CN101213141A - 热填充薄壁容器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用灭菌的液体热填充容器的方法，通常在60到95℃之间的温度范围进行，其特征在于，该方法包括以下步骤：a.提供由一材料以及按照能使其对用所述液体热填充具有耐受性的方法制造的容器，所述容器具有来自制造过程的残余应力；b.用所述热液体填充所述容器；c.在被填充完毕后该充填的容器立即封口；d.使该容器冷却到容器的至少凝结的温度以下，通过容器中形成负压使该容器变形；e.加热该容器致使该残余应力放松，所述放松导致应力减少且紧接着在容器内部产生增压，该增压至少补偿因步骤d的负压效应造成的变形。

Description

热填充薄壁容器的方法

技术领域

本发明涉及对带有薄壁的，尤其是由聚乙烯材料构成的容器，进行热填充的方法。

背景技术

已知常使用一聚合材料，聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET，制造容纳液体的容器。该材料的主要优点是：透明、重量轻，制成满足产品或商业需要所要求的特殊轮廓的形状自由，这与金属容器相反，金属容器只有固定的形状和固定的尺寸。纸箱容器也同样有形状的限制。

PET材料不易破损，有便于保存的机械特性，不可渗透性，这就使它很有吸引力，也从很大程度上解释了其广泛应用的原因。

这些用PET材料制成的瓶子多用于无汽的液体，如油、矿泉水。在这种情况下，容器仅承受很小的机械应力。PET是完全适用的材料。实际上，这些液体是在低温并无压力的情况下填充的。

这些PET材料制成的瓶子同样被用于装碳酸饮料，碳酸饮料对于容器会产生一定的压力。

通过在瓶身的凹槽或被称为花瓣的底部的设计技巧可加强机械强度和/或抗压强度，不会以增加成本的方式增加容器的重量。

当工业上需要对一容器热填充时，就需要依赖不同的设计来实现，该容器需要更大的厚度，不同的尺寸，在容器的瓶体上设置板以构成梁。这些热填充的必要因素导致容器过重，消耗大量的材料，甚至对于同样的瓶子，用于热填充的容器的重量是用于冷填充容器重量的两倍。

事实上，温度上升时，PET的机械性能受到严重损坏。

现存在一种被称为“耐热”的方法，通常我们用字母HR表示，它能改善容器对所罐装的容纳品的热的耐受强度(Heat Resistant)。

第一种方法为单轮的，它能达到的填充温度为80/88℃。

第二种方法为双轮的，它能达到的温度为88/95℃。

一热填充的瓶子实际上在不同的阶段要承受很大的机械应力。

同样，在进行填充时底部要承受热液体的流体静力学压力。

为了保证液体灭菌的特性，容器必须承受当容器在热充填液体冷却产生收缩的空间时产生的压力。冷却产生了两种收缩，液体的收缩和瓶顶部空间空气的收缩。

出于这个原因，容器的轮廓非常复杂，瓶体上带有薄板和梁，在瓶身上设置有箍带，以及在瓶颈和瓶体之间的一瓶肩，其形状跟圆体类似。

带机械强度的所需厚度的优点是在高温下呈现出更强的惯性。

用PET材料制成的薄壁瓶的制造方法被称为挤出成型/吹制法。该方法包括通过挤出成型制成一预成型件，该预成型件有一管道的形状，一端按照瓶颈的最终尺寸和形状定型，另一端封闭。

对该预成型件加热后，尤其是经过红外辐射达到100/120℃后，未定型的材料变软并能在当其放入合适的模具后在内经受一吹制。模具的尺寸应考虑到材料冷却的收缩以使最后容器呈现出预定的尺寸。

当进行吹制时，在一拉伸杆的作用下会产生一纵向的拉伸，并因此产生压力下空气的膨胀。更确切的说，首先在低压下引入空气，以保证较大振幅材料的变形需要，然后加高压以保证在极小的振幅下对模具壁的贴合。

模具还用水冷却以消除由接触产生的热量，这也是为使瓶子凝固。

由此得到的瓶子被称为双向瓶，因为它们承受一个方向上的拉伸和全方向的一膨胀。

因而高分子链朝两个方向，导致在室温下良好的机械强度系数。

这种双向的缺点是部分可逆，因此温度上升时，材料重新获得一定的自由度。

事实上，材料会有回到其初始形状的趋势，这种情况下，其具有较小的应力。

这就是所谓形状记忆现象。

对用于热填充饮料的厚壁容器，我们同样用挤出成型和吹制的方法但要用更专业更复杂的参数。

事实上，预成型件被加热的温度要比带有薄壁的容器的情况下的温度高，接近结晶状态，以使PET材料的形状记忆最小化，并放松因吹制引起的应力。

在单轮生产的情况下，为增强其对温度的耐受性，在容器成型过程中和成型后，对该容器无定型的初始材料进行一高温处理。

当材料软化被拉伸后，产生一个可逆的结晶体，材料保持透明。增强其机械性能。

然后，如果在产生结晶体后保持加热，就会产生一种球粒状晶体，这对于双向的已经形成好的高分子链造成一定的结晶度。

与PET材料直接的球粒状结晶不同，这个双向的球粒状结晶很好地保持了材料的透明度。

在双轮生产的情况下，此方法可达到更高的性能但要实施一系列复杂的步骤。

事实上，在这种情况下，我们首先制造带一拉伸比例的比最终容器体积大很多，两至三倍的毛坯。

然后将该毛坯加热超过它的熔点以放松应力，获得一缩减的体积且恢复到预成型件的尺寸，但球粒状晶体的比率很大，这个比例会造出一相似容器。用PET材料有一种自动调节的作用。

当这个毛坯通过加热缩减时，在收缩时，用想得到的成品容器的尺寸的一模具进行一吹制的步骤，可生产出成品容器。

高结晶率可使容器在热填充时具有良好的耐热性。

我们知道这样的方法实施起来过于繁琐。这种方法需要一直以限定所需数值清洁模具以及定期的维护。

此外，需要注意的是，通过HR方法得到的瓶子从其一被生产出就有吸收水的趋势，这就会破坏其机械性能从而破坏其对温度的耐受性。因而制造出的一容器开始可承受88℃的温度，但在吸收水后，仅能承受82℃的温度。实际上转变温度TG下降。

因为应最大程度地降低货物储存，通常在填充厂生产这些瓶，以供流水线使用，这也是一种限制。

这些容器被制造出来后，有很多的填充办法，也有各种不同成份的液体待处理。

有的液体对光线敏感，如牛奶或啤酒，有的液体吸收氧气也就是对氧气敏感，如果汁或蔬菜汁、啤酒、油，还有的液体吸水敏感，对气体损失敏感，对酵母、霉菌或细菌敏感。

某些液体可包含防腐剂且基本不敏感，而某些被称为无汽且清淡的液体如牛奶、果汁、咖啡、茶、水果饮料、某些水，它们不含任何防腐剂且需要在最好的条件下处理。

为保证在合适的卫生条件以及保证良好的储藏的条件下包装，已知主要有两种方法，一种被称为“灭菌填充”，另一种被称为“热填充”。

灭菌填充理论上比较简单，因为它是用一种灭菌液体进行填充并且对所述容器封口，包装和瓶塞都是消过毒的，所有的操作也都是在灭菌的环境下进行的。

但是，我们知道这个生产线实施起来是很复杂的，要求在整个过程中总是以同样的卫生条件进行维护，需要很完善的监控体系及良好的维护体系，这就导致费用昂贵。在这样的生产线中，需要进行化学消毒，这就要用化学产品进行处理，还需要人员的专业技能，并且由于处理速度慢，产量也会很小。其效率仅为一热填充生产线的40％到50％。投资也十分高，为热填充生产线的两到三倍。

此方法的一个大的缺陷在于无法对生产线上的每个容器内的产品进行消毒控制。但是，这种控制可通过抽样的方法实现。

这种低温灭菌填充的优点只针对带薄壁、重量轻、形状自由的容器，因为低温填充可避免温度引起的变形。

另一方法，热填充同样可以达到灭菌的目的，因为容纳物温度的控制很简单并且在任何时刻都可实现。

充填流水线比较简单，对容器和瓶塞的处理有限，因为消毒是通过热液体本身实现的，热液体引入该容器填充后立即封闭。瓶子的翻转还可保证瓶塞与液体接触的内表面消毒。

相反的，需要使用抗填充温度为60到95℃之间的容器，尤其是根据产品，填充温度在80到92度之间。

此外，这些瓶具有较大重量，带有与抗应力有关的基本相同形状，在商业化产品之间只有很小的差别。

发明内容

因而，我们得出现有的两种方法的优缺点。但是，由于目前使用的容器的特定特征和热填充的需要产生的额外费用正迫使相关工业部门有使用灭菌填充生产线的趋势。

确定材料重量的概念非常重要。十五年前，一种冷填充的1.5升容器需要的材料重量为49克，而热填充、HR处理的容器需要的材料重量为55克。

此后，冷填充得到很大的改善，达到28克，然而热填充的材料量却基本上没有减少。

工业界寻找的折中方法是能将达到灭菌目的的热液体填充到用于冷填充的带薄壁的瓶里以限制容器和包装流水线的成本。

附图说明

为此提供了本发明的方法，其通过下面的非限定性的优选实施方式进行详细描述，附图用于示例性地说明本发明方法，这些附图是：

图1是填充前一容器的视图；

图2是与图1相同的容器，进行热液体填充后，但在冷却前的视图；

图3A和3B是充满的容器，在冷却后及承受了塌陷现象的互成90度的视图；

图4是图3A和3B的塌陷容器在经本发明的方法处理后又回到了其初始形状。

具体实施方式

给出的实施例涉及PET材料制成的瓶子，但可以适用于所有的相同属性并呈现出相似的特性的聚合材料制成的容器。

本方法包括对带有薄壁的一容器进行热填充，该容器应具有如下所述的特征。

该容器为圆柱形，可带有凹槽以强化瓶体，可具有一薄底，如装无汽矿泉水，也可具有加强底，容器的总重量基本上与用来装矿泉水的容器重量相当，容积相等。

加强底通常包括带有加强件的向瓶颈凸起的一底，以避免在轻微压力下翻倒。

该容器可根据包装的温度，利用被称为“HR”的两种处理方法，单轮或双轮中的任一种制造。

因而，该容器能耐高温并缩减了重量。

此外，可以发现缺少了现有技术中由PET材料制成的瓶子的高温条件下的特征性构件如箍带、圆形的瓶肩、壁板。图1所示的容器呈现比较简单的几何形状。

由已知类型的一填充装置从一容罐实施填充，通常由重力直接填充到该容器内，根据预定用途，液体的温度加温并保持在60到95℃。

当热的液体进入到该容器内时，会发生三种作用：

-因为厚度很小并且相应惯性有限，壁的温度迅速上升，

-由于液体流下造成的负荷造成流体静压力作用，

-由于流入容器的液体体积负荷产生的作用。

容器在填充作用下温度上升效应下变形得很小，因为制造该容器就是为了能适应这种温度的上升，只在封口时瓶口有非常轻微的变形。如图2所示。

已知如本申请的前面部分所述，结晶度可被改善，这就大大提高了机械强度。还已知如果容器一生产出来就使用的话，对湿度的吸收会很有限，且能基本上保持初始的对温度的耐受力。

已知底部已具有提高的机械性能，且“HR”处理避免了在负荷条件下及封口时容器压力增加时的翻倒。事实上，温度的提高造成了容器体积的快速收缩然而所容纳的液体保持了本身的体积，这对容器内产生了一定的压力。

为此，在液体和瓶顶空间冷却时保持其形状的底部的设计和该容器的瓶体会有一较大的变形。需要注意的是这种变形不是不可逆转的，因为当容器打开时，该瓶体恢复其初始形状。

已知变形位于容易产生机械变形的区域，例如在这种情况下已知容器的容器壁，并且对于这些也没有采用任何特殊的改动。

还要指出，在这种情况下，一机械强度较差的区域，所有相同条件下填充的相同容器的变形是可再现的。

因此，可以在整个容器上找到一个合适的区域以用可再现的方法得出在这个特定且确定的区域上的变形。

已知一方形或圆柱形的容器对抗压强性很好，但在真空的情况下很差，除非具有如凹槽或折痕的机构。

根据本发明的方法，因此得到的容器具有一底部和连接于底部的一箍带，且所述瓶体由于该连接部的折叠形状的强度而不会变形。容器的底部是稳定的但其瓶体会变形，按照技术术语叫做“塌陷(collapsē)”，这导致其在商业上不适用。这在图3A和3B上示出。

根据本发明的方法包括通过使液体部分或全部地冷却后容器体积减少来缩减容器的体积。

已经指出即使瓶子接受过“抗高温”HR处理，可以使PET的形状记忆效果最小化但不能完全消除。

本方法包括放松凝结应力以使容器恢复其初始形状，因而预成型件有缩小体积的趋向。这就使本发明成为特别出人意料和具有吸引力的方法。

为此，一旦液体在热的情况下导入，然后一旦容器封口并进行部分或整体冷却，至少容器的一部分承受一温度上升，以便能够放松其应力，且在容器整个或部分表面上有不可逆转的变形。

该温度的上升应该非常迅速，以不造成液体温度的上升，这就取消了为补偿负压所需的差异。

但是，实现温度上升的工具选择比较宽，质量比起的作用非常大。一容器的PET材料的较小重量面对液体的较大重量需要封皮的升温速度快于液体的升温速度。此外，尤其通过辐射加热时，封皮是首先接受红外线照射的且吸收更多的热量。

这仅适用于避免通过传动加热的工具，例如玛丽浴灭菌法或巴斯德灭菌法。在这种情况下，还有一个参数不能符合要求，那就是所需的时间，用这类技术需要的时间过长。

还要克服的一个问题就是必须补偿的容积。当容器冷却后，需要考虑的所留变形会产生比较大的缩减体积。

对于500毫升的一瓶子，冷却缩减的体积只对于液体容积而言为3.5％，即17毫升。

事实上，对这一类瓶子，为了给出一概念通常收缩直径大致为60毫米，可以将这个收缩预留在一高度上，该高度被称为标签高度，也就是说在贴标签的区域内。

标签区域和底部之间的箍带，瓶肩以及该标签区域是不变形的，只要预留直径为1到2毫米的收缩就足够了。也就有可能预留一轻微的超压以补偿当该类容器冷却时可能产生的额外收缩。

还需注意的是，当进行热填充时，总要在顶部留出一个装空气的空间。

同样，可以将瓶子倒置，以便通过一发生器将空气系统地导入上述容器的上部。事实上，此方法可对热空气进行加热，因为壁和空气之间热量传输非常困难，空气非常隔热。热量集中在所述瓶的瓶壁的相关区域上，并快速导致收缩。

为了不引起整体的温度上升，也可以在内部液体达到40℃到50℃就进行对外封皮的加热。

还要指出，根据本发明的方法可以用于制造方形截面的容器，收缩造成容器的三角变形在应力放松和容器收缩时同样得到补偿。

因而根据本发明，本方法想要提供一种具有机械强度在热填充液体时不变形的容器，热填充的液体的温度范围是满足液体灭菌需要的温度，通常情况下为80到95℃，以一聚乙烯制容器为例，所述容器已通过挤出成型和吹制制出，并在吹制前具有一形状记忆，用所述热液体填充所述容器，对该填充好的容器进行封口及使其冷却到至少低于该容器凝结的温度，因而导致该容器由于内部产生负压造成变形，然后加热该容器以造成应力放松，且恢复为产生收缩的吹制以前的形状，并对该容器的内部进行加压以便至少部分补偿因该负压造成的变形。

因而根据本发明可以得到填充了巴斯德灭菌容纳物的容器，因而可通过一简单的填充温度测量来保证巴斯德灭菌。用该方法制造的容器的成本不再是缺陷，因为可以和能够进行灭菌填充的容器相比较了。

优点是可以满足目前工业填充流水线的需要，可以满足灭菌的需要，不需要投资昂贵的装瓶线，以及无需复杂的操作成本。

因而由于根据本发明的方法，不仅制造一热填充容器的原材料的成本降低，而且原材料量的节省导致对于同样充填体积进行回收的额外成本也降低。

根据本发明，要指出本发明可包括适用于实施本发明的一合适装置。

一种解决办法包括制造包括用于包裹该容器至少两个部分的外壳，所述外壳被适用的工具加热以发出所需热量。

外壳具有基本上与容器匹配的一外形，以便更为接近瓶壁来散发热量，从该瓶壁的一局部区域看，如果加热是由一气发生器在上部实施，这些外壳朝水平方向。在这种情况下，可能会导致在某一特定区域强烈加热。

Claims (9)

1.用一灭菌的液体热填充一容器的方法，通常在60到95℃之间的温度范围进行，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.提供一容器，该容器由一种材料按照能使其对用所述液体热填充具有耐受性的方法制造，所述容器具有产生于制造过程的残余应力；

b.用所述热液体填充所述容器；

c.在被填充完毕后该填充的容器立即封口；

d.使该容器冷却到容器的至少凝结的温度以下，通过在该容器内形成负压使该容器变形；

e.加热该容器致使该残余应力松弛，该松弛导致应力减少且紧接着在容器内部产生增压，该增压至少补偿因步骤d的负压效应造成的变形。

2.如权利要求1所述的热填充方法，其特征在于，使该容器具有耐受性的方法是挤出成型/吹制，接着“HR”处理。

3.如权利要求1或2所述的热填充方法，其特征在于，所述材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，即PET。

4.如权利要求1或2或3所述的热填充方法，其特征在于，在容器上预留出一局部收缩区域。

5.如上述权利要求之一所述的热填充方法，其特征在于，该局部收缩区域为贴标签区域。

6.如上述权利要求之一所述的热填充方法，其特征在于，所述步骤e的加热是为了使容器内部产生压力。

7.如上述权利要求之一所述的热填充方法，其特征在于，其包括红外线辐射类加热。

8.如权利要求7所述的热填充方法，其特征在于，该红外线辐射类加热通过包括至少两个部分的用于包裹该容器的外壳实现，以发出所需热量。

9.如上述权利要求之一所述的热填充方法，其特征在于，包括一热空气类的加热。

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