann.
Erfindungsgemäss wird das Sperrmaterial durch die äussere Düsenkammer geleitet und sieht das Verfahren vor, in einem ersten Zyklusschritt die Nadel 37 in eine Position I zu bringen, bei welcher sowohl die innere als auch die äussere Düsenkammer geöffnet sind, wobei aber nur das durch die innere Düsenkammer 3 geleitete Material in die Formkavität gefördert wird, während die Förderung des durch die äussere Düsenkammer 5 geleiteten Materials gestoppt ist. Für den zweiten Zyklusschritt verbleibt die Nadel 37 in dieser Position I und wird gleichzeitig Material durch die innere Düsenkammer 3 und Sperrschichtmaterial durch die äussere Düsenkammer 5 gefördert, sodass der Anteil des Sperrmaterials ca. 5% des gesamten eingespritzten Materials ausmacht.
Zur Ergänzung des Materialschwundes während der Haltephase bleibt die Verschlussnadel in der Position I und wird die Förderung der durch die äussere Düsenkammer 5 geförderten Sperrmaterials eingestellt. Nach erfolgter Füllung wird die Nadel in Position III gebracht (Fig. 2c), um die innere und äussere Düsenkammer zu verschliessen. Die derart erzeugten Vorformlinge weisen eine dünne Aussenschicht auf und eine Sperrschicht, welche im äusseren Wandungsbereich des Vorformlings liegt. Dadurch wird das Sperrverhalten des Formlings verbessert, insbesondere, weil bei derart hergestellten Vorformlingen die Diffusionsstrecke für das Eindringen des unerwünschten Sauerstoffs gegenüber herkömmlichen Vorformlingen vergrössert ist. Damit lässt sich die Haltbarkeit der abgefüllten Getränke markant verlängern.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und der mit diesem Verfahren erzeugten Vorformlinge sind für den Fachmann unmittelbar ersichtlich. Insbesondere werden beim konventionellen Verfahren pro Spritzzyklus vier aufeinander folgende Nadelpositionen benötigt, während mit dem erfindungsgemässen Betriebsverfahren lediglich zwei oder drei Nadelpositionen erforderlich sind. Dies vereinfacht die Steuerung des Nadelverschlusses. Darüber hinaus wird die geschwundene B-Komponente erfindungsgemäss mit demselben Material ersetzt und kann damit der prozentuale Anteil dieser Komponente (Rezyklat) erhöht werden. Für die Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens brauchen keine neuen und kostspieligen Maschinen oder Werkzeuge angeschafft zu werden.
Weiterentwicklungen, insbesondere zur Beeinflussung der Viskosität der einzelnen Komponenten und zur Steuerung des Spritzzyklus, liegen im Bereich des fachmännischen Könnens. Es versteht sich, dass mit diesem Verfahren nicht nur PET-Material bearbeitet werden kann, sondern alle in der Spritzgiesstechnik eingesetzten Kunststoffe, insbesondere also auch Nylon.
The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and preforms which are produced by this method.
In particular, the present invention relates to a method which is suitable for producing three-layer preforms with an increased recyclate content, and makes it possible to produce preforms with an improved oxygen diffusion barrier behavior.
Multi-layer preforms have been known for a long time and are used inter alia. in the beverage industry, which uses these preforms to manufacture plastic bottles on site into which the respective drinks are filled. These beverage bottles are preferably made from PET, although they could also be made from other thermoplastic materials, such as PEN, polyamide, polycarbonate, etc. Such production plants today produce 48 three-layer preforms per work step by sequential injection with an annual capacity of approx. 50 million pieces.
In the production of these preforms, new material is first injected into the mold, then cleaned and processed recyclate is introduced and new material is injected again in a third production step in order to free the injector from recycled material. Care is taken to ensure that the tolerance in the metering of the individual injection quantities can be kept as small as possible. This dosing precision is a prerequisite for the production of beverage bottles with a high recyclate content, since the recyclate must not come into direct contact with the filled beverages. This is determined by legal regulations.
When blow molding the preforms into PET bottles, it must therefore be ensured that the inner layer of recycled material remains covered with a layer of new material, which places high demands on the design of the injection molding tools as well as on the production systems of the preforms , Unfortunately, the injection molding machines known today do not have the high dosing precision required for the production of PET preforms with a high proportion of recyclate. As confirmed by EP 0 655 306, the PET bottles used today generally only have a recyclate content of at most 25% for these reasons.
However, for reasons of cost and cost stability, the beverage industry generally strives for a higher proportion of recyclate. In particular, reusable bottles made of PET with 35% recyclate would come very close to the cost of the \ kobilanz for disposable bottles ("break-even point"). An increased proportion of recyclate would therefore also increase the economy of the reusable PET bottles. This economic viability essentially depends on the price of the new PET granulate (currently CHF 1.40 / kg). If this granulate is cheaper, single-layer preforms made from 100% new material can be manufactured more cheaply; however, if the price rises above this threshold, three-layer preforms with 35% or more recycled material would be cheaper.
A high proportion of recycled material also leads to better price stability, since the large price fluctuations of the new material for preforms with recycled PET only have a partial impact. This makes it easier to calculate the costs for manufacturers and bottlers.
It has therefore already been proposed (Modern Plastics International, February 1997, page 29) to use a co-extrusion blow molding tool for the production of PET preforms and to connect product parts produced independently of one another. This made it possible to produce PET bottles with up to 80% recyclate. However, such a process requires additional tools and thus proves to be complex and cost-intensive.
It is the endeavor of the beverage industry to create legally compliant moldings with a high proportion of recycled material without complex technical measures.
The resulting technical task is therefore to be able to produce preforms with extremely thin layers of new material and without complex constructions in order to be able to increase the proportion of recycled material in these preforms.
In particular, three-layer preforms are to be created in a simple manner, which either have at least one layer which is as thin as possible or a recyclate content of more than 35%.
This object is achieved according to claim 1 by a surprisingly simple method for operating a multi-component injection molding tool and in particular in that the supply of components A and B is reversed in contrast to the conventional arrangements and the molding tool is operated in such a way that in a first cycle Step the locking needle is brought into a position in which both the inner nozzle chamber and the outer nozzle chamber are open, the conveyance of the B component through the outer nozzle chamber being stopped and only the A component through the inner nozzle chamber into the mold cavity is injected.
For the production of preforms with a high proportion of recycled material, component A (new material) to be injected as the first component is passed through the inner nozzle chamber to form the thin outer skin, and component B (recycled material) to be injected as a further component is used to form a filling - or barrier layer passed over the outer nozzle chamber. When such a three-layer preform is sprayed, in a first cycle step the closure needle is brought into a position I in which both the outer nozzle chamber with the B component and the inner nozzle chamber with the A component are open. At this needle position, the delivery of the B component is interrupted and the A component is injected into the mold cavity.
In a second cycle step, the valve pin is brought into a position II, in which the inner nozzle chamber is closed and the outer nozzle chamber is open. At this needle position, the delivery of the A component is stopped and the B component is injected into the mold cavity. For the next cycle step, the so-called holding phase, in which the B component shrinking due to cooling is supplemented, the position of the closure needle remains unchanged. At the end of the holding phase, the valve pin is brought into its closed position III, in which both the inner and the outer nozzle chamber are closed.
It turns out to be unexpected that the first shot with the A component is free of undesirable B material in the next spraying cycle. This surprising effect can be explained by swapping the feed channels. In particular, the special guidance of the individual components, i.e. Guiding the A component through the slightly warmer inner nozzle chamber, a slight reduction in the viscosity of component A (new material) achieved. Compared to the preforms produced with conventional injection molding methods, preforms with a thinner outer skin (A component) can be formed with the method according to the invention, and the relative proportion of filler material can be increased by refilling the mold cavity with B component during the holding pressure phase.
The method according to the invention also allows preforms to be produced with an extremely thin barrier layer (for example made of nylon or the like). These barrier layers have the task of minimizing the oxygen permeability of the molded articles (bottles) and are relatively expensive. For the production of a preform according to the invention with a thin barrier layer, the supply channels are in turn exchanged contrary to the conventional arrangements and the barrier material to be injected to form the thin barrier layer is passed through the outer nozzle chamber and the plastic to be injected as the filling component is guided through the inner nozzle chamber.
When injecting such a preform, in a first cycle step the closure needle is again brought into a position I in which both the outer and the inner nozzle chamber are open and the component guided through the inner nozzle chamber is injected into the mold cavity while at the same time conveying the barrier material directed through the outer nozzle chamber is interrupted. For the next cycle step, the shut-off needle remains in this position I and the material conveyed through the inner nozzle chamber is introduced into the mold cavity at the same time as the barrier material guided through the outer nozzle chamber.
In this injection phase, both components (filler and barrier material) are conveyed simultaneously, whereby care is taken to ensure that the proportion of barrier material conveyed remains extremely low, for example 5% of the total amount of material injected. This is achieved in a known and simple manner by controlling the supply of the plasticized plastics. In a third cycle step, the conveyance of the barrier material is stopped again and the filled mold cavity is filled with the amount of filler material required to compensate for the shrinkage. By advancing the valve pin into position III, both nozzle chambers are closed and the injection cycle is ended. In the preforms produced in this way, the thin barrier layer lies in the outer wall area of the preform. It turns out that preforms resp.
Moldings with such a layer arrangement have better barrier behavior against the oxygen diffusing into these containers.
Further embodiments of the method according to the invention are characterized by the features of the dependent claims.
The preforms produced by the operating method according to the invention have a recycled content of over 35% or. a barrier layer share of less than 5%.
The invention is to be described in more detail below using an exemplary embodiment. It shows:
1 shows a cross section through a hot runner nozzle and its needle valve.
2a to 2d the positions and control of the needle valve assembly;
3 shows a longitudinal section through a preform produced in a conventional manner;
Fig. 4 longitudinal section through a preform produced according to the invention with a high recyclate content.
Fig. 1 shows a section of the structure of a co-injection mold with a hot runner nozzle 34 and a needle valve 36 for two different components A and B. The material plasticized in the extruders reaches the hot runner manifold block 15 through separate channels, is in the same branches and fed to the individual hot runner nozzles 34. Each of these hot runner nozzles 34 has a removable nozzle holder 33 and is constructed from a plurality of nozzle inserts lying one inside the other, between which an inner nozzle chamber 3 and an outer nozzle chamber 5 are formed, in which the various plastic components are conveyed to the nozzle tip. Heating elements keep both the hot runner manifold block 15 and the nozzle holder 33 and thus the hot runner nozzle 34 at the required temperature.
A pneumatically controlled needle valve 36 controls a movable needle 37 in the nozzle tip area of the hot runner nozzle 34 for releasing or. to shut off the individual components A resp. B.
In the conventional mode of operation, the closure needle 37 is brought into four positions during a spraying cycle in order to fill a cavity, for example, in three layers. In a first position, the needle 37 is only retracted to such an extent that the cavity, via the outer nozzle chamber 5, has a first component, in particular an original PET or Raw material that can be filled. In a second position, the needle 37 is retracted further, so that the second component, for example recycled PET, can also be pressed into the mold cavity through the inner nozzle chamber 3 before the needle 37 returns to the first position for the holding phase and then completely afterwards is pushed in front to close the nozzle 34.
For each injection cycle, the shut-off needle must therefore be brought into four predetermined positions: a) opening the outer nozzle chamber 5, b) opening the inner nozzle chamber 3, c) closing the inner nozzle chamber 3, d) closing the outer nozzle chamber 3.
As shown in FIG. 1, the needle lock 36 is lodged in a recess in the head plate 13 which acts as a pneumatic cylinder and consists of a first piston 38 guiding the needle 37, over which a second piston 39 is movably inserted. A hermetically sealing cylinder cover 40 closes off this recess in a pressure-tight manner. Suitably arranged pressure lines 41, 43 and 44 allow the individual pistons and thus the needle 37 to be brought into the desired position. The individual pressure lines each have a pressure required for the movement of the needle. Usually, the outer pressure line 44 is pressurized with 20 bar, the middle pressure line 43 with 10 bar and the inner pressure line 41 with 5 bar.
The positioning of the individual pistons 38 and 39 shown in FIG. 1 is generated when the individual pressure lines, as stated above, are under pressure. If the needle 37 is to be retracted in a conventional manner into a first position to release the first plastic component, only the pressure in the middle pressure line 43 needs to be reduced or released. The first piston 38 is thus moved by the pressure of the inner pressure line 41 as far as the stop of the second piston 39. In order to bring the needle 37 into a second position, which opens the supply of the second plastic component through the inner nozzle chamber, the pressure of the outer pressure line 44 is reduced or reduced in an analogous manner. canceled. This leads to the two pistons 38, 39 moving together up to the cylinder cover 40.
In order to stop the material supply again, the outer pressure line 44 is initially pressurized again and the two pistons 38, 39 are thus moved together in the closing direction. Only when the middle pressure line 43 is again under pressure can the outer nozzle chamber be interrupted again by the movement of the first piston 38. Pressure-tight seals 51, 52 on the individual pistons and seals 53 on the cylinder cover 40 are provided for the pneumatic needle closure arrangement 36 to work properly.
In addition, an axial seal 55 is provided in the nozzle holder 33, which prevents pressure equalization from taking place between the piston arrangement 38, 39 and the nozzle arrangement 33, 34 and thereby the pressurized vapors of the individual hot components of the nozzle needle 37 penetrating through the nozzle holder 33, precipitate on the piston walls or on the nozzle needle and thus impair the mobility of the individual components of the needle valve 36. To block. This is achieved in a known manner with a gas-tight axial seal 55 made of temperature-resistant plastic.
In order to be able to produce multi-layer preforms with an increased recyclate content with such a multi-component injection molding tool, the supply of components A and B is exchanged according to the invention in contrast to the conventional arrangements and is operated in such a way that component A is only introduced in a thin layer Original material is conveyed in the inner nozzle chamber 3 of the hot runner nozzle 34, while the component B with the recycled material to be introduced is conveyed in the outer nozzle chamber 5 of the hot runner nozzle 34, and the needle 37 is brought into positions, as will be described below with reference to FIGS. 2a to 2d are to be explained in more detail.
2a to 2d show partial sections of the hot runner nozzle 34 with the associated needle valve 36. For the introduction of the original component A conveyed in the inner nozzle chamber 3, the needle 37 is withdrawn as far as shown in FIG. 2a so that this inner nozzle chamber 3 is released. By interrupting the conveyance of component B and conveying component A, the required amount of original material A can be introduced into the mold cavity. Since this original material A in the interior of the hot runner nozzle 34 has a lower viscosity than the filling material B in the outer nozzle chamber 5, it is sufficient to introduce only a small proportion of original material A into the mold cavity.
This needle position I can be achieved in that the pressure in the pressure lines 44 and 43, above the second piston 39 and. between the first piston 38 and the second piston 39, is reduced to, for example, 0 bar, while the pressure in the pressure line 41 below the first piston 38 is built up to, for example, 6 bar. With the aid of this pressure distribution, both pistons are in their highest possible position and the needle 37 can thereby release the inner nozzle chamber 3.
In a second cycle step shown in FIG. 2b, the needle 37 is brought into position II, in which the inner nozzle chamber 3 is closed, but the outer nozzle chamber 5 remains open. This is achieved by maintaining the pressure of, for example, 6 bar in the pressure line 41 and increasing the pressure in the pressure line 44 above the second piston 39 to somewhat more, for example 10 bar. In this position, component B (filler material) is conveyed through the outer nozzle chamber 5 into the mold cavity. This material has a higher viscosity than that from the inner nozzle chamber 3 and therefore displaces the previously injected component A in a thin film onto the outer surfaces of the mold cavity without tearing this film.
This difference in viscosity allows preforms with a thin outer skin to be produced. In a third cycle step, the filled mold cavity is during the so-called holding phase, with the filling material B kept under pressure in order to compensate for the volume loss of the material which occurs due to shrinkage processes.
2c shows the hot runner nozzle 34 and its needle valve 36 in position III, in which both the inner nozzle chamber 3 and the outer nozzle chamber 5 are closed. This is achieved by reducing the pressure in the pressure line 41 below the first piston 38 to, for example, 0 bar and simultaneously increasing the pressure in the pressure line 43 between the two pistons to, for example, 6 bar, while the pressure in the pressure line 44 above the second piston 39 is maintained at 10 bar, for example.
Conventionally and with non-interchanged delivery channels for components A and B, the injection cycle is started with a needle position according to FIG. 2b in order to introduce component A (new material) into the mold cavity. The closure needle 37 is then brought into position I in order to fill up the mold cavity with component B (filler material). For the holding phase, the needle according to FIG. 2d is brought back into position II in order to supplement the material that has shrunk due to the cooling with the A component and thus to ensure that no B component (recycled material) is used as the first material in the next injection cycle the cavity arrives. To complete the injection cycle, the needle is moved to position III, as shown in Fig. 2c.
This makes it clear that with the present operating method, the injection cycle is ended by refilling the shrunk filler material with the same component, while conventionally the shrinked material volume is replaced with the component that is to be injected as the first component in the next injection cycle. With the present method, therefore, an increasing amount of B component (recycled material) can be introduced into the mold cavity and surprisingly it turns out that due to the lower viscosity of the A component and due to the interruption of the B component delivery at the beginning of the next injection cycle, only A- Components get into the mold cavity and thus the strict requirements of the beverage industry for blow molded moldings with an intact outside or. Inner skin can be met.
The longitudinal sections shown in FIGS. 3 and 4 make the difference between the method according to the invention and the conventional method clear. 3 shows a longitudinal section through a preform produced in a conventional manner with a threaded part 61 and a container part 62, the sprue pin 63 of which lies in the bottom part 64. From this longitudinal section it can also be seen that both the inner skin 65 and the outer skin 66 (with the exception of the sprue tap) are not penetrated by the filling material B at any point. The deformations in the threaded part 61 of the preform prove to be particularly critical points. This figure also shows how the filling of the filling material volume that shrank during the holding phase with new material A has an effect.
In particular, this new material additionally introduced into the bottom part 64 substantially reduces the percentage of recycled material.
In contrast, FIG. 4 shows a longitudinal section through a preform produced according to the invention. This differs essentially in the construction of the base part 64, which only has three layers, namely an inner skin, filler material and an outer skin. There is also a significant difference in the thickness of the individual layers. Conventional preforms with a weight of 48.0 g and a total wall thickness of 4.37 mm, which are suitable for 1.5 liter bottles, have an outer skin with a thickness of 1.3 to 1.5 mm. This results in a volume fraction for the internal filler material B of 25 to 33% by volume.
4 with the same weight of 48.0 g, the outer material 65, 66 has a thickness of 1.2 to 0.6 mm and the percentage of filler material can be increased to 37 to 63 vol .-% increase.
By swapping the supply channels, preforms with a barrier layer (for example made of nylon or the like) can also be produced which have an improved barrier effect against oxygen. This will be explained in more detail with reference to FIGS. 2a to 2c. Conventionally, in the manufacture of preforms with a barrier layer, the needle 37 is brought into position II in a first cycle step (FIG. 2b) in order to fill the cavity with the material used for the outer skin. In a second cycle step, the shut-off needle 37 is brought into a position I (FIG. 2a), and the barrier material (for example nylon) conveyed through the inner nozzle chamber 3 is injected into the mold cavity together with the component guided through the outer nozzle chamber 5. As a result, the barrier material comes to rest in the inner wall area of the preform.
This leads to a relatively short diffusion distance between the barrier layer and the inner surface of the preform. This short diffusion distance means that an undesirable amount of oxygen can reach the interior of the molding after a relatively short time.
According to the invention, the barrier material is passed through the outer nozzle chamber and provides for the method, in a first cycle step, to bring the needle 37 into a position I in which both the inner and the outer nozzle chamber are open, but only that through the inner nozzle chamber 3 conveyed material is conveyed into the mold cavity, while the conveyance of the material passed through the outer nozzle chamber 5 is stopped. For the second cycle step, the needle 37 remains in this position I and at the same time material is conveyed through the inner nozzle chamber 3 and barrier layer material through the outer nozzle chamber 5, so that the proportion of the barrier material accounts for approximately 5% of the total injected material.
To supplement the material shrinkage during the holding phase, the shut-off needle remains in position I and the conveyance of the barrier material conveyed by the outer nozzle chamber 5 is stopped. After filling, the needle is brought into position III (Fig. 2c) to close the inner and outer nozzle chamber. The preforms produced in this way have a thin outer layer and a barrier layer which lies in the outer wall area of the preform. This improves the blocking behavior of the molding, in particular because, in the case of preforms produced in this way, the diffusion distance for the penetration of the undesired oxygen is increased compared to conventional preforms. This significantly extends the shelf life of the bottled drinks.
The advantages of the method according to the invention and the preforms produced with this method are immediately apparent to the person skilled in the art. In particular, four consecutive needle positions are required in the conventional method per injection cycle, while only two or three needle positions are required with the operating method according to the invention. This simplifies the control of the valve gate. In addition, according to the invention, the shrunk B component is replaced with the same material and the percentage of this component (recyclate) can thus be increased. No new and expensive machines or tools need to be purchased to carry out the method according to the invention.
Further developments, in particular for influencing the viscosity of the individual components and for controlling the spraying cycle, are within the range of expert knowledge. It goes without saying that not only PET material can be processed with this method, but also all plastics used in injection molding technology, in particular also nylon.