CN101115606B - 用于通过拉伸吹塑来成型容器的方法以及由此成型的容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过拉伸和吹塑模具腔体内的预成型件来成型容器的方法。所述方法包括以下步骤：(i)将预成型件引入模具腔体中并且用拉伸杆拉伸预成型件；(ii)增加预成型件内的压力，以便在吹塑步骤中使预成型件在模具腔体内膨胀；(iii)在模具腔体内具有至少一个向内移动的模段，以使膨胀着的预成型件被向内移动的模段变形；其中预成型件材料的玻璃化转变温度(Tg)比模具腔体壁的温度低至少10℃。本发明还涉及包括由热塑性聚烯烃构成的壁的拉伸吹塑容器。该热塑性聚烯烃具有小于30℃的玻璃化转变温度，并且其中容器具有至少1.5的非对称度。

Description

用于通过拉伸吹塑来成型容器的方法以及由此成型的容器
技术领域
本发明涉及用于通过拉伸吹塑来成型容器的方法。
背景技术
消费品例如饮料、食品、洗涤和家用清洁产品、洗发剂和其它个人护理产品典型地包装在各种形式的容器例如瓶子中。瓶子要求具有某种程度的机械属性以防止在运输和使用期间损坏，并且瓶子也向消费者提供一定程度的美感作用。在这种情况下，透明而光洁的容器常常受到消费者的青睐。
瓶子也可要求具有非对称横截面。非对称部件例如一体式柄部可要求通过移动模段而进行二次拉伸。
1989年12月20日公布的EP-A-0346518公开了一种用于生产带有一体式柄部的非对称瓶子的注射拉伸吹塑工艺。然而，该工艺要求预成型件材料一经与吹塑的内壁接触就冷却至低于其玻璃化转变温度的温度。
然而，该工艺导致材料一经与模壁接触就完全冷固，从而限制了此点之后的进一步拉伸或变形。在高度非对称容器(包括带有通过移动模插件而生产的柄部的那些)的生产期间，有必要使预成型件在与模壁初始接触之后能够继续拉伸，以便完全填充最大拉伸的腔体区域。这种二次拉伸在上述专利中是没有的。
发明内容
在本发明的方法中，容器通过拉伸和吹塑模具腔体内的预成型件而成型，该方法包括以下步骤：
(i)将预成型件引入模具腔体中并且用拉伸杆拉伸预成型件；
(ii)增加预成型件内的压力，以便在吹塑步骤中使预成型件在模具腔体内膨胀；
(iii)在模具腔体内具有至少一个向内移动的模段，以使膨胀着的预成型件被向内移动的模段变形；
其中预成型件材料的玻璃化转变温度(Tg)比模具腔体壁的温度低至少10℃。
步骤(i)和(ii)可以按任何次序进行或同时进行。
本发明还提供了包括由热塑性聚烯烃构成的壁的拉伸吹塑容器。该热塑性聚烯烃具有小于30℃，优选小于15℃，并且更优选小于5℃的玻璃化转变温度，特征在于所述容器具有至少1.5的非对称度。
优选地，本发明的方法使用由热塑性聚烯烃，例如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)构成的预成型件。特别优选的预成型件材料为具有介于0℃和-25℃之间的Tg的无规共聚物聚丙烯。这允许使用从高度冷却(2℃至3℃)至加热(85℃)的标准模条件的全范围，而仍然允许材料冷却并固化，但在与模壁接触之后保持在其Tg以上以便进一步拉伸。
在一个最优选的实施方案中，预成型件材料也不显示拉伸硬化行为，从而还允许向吹塑的不同区域的非对称分布。
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于通过拉伸和吹塑模具腔体内的预成型件而成型瓶子的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将非对称预成型件引入模具腔体中，并且用拉伸杆拉伸所述预成型件；
(ii)增加预成型件内的压力，以便在吹塑步骤中使所述预成型件在模具腔体内膨胀；
(iii)在所述模具腔体内至少一个向内移动的模段，以使所述膨胀着的预成型件被向内移动的模段变形；
其中所述预成型件材料的玻璃化转变温度Tg比所述模具腔体壁的温度低至少10℃，并且所述预成型件材料为具有介于0℃和-25℃之间的Tg的包含聚丙烯的无规共聚物；以及
其中所述瓶子具有至少1.5的非对称度，所述非对称度定义如下：
横截面的非对称性是根据瓶子的横截面来定义的，其中当瓶子定向为其站立位置时，大致平行于所限定的瓶子基座的横截面在位于瓶子基座之上的至少某个高度处为非对称的；横截面的非对称度定义为在此横截面内预成型件材料由于拉伸至其成品上的最终位置而移动的最大距离和最小距离之间的比率。
发明详述
本文所谓“拉伸吹塑”是指一种方法，其中预成型坯通过挤压、注射或压缩模塑法制造，并且在被插进吹塑并被成型为最终容器之前被冷却至吹塑温度、冷却至室温并再加热、或者两者的组合。本文所谓“拉伸吹塑容器”是指通过上述方法制成的容器。
生产预成型件的最常见方法为注模法。因此，此方法称为“注射拉伸吹塑法”或“ISBM”。按常规，高透明性的光洁容器由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)通过注射拉伸吹塑法制成。然而，将ISBM用于聚丙烯所制成的容器与由相同材料构成的挤压吹塑容器相比具有大大改善的硬度、跌落强度、压缩强度、光泽度和透明性。
本文所谓“玻璃化转变温度”或“Tg”是指一种温度点。在该温度点上，聚合物的非晶形区从脆性的、玻璃样状态转变为橡胶状的、柔韧的形式。
本文所谓“横截面的非对称性”是根据瓶子的横截面来定义的，其中当瓶子定向为其站立位置时，大致平行于所限定的瓶子基座的横截面在位于瓶子基座之上的至少某个高度处为非对称的。典型地，瓶子具有大致垂直于瓶子基座的主轴线，并且横截面为处于垂直于主轴线的平面中的瓶子的轮廓。横截面的非对称度定义为在此横截面内预成型件材料由于拉伸至其成品上的最终位置而移动的最大距离和最小距离之间的比率。优选地，非对称度为至少1.5。
由热塑性聚烯烃(包括聚乙烯和聚丙烯)制成的容器按常规由挤压吹塑法制造。在这种方法中，熔融聚乙烯型坯和聚丙烯型坯被吹塑成外模的形状。这些热塑性材料的流动特性是这样的：该材料可围绕模具腔体内的固定插件流动并且形成一体式柄部。然而，通过挤压吹塑聚乙烯而制成的容器显示具有低透明性，而聚丙烯容器显示低透明性或中等透明性和通常低的冲击强度。
对于PET来讲抑制材料的均匀分布的高度显著的因素为玻璃化转变温度(Tg)。PET的玻璃化转变温度为约70℃至75℃，而PVC的玻璃化转变温度稍高于80℃，此温度低于其典型的吹塑温度(大约100℃至110℃)但高于吹塑将被典型地保持的温度(通常为5℃至25℃)。这些温度意味着材料一经与模壁接触就将几乎立即降至其Tg以下，从而完全地冷固而不能进一步流动。在接触之后确实会发生一些有限的拉伸(这常常可通过表面上的非常小的平行划痕而看出)，但这大约只有几mm，不会更大。当吹塑高度非对称容器时这种冷固是不利的，因为在高拉伸(主轴线)之前与低拉伸区域(次轴线)接触是不可避免的，并且理想的情况是材料在此初始接触之后将被显著地进一步重新分布。在生产一体式柄部的情形中，材料通过移动模段而分布，并且接触后的材料的拉伸和流动至关重要，因而使得PET成为非理想材料。
例如PET或PVC之类的材料通常不适合于用在本发明的方法中，因为它们的Tgs高，这将要求使用极热的模具。根据本发明，优选的是模具腔体壁的温度小于60℃。
如果对称预成型件被生产出并且随后被均匀地通体加热，则非对称最终瓶子设计将导致高度不均匀的壁厚度，因为预成型件要求在一些方向上比在其它方向上拉伸更多。这些薄壁部分将造成最终瓶子的大大减小的压缩和冲击强度。
一个已被广泛实践的用于PET瓶子的解决办法是引入预成型件的选择性再加热。此方法要求材料显示具有应变硬化行为。显示应变硬化的材料在特定温度时的某个应变之后显示具有急剧增加的抗拉模量。此增加是由于定向晶化的缘故，并且在PET中尤其明显。结果是，当预成型件没有在设定的内部压力下被吹塑(没有模约束它)时，预成型件将在硬化前膨胀某个特定的量而停止在其被称为天然拉伸比率的拉伸程度上。相反，由不显示具有应变硬化的材料构成的预成型件将继续膨胀直到其壁变得太薄而破裂，因为它不具有天然拉伸比率。大部分聚合材料在仅由于分子取向的缘故而产生应变之后将显示模量的增加，并且对于某些预成型件的几何形状和压力，可在某个时候确定天然拉伸值。然而，这不旨在与真实的应变硬化相混淆，并且所得的无吹塑结果变得更加不稳定。
在优选的加热期间，在吹塑过程中将经历较小拉伸的预成型件的区域比将经历更大拉伸的那些区域加热更多。所得的这些区域中的温度增加会减小拉伸材料所要求的力，并且也增加其天然拉伸比率。因此材料在吹塑压力下拉伸得更快且更多，从而拉薄这些部分中的壁并向较高拉伸区域重新分布材料。所得瓶子具有贯穿其周边的更均匀的壁厚度。
选择性再加热依赖于PET的拉伸硬化行为、以及其天然拉伸比率随温度的变化。此特性在方法稳定性中是个很大的优点，但用于ISBM的许多其它材料(例如聚丙烯)却不显示具有这样的特性。结果是，在ISBM中使用PP只限于大致圆柱形的容器，并且虽然作过早期尝试以将选择性加热用于均聚物PP，但此做法并没有被商业化，因为拉伸硬化的缺乏使此方法效率低下且不稳定。由于缺乏用于材料PP的非对称分布的可行方法，因此设计趋于具有小于1.5的非对称性/纵横比，因为更高比率的瓶子导致非理想的壁厚度分布。
然而，当要求具有非常高非对称性的瓶子(例如带有一体式柄部的那些)时，由于非常特定的区域比其它靠近的区域要显著地拉伸更多，这时PET所显示具有的天然拉伸比率的优点变成了缺点。可通过选择性加热实现的拉伸比率的变化不足以实现所要求的拉伸的非对称性，因而材料将或者“锁住”而不能填充腔体、显示具有拉伸混浊、或者破裂。
使用低压力预吹塑随后以较高压力“完成”吹塑的两阶段吹塑方法对于此二次重新分布也是至关重要的，在涉及移动模段的方法情形中更是如此。初始预吹塑压力将允许预成型件显著地膨胀，通常膨胀至吹成体积的80％至90％，但不能填满高拉伸区(拐角等)。结果是，在这些区中将发生最小固化，并且在模的移动期间在最终用高压力吹塑填充腔体之前可容易地实现进一步的拉伸。相反，在单一阶段方法中，材料将分布到模的所有部分并冷固，从而极大地减少了二次拉伸。同样地，在单一阶段吹塑期间，模段配合预成型件的膨胀中的某个点而作的计时移动极端不可靠。
特别优选的本发明的方法包括两个步骤：第一吹塑步骤和优选地紧接其后的第二吹塑步骤。在第一吹塑步骤中，模具腔体内的向内移动的夹具部分地夹持并熔合膨胀着的预成型件。具的向内运动在第一吹塑步骤之内完成。在第一吹塑步骤期间施加在预成型件内的压力为0.1MPa(1巴)至1MPa(10巴)，优选地为0.3MPa(3巴)至0.8MPa(8巴)。此后，在第二吹塑步骤中增加施加在预成型件内的压力。在第二吹塑步骤中，压力大于1MPa(10巴)，优选地最大压力为1.2MPa(12巴)至2MPa(20巴)。
然后将容器从模具中弹出。如果需要，可使用下列方法进行附加焊接步骤：直接加热、间接红外线、超声焊接、激光焊接(例如CO2、Nd:YAG或高功率二极管激光)、超声、纺丝、射频或任何其它标准方法，包括为了高效率而要求使用添加剂或填充剂的那些。随后通过多种下列可能的技术移除焊接部分：包括机械冲压、激光切割或热冲压，这些技术可相对于焊接过程或者按顺序进行、平行进行、或者作为焊接过程的一部分。
具体实施方式
在本发明的第一实施方案中，预成型件材料在材料接触模壁之后被重新分布。
在本发明的可供选择的实施方案中，材料的重新分布由反向选择性加热和/或由非对称预成型件辅助。
1)反向选择性加热：标准选择性加热涉及对应于较低拉伸的区域中的预成型件温度的增加。对于在与模壁接触之后将被重新分布的低Tg材料，此过程应当被反向，即降低较低拉伸区的温度。不受理论的约束，此过程可能由表面效应造成。在吹塑温度时，低Tg烯烃例如PP非常接近于它们的熔融温度，并且预成型件的表面柔软、稍微发粘，因此容易被变形。在低压力预吹塑期间，温度的稍微降低将减小此效应，从而使表面与模壁的接触变得较不紧密。这使得材料更容易地滑过表面，并且进一步使材料能够从这些区域向较高拉伸区域分布。此滑动效应可因使用增滑剂(例如
Figure GSB00000184421500061
)涂敷模的对应表面而得到进一步的增强。要求产生此效应的预成型件区域之间的温度差小于10℃，优选介于0.5℃至2℃之间。
2)非对称预成型件：虽然选择性加热的使用更为广泛，但将椭圆形预成型件用于ISBM模塑的做法沿用已久。对于带有温度调节(而非选择性加热能力)的单步骤方法，非对称预成型件用于对应于较高拉伸区域的较薄部分，因为这些部分将比较厚部分冷却更迅速，从而给予与选择性加热同等的效应(虽然对应的重量较高)。然而对于标准选择性加热技术所不能适用的非拉伸硬化材料，预成型件用椭圆芯部分产生对应于较高拉伸区域的较厚部分是极其有利的。

Claims (8)

1.一种用于通过拉伸和吹塑模具腔体内的预成型件而成型瓶子的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将非对称预成型件引入模具腔体中，并且用拉伸杆拉伸所述预成型件；
(ii)增加预成型件内的压力，以便在吹塑步骤中使所述预成型件在模具腔体内膨胀；
(iii)在所述模具腔体内至少一个向内移动的模段，以使所述膨胀着的预成型件被向内移动的模段变形；
其中所述预成型件材料的玻璃化转变温度Tg比所述模具腔体壁的温度低至少10℃，并且所述预成型件材料为具有介于0℃和-25℃之间的Tg的包含聚丙烯的无规共聚物；以及
其中所述瓶子具有至少1.5的非对称度，所述非对称度定义如下：
横截面的非对称性是根据瓶子的横截面来定义的，其中当瓶子定向为其站立位置时，大致平行于所限定的瓶子基座的横截面在位于瓶子基座之上的至少某个高度处为非对称的；横截面的非对称度定义为在此横截面内预成型件材料由于拉伸至其成品上的最终位置而移动的最大距离和最小距离之间的比率。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述模具腔体壁的温度小于60℃。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述预成型件的一个部分处的温度不同于所述预成型件的至少另一个部分处的温度，所述温度差为0.5℃至10℃。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述将经历较大拉伸的预成型件的部分处的温度高于所述将经历较低拉伸的预成型件的部分处的温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中用增滑剂涂敷所述预成型件将在其中经历较低拉伸的模的表面。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述预成型件的内部、中空的横截面为非圆形。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述预成型件的内部、中空的横截面为椭圆形。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述瓶子包括用于抓持的柄部。
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