DE3752110T2

DE3752110T2 - Verfahren zum Blasformen eines biaxial orientierten Mehrwegbehälters aus Polyester

Info

Publication number: DE3752110T2
Application number: DE3752110T
Authority: DE
Inventors: Wayne N Collette
Original assignee: Graham Packaging Pet Technologies Inc
Current assignee: Graham Packaging Pet Technologies Inc
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2007-05-26
Also published as: DE8717827U1; ATE157318T1; EP0379264A3; EP1145968B1; EP0494098A1; EP0247566A2; DE247566T1; DE3784965T2; AU606341B2; EP0494098B1; DE3752374D1; DE3784965T3; DE3751635D1; DE479393T1; ATE69764T1; EP1145968A1; DE3752346D1; DE3751635T3; ATE252024T1; DE3752374T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Blasformen eines Mehrwegbehälters aus biaxial orientiertem Polyester.
Eine wirtschaftlich und gewerblich lebensfähige Mehrweg- Kunststofflasche würde die Deponie- und Recycling-Probleme lösen, die Einweg- bzw. Wegwerf-Getränkeflaschen aus Kunststoff und insbesondere Kunststoff-Getränkeflaschen aus PET aufwerfen. Zusätzlich würde die Einführung einer Mehrwegflasche die Verwendung von sichereren und leichteren Kunststoffbehältern auf den derzeit von Glasflaschen beherrschten Märkten begünstigen, wo Wegwerfverpackungen gesetzlich verboten sind.
Technisch gesehen muß eine Mehrweg-Kunststofflasche im Aussehen und in der Funktion über ein Minimum von fünf und vorzugsweise mehr als 10 Zyklen nutzbar bleiben, um wirtschaftlich sinnvoll zu sein. Dabei besteht ein Zyklus aus (1) einer Ätzlaugenwäsche des Leerguts, gefolgt (2) von einer Prüfung auf Verunreinigungen, Wiederauffüllen und Verschließen, (3) Lagerung, (4) Verteilung an Groß- und Einzelhändler sowie (5) den Kauf, die Verwendung sowie die Leerlagerung durch den Verbraucher, gefolgt von einer Rückführung an den Abfüller. Der ideale Kunststoff-Mehrwegbehälter muß klar und transparent sein, um eine Sichtprüfung vor dem Abfüllen zu erlauben. Zusätzlich muß der Behälter einteilig mit einem durch Blasformen angeformten Bodenelement sein, um die von zweiteiligen Behältern aufgeworfenen Sichtprüf- und sonstigen Probleme zu umgehen ("zweiteilig" ist dabei definiert als ein blasgeformter Rumpf mit halbkugelförmigem geschlossenen und typischerweise an einen spritzgeformten Bodenbecher angesetzten Ende, wobei der Bodenbecher die vertikale Stabilität bewirkt).
Es sei hier darauf hingewiesen, daß mehrere Polymerisat- Werkstoffe die Klarheit und die physikalischen Eigenschaften aufweisen, die als zur Herstellung von Kunststoff- Mehrwegflaschen und dergl. Behältern erforderlich gelten. Unter ihnen befinden sich Polyethylenterephthalat (PET), Acrylnitril, Polyarylat, Poylcarbonat usw. Von den handelsüblichen Polymerisaten bietet PET das beste Gleichgewicht von Eigenschaften und Kosten/Nutzen-Verhältnissen.
Einweg- bzw. Wegwerf-PET-Getränkebehälter werden größtenteils in einem zweistufigen Verfahren hergestellt, bei dem ein Vorformling spritz- und/oder extrusionsgeformt wird, gefolgt von einem Erwärmen des Vorformlings sowie dessen Äquilibrieren und Streckblasformen auf die Sollgeometrie des Behälters. Die Anwendung bekannter Getränkeflaschentechnologien für Mehrweg-PET-Behälter ergibt keine akzeptablen Leistungsresultate. Insbesondere erfüllen herkömmlich aufgebaute und nach herkömmlichen Umformungstechniken hergestellte Vorformlinge und Flaschen die für Mehrweg-Behälter geltenden Leistungskriterien schon nach zwei oder drei Zyklen nicht mehr.
Die US-A-4 318 882 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines gegen ein Zusammenfallen stabilen Polyesterbehälters für Heißfüllanwendungen, bei dem ein Vorformling zu einem Behälter geformt wird. Die Beschreibung erwähnt jedoch nicht das Problem der Herstellung von Mehrwegbehältern, die eine Anzahl von Wiederfüllzyklen durchlaufen sollen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Blasformen eines thermoplastischen Mehrweg-PET-Behälters anzugeben, dessen dünnwandiger Rumpf sein Aussehen und seine Leistung über 5 - 10 vollständige Nuztungszyklen beibehält.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Blasformen eines Behälters aus biaxial orientiertem Polyester, bei dem man (a) einen aus Polyester spritzgeformten Vorformling mit einem langgestreckten Körper zur Bildung eines Behälterrumpfes vorgibt, der an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist, wobei das offene Ende des Vorformlings einen Hals-Endabschnitt und der langgestreckte Körper einen Teil neben dem Hals-Endabschnitt zum Ausbilden eines Schulterabschnitts des Behälters aufweist und das eine geschlossene Ende von einem Boden mit allgemein halbkugelförmiger Außenfläche gebildet ist, und (b) den Vorformling zu einem blasgeformten, biaxial orientierten Behälter streckblasformt, dessen Rumpf aus dem langgestreckten Körper des Vorformlings gebildet ist und der eine transparente biegsame, biaxial orientierte Seitenwand, einen aus dem Hals-Endabschnitt des Vorformlings ausgebildeten Hals-Endabschnitt sowie einen verlängerten Teil in dem auf den Hals-Endabschnitt folgenden Bereich aufweist, der aus dem verjüngten Teil des Vorformlings gebildet ist; das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Ende des Rumpfes des Vorformlings einen zylindrischen, den Behälterfuß bildenden verdickten Teil mit größerer Wanddicke als der Rumpf des Vorformlings aufweist und daß im Schritt (b) der Vorformling blasgeformt wird, wobei aus dem verdickten Bereich im Behälter eine schwach orientierte steife Bodenfläche mit größerer Dicke als die der Seitenwand gebildet wird und der Behälter ein Mehrweg-Behälter ist.
Nach dem Verfahren kann weiterhin der Vorformling unmittelbar vor dem Streckblasformen auf eine Temperatur von 107 bis 118 ºC (225 bis 245 ºF) erwärmt werden, um in der Seitenwanwandung eine Kristallisation von 24 bis 30 % zu erzeugen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich als Beispiel anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Fig. 1 zeigt schaubildlich einen typischen, vom Mehrwegbehälter zu durchlaufenden Zyklus;
Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen speziell aufgebauten Vorformling, mit dem man die gewünschten Struktureigenschaften der Flasche erzielt;
Fig. 3 zeigt den generellen Querschnitt des Vorformlings anhand eines Horizontalschnitts in der Ebene 3-3 der Fig. 2;
Fig. 4 zeigt an einem waagerechten Schnitt in der Ebene 4-4 der Fig. 2 die Schnittgestalt des Vorformlings in einem unteren verdickten Wandungsbereich;
Fig. 5 zeigt an einem Vertikalschnitt eine typische, erfindungsgemäß ausgebildete Mehrwegflasche; und
Fig. 6 zeigtan einem vergrößerten Teilschnitt die Sollkonfiguration im unteren Rumpf- und Bodenbereich.
Es hat sich herausgestellt, daß ein Versagen biaxial orientierter blasgeformter PET-Flaschen und dergl. Behälter (über die Rißeinleitung und -fortplanzung) in Waschlaugenbädern hauptsächlich im Bodenbereich und insbesondere im mittigen Teil des Bodenbereichs erfolgt, in dem keine oder eine nur schwache Orientierung vorliegt. Weiterhin wurde in letzter Zeit ein Verfahren zum Erhöhen der Eigenfestigkeit und -stabilität des Bodenbereichs eines blasgeformten Kunststoffbehälters entwickelt; vergl. hierzu die US-PS 4 334 627. Gem. dieser Patentschrift werden die Vorformlinge in deren unterem Bereich, d.h. dem Teil, der zum Behälterboden wird, mit Längsrippen versehen.
Weiterhin hat sich in letzter Zeit ergeben, daß für ein Abschwächen der Neigung zur Rißeinleitung und -fortpflanzung die Eigenviscosität von PET-Homopolymerisaten ein wesentlicher Faktor ist.
Mit den vorgehenden Feststellungen als Ausgangspunkt wurden Vorformlinge der in der US-PS 4 334 627 offenbarten Art nach herkömmlichen Formgebungsverfahren aus PET-Homopolymerisaten mit Eigenviscositäten von 0,72, 0,84 bzw. 1,06 (gemessen nach ASTM D 2857) hergestellt. Insbesondere hatten die Vorformlinge einen angeformten Gewindehalsabschnitt sowie einen kreisförmigen Querschnitt, eine Länge von 6 inches unter dem Halsabschnitt sowie einen Außendurchmesser von 28,58 mm (1.125 inch) in der Rumpfmitte bei einer Wanddicke in der Größenordnung von 4,57 ± 0,508 mm (0.180 ± 0.020 inch). Dieser Vorformling wurde zur Herstellung von 1-Liter-Flaschen mit Champagner-Fuß mit einer Höhe von 254 mm (10.0 inches) unter dem Halsabschnitt und einem Höchstdurchmesser von 76,2 mm (3.0 inches) verwendet.
Es wurde nach herkömmlichen Verfahrensbedingungen gearbeitet, d.h.
Aufwärmzeit d. Vorformlings 75 s
Blaszeit 2,5 s
Gesamtdauer d. Formzyklus 6,5 s
Formtemperatur 60 ºC (140 ºF)
Die Wärmezeit der Vorformlinge wurde so eingestellt, daß der Behälterrumpf eine Wanddicke von 0,508 ± 0,127 mm (20 ± 5 mil) mit der niedrigsten Temperatur des Vorformlings ergab, die zum Herstellen von klaren Behältern erforderlich war. Die durchschnittlichen Vorformling-Temperaturen (gemessen mit einem isoperibolischen Tropfenkalorimeter) betrugen 85 ºC (185 ºF), 89 ºC (192 ºF) sowie 98 ºC (208 ºF) für die Polymerisate der Eigenviscosität 0,72, 0,84 bzw. 1,06.
Nach diesem Programm hergestellte Behälter wurden dem folgenden simulierten Nutzungszyklus unterworfen.
Zunächst wurden die Behälter mit einer typischen handelsüblichen Ätzwaschlauge behandelt, die aus 3,5 Gew.-% Natriumhydroxid in Leitungswasser hergestellt wurde. Die Lauge wurde auf 60 ºC (140 ºF) gehalten und die Flaschen unverschlossen 15 Minuten in die Lauge getaucht, um die Zeit/ Temperatur-Bedingungen einer gewerbeüblichen Waschanlage zu simulieren.
Nach dem Herausnehmen aus der Waschlösung wurden die Flaschen in Leitungswasser gespült und dann mit mit Kohlensäure versetztem Wasser bei 4,05 × 10&sup5; ± 0,203 × 10&sup5; Nm&supmin;² (4,0 ± 0,2 Atmosphären) gefüllt, verschlossen und in einen Konvektionsofen bei 38 ºC (100 ºF) und 50 % rel. Feuchtigkeit 24 Std. vorgehalten. Der Fülldruck kann bis 5 Volumina betragen (d.h. 5 Atmosphären = 5,06 × 10&sup5; Nm&supmin;² Druck in der Flasche). Die erhöhte Ofentemperatur wurde gewählt, um längere gewerbliche Lagerzeiten bei niedrigerer Umwelttemperatur zu simulieren. Beim Herausnehmen aus dem Ofen wurden die Behälter geleert und bis zum Versagen dem gleichen Wasch-/Füll-Zyklus ausgesetzt.
Weiterhin wurden Vergleichsflaschen aus dem Durchlauf mit der Viscosität 0,84 (1) 20 aufeinanderfolgenden Waschzyklen von je 15 Minuten ohne Druckbeaufschlagung zwischen den Zyklen und (2) anderen 20 aufeinanderfolgenden Füll und Lagerzyklen bei erhöhter Temperatur mit Druckbeaufschlagung, aber ohne Laugenwäsche zwischen den Zyklen ausgesetzt. Die Ergebnisse dieser Tests sind unten tabellarisch zusammengefaßt:
Dabei war ein "Versagen" definiert als jeder Riß, der sich durch die Wand der PET-Flasche fortpflanzte und zu Undichtigkeit und Druckverlust führt. Keinerlei Risse waren bei den Flaschen mit der Eigenviscosität IV = 0,84 zu erkennen, die nur der Laugenwäsche oder Druckfüllbehandlung ausgesetzt waren. Die Flaschen in jedem Durchlauf, die einem vollständigen Wasch-/ Druck-Zyklus ausgesetzt waren, versagten nach 7 Zyklen oder weniger.
Hieraus wurde der Schluß gezogen, daß die Waschlauge dann und nur dann Spannungsrisse verursacht, wenn in den PET- flaschen Restspannungen infolge von geometrischen Verformungen vorliegen, die der Polyester während der Druckbeaufschlagung erfährt.
Sämtliche Risse entwickelten sich auf der Innenfläche der Flasche und pflanzten sich zur Außenfläche fort. Es wurden mehrere Mechanismen der Rißeinleitung festgestellt: (1) Radiales Anreißen an der Aufstellrundung des Bodens und Fortpflanzung um den Fuß herum; (2) radiales Anreißen auf der Innenfläche der Verstärkungsrippen und Fortpflanzung um den Fuß herum; (3) axiales Anreißen gegenüber dem Anguß des Vorformlings und axiale Fortpflanzung durch den Flaschenboden. Sämtliche Versagensfälle erfolgten im nichtorientierten Bodenbereich der Flasche (eine biaxiale Orientierung wie im Flaschenmantel verbessert den Anrißwiderstand erheblich). Ein axiales Anreißen ohne Rißfortpflanzung erfolgte im Schulter- bzw. Halsübergangsbereich (vom nichtorientiertem zum orientierten Mantelbereich der PET-Flasche).
Es sei auf ein gewisses Kriechen (d.h. nichtelastische Volumenzunahme mit der Zeit) der PET-Flaschen unter dem Innendruck hingewiesen. Dennoch war die Volumenschrumpfung infolge der 60ºC-(140ºF)-Wäsche größer als das Kriechen infolge der Füllung bei 38ºC (100ºF) und war ein nicht akzeptable Verformung im Schulter-Übergangsbereich zwischen dem Flaschenrumpf und dem Flaschenhalsbereich bei allen Flaschen zu beobachten, die der Laugenwäsche bei erhöhter Temperatur ausgesetzt waren; das Gleiche gilt für ein allmähliches Verkreiden der Flaschenaußenflächen. Diese Verkreidung bzw. Weißverfärbung war im schwach orientierten Übergangsbereich zwischen dem amorphen nichtorientierten und dem halbkristallinen orientierten Bereichen am ausgeprägtesten. Hieraus läßt sich schließen, daß Flaschen, die nach der derzeit üblichen herkömmlichen Einweg-PET-Getränkeflaschentechnologie hergestellt werden, für den Mehrwegeinsatz ungeeignet sind. Die Hauptprobleme sind dabei die bei 60 ºC (140 ºF) über das Kriechen im Füllteil eines Simulationszyklus auftretende Schrumpfung sowie das Versagen infolge von Spannungsrissen im Waschteil des Zyklus.
Es sei hier darauf hingewiesen, daß die höchstzulässige Volumenabweichung ±1,5 % beträgt und ein Rißversagen jedweder Art nicht akzeptabel ist.
Nach längeren Untersuchungen wurde gefunden, daß sich das Rißproblem erheblich abschwächen läßt, indem man anstelle eines rippenverstärkten Fußes bzw. Bodens diesen durchgehend bzw. kontinuierlich verstärkt. Entsprechend wurde, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Vorformling 10 vorgesehen, der an seinem offenen oberen Ende einen angeformten Gewindehals 12 aufweist und dessen Wanddicke unter diesem im Bereich 14 allmählich zunimmt. Der Hauptteil der Längsausdehnung des Vorformlings 10 liegt als Rumpf 16 vor, der eine im allgemeinen konstante Wanddicke und einen ringförmigen Querschnitt hat; vergl. Fig. 3. Insbesondere ist ein Boden- bzw. Basisteil 20 mit einem verdickten Wandbereich 22 versehen, infolge dessen der Boden dicker ist als der Rumpfbereich 16. Während die Wanddicken des Rumpf- und des Bodenbereichs sich verschieden wählen lassen, bleibt das Wanddickenverhältnis Rumpf/Boden konstant. Der verdickte Wandbereich 22 verläuft abwärts zum Boden 24 des Vorformlings 10 und geht in ihn über.
Eine Anderung erfolgte auch bei der resultierenden Flasche 30, die mit einem Boden mit einer gerundeten Kontaktring 32 versehen wurde. Wie am besten die Fig. 6 zeigt, wurde der Radius des Kontaktrings 32 von 2,54 mm (0.100 in.) auf 3,81 mm (0.150 in.) vergrößert. Der Radius kann bis zu 7,62 mm (0.300 in.), der innere Borden-übergangsradius in der Größenordnung von 0,762 mm (0.030 in.) bis 1,27 mm (0.050 in.) betragen.
Vorformlinge mit dem verdickten Bereich (im Gegensatz zu Rippen) wurden aus PET mit einer Eigenviscosität von 0,84 und wärmebehandlet und formgeblasen zu einer Flasche ähnlich der Flasche 30 der Fig. 5, aber mit vergrößertem - kritischem - Radius des Kontaktrings.
Diese Flaschen wurden einer Folge von Wasch-/Druck-Zyklen der oben angegebenen Art ausgesetzt. Noch nach zehn Zyklen war kein Riß der oben beschrieben Radialart aufgetreten. Axialanrisse traten im Boden- und im Schulterbereich 34 bzw. 36 der Flaschen nach 15 Zyklen auf, aber es wurde kein Versagen durch Rißfortpflanzung beobachtet. Andererseits näherte sich die Gesamt-Volumenschrumpfung 7,0 %. Eine sichtbare Verformung ergab sich im Orientierungsübergangsbereich der Schulter und die Flaschen zeigten eine sichtbare Weißverfärbung infolge von Ätzsalzablagerungen.
Dieser Erfolg führte zu der Schlußfolgerung, daß gewerblich brauchbare Mehrweg-PET-Behälter machbar wären, wenn es gelänge, durch die Geometrie verursachte Spannungsspitzen während der Druckbeaufschlagung durch die Behälterstruktur gering und die bei 60 ºC (140 ºF) auftretende Schrumpfung/ Verformung über 5 - 10 und bis zu 20 Zyklen auf unter ±1,5% zu halten.
Es wurde eine Technologie entwickelt, die die thermische Stabilität von PET-Behältern durch Anwendung einer bestimmten Produktkonfiguration und von Verfahrenssteuermaßnahmen zwecks Erhöhung der Kristallinität der PET-Morphologie in den blasgeformten Behältern verbessert.
Die Dichte (gemessen nach ASTM 1505) ist ein brauchbares Maß für die Kristallinität an sich:
Kristallinität [%J = ds - da/dc - da × 100
mit ds = Probendichte in g/cm³
da = 1,333 g/cm³ (amorph)
dc = 1,455 g/cm³ (100% kristallin)
Eine höhere Kristallinität im Mantel (Seitenwand) des Behälters reduziert die Beweglichkeit der Polymerisatmoleküle und damit die Schrumpfung bei gegebener Temperatur.
Ein typisches bekanntes Verfahren zum Erhöhen der Kristallinität im Mantel einer PET-Flasche ist u.a. das Wärmehärten durch Ausblasen des Behälters in eine bei 149 - 204 ºC (300 - 400 ºF) gehaltene Form und nachfolgendes internes Kühlen.
Die kürzlich entwickelte Technologie beruht anstelle der Wärmehärtung auf Techniken des Behälterentwurfs und der Prozeßsteuerung, um Behälter mit einem Kristallinitätsniveau von 24 - 30 % und (gegenüber herkömmlichen Einweg-PET- behältern) verbesserter thermischer Stabilität (Widerstand gegen Schrumpfung bei erhöhter Temperatur) herzustellen.
Nach der vorerwähnten, kürzlich entwickelten Technologie kann der Vorformling in einer herkömmlichen Streckblasformmaschine erwärmt werden, die mit einem Quarz-IR-Ofen ausgerüstet ist, in dem der Vorformling unmittelbar vor dem Streckblasformen auf eine Temperatur in der Größenordnung von 107 ºC (225 ºF) bis 118 ºC (245 ºF) erwärmt wird.
Diese neuentwickelte Technologie wurde zusammen mit einem Vorformling eingesetzt, der zu einer Anfangs-Wanddicke von 4,57 mm ± 0,508 mm (0.180 ± 0.020 in.) und einer endgültigen Wanddicke der Flasche von 0,508 mm 1 0,127 mm (0.020 ± 0.005 in.) bei einem Gesamt-Streckverhältnis von 8:1 konfiguriert war. Dieser Vorformling wog 100 g und hatte eine Länge unter dem Halsabschnitt von 158,75 mm (6.250 in.) sowie einen Durchmesser von 31,75 mm (1.250 in.) in der Rumpfmitte.
Weiterhin wurde der Übergangsbereich 14 des Vorformlings erheblich verlängert, was für eine generische 1,5-Liter- Flasche, wie sie die Fig. 5 zeigt, die Orientierung des Schulterbereichs 36 bis innerhalb 0,635 mm (0.250 in.) und sogar bis 2,54 mm (0.100 in.) an den Halsabschnitt heran erlaubt.
Die Vorformlinge wurden aus einem PET-Homopolymerisat mit einer Eigenviscosität IV = 0,84 spritzgeforrnt. Die gegenüber den zuvor eingesetzten größere Wanddicke des Vorformlings ergab eine molekulare Rekristallisierung im Spritzformhohlraum. Als solche war die Abnahme der Transparenz (d.h. Trübung) in diesen Vorformlingen meßbar höher als bei den eingangs diskutierten Vorformlingen (gemssen nach ASTM D-1003).
Diese Vorformlinge wurden auf 118 ºC (245 ºF), d.h. auf die höchste vor dem Einsetzen der Oberflächenkristallisation erreichbare Temperatur erwärmt. Zusätzlich wurde die Temperatur der Blasform auf 82 ºC (180 ºF) angehoben, um ein Glühen der Flasche vor dem Ausformen zu erlauben. Die fertigen Flaschen wurden 20 simulierten Wasch-/Druck-Zyklen unterworfen. auch nach 20 Zyklen ergab sich kein radiales Spannungsrißversagen. Mehrere Behälter enthielten kleinere axiale Bodenrisse, die jeweils am Spritzanguß des Vorformlings begannen, sich aber nicht durch die Wand fortpflanzten, so daß kein Druckverlust eintrat. Die endgültige Volumenänderung betrug -0,65 %, lag also weit innerhalb der ±1,5%-Vorgabe. Andererseits betrug die endgültige Unrundheit (Abweichung von der Rechtwinkligkeit) im Durchschnitt 5,72 mm (0.225 in.) gegenüber einem Zielwert von 4,57 mm (0.180 in.). Der Berstdruck überstieg 1,24 × 10&sup6; Nm&supmin;² (180 psi) . Jedoch rissen 40% der Behälter, die wassergefüllt auf eine Fallhöhe von 1,83 m (6 ft.) bei rechtwinkligen Aufprall und Raumtemperatur geprüft wurden. Aus dem Test ergibt sich jedoch, daß erfindungsgemäß ausgebildete Flaschen auch bei dünnerer Wanddicke problemlos 5 - 10 Zyklen durchlaufen können.
Rechtwinkligkeitsprobleme unter Druckbelastung sind bei einteiligen Behältern typischerweise mit Schwankungen der Wanddicke entlang des Bodenkontakt- bzw. Glockenrandrings korreliert. Druckbeaufschlagtes PET kriecht mit der Zeit insbesondere bei erhöhter Temperatur. Nichtorientiertes PET wie im Bodenbereich 34 des Behälters der Fig. 5 kriecht stärker als orientiertes PET. Auch das Ausmaß des Kriechens nimmt mit abnehmender Wanddicke zu.
Um die Schwankungen der radialen Wanddicke zu minimieren, muß die Einspritzöffnung im Blasboden genau zentriert sein. Hierzu wurde der zunächst geschaffene Vorformling so modifiziert, daß er auf der Inennseite des geschlossenen Endes einen Ansatz 26 enthielt, der in eine Ausnehmung in der Spitze eines Streckblas-Zentrierstabs (nicht gezeigt) einfahren sollte; dieser Zentrierstab ist üblich. Der Zentrierstab wiederum führt den Vorformling beim Blasformen präzise in die Mitte des Blasbodens.
Einteilige Behälter mit Champagner-Fuß reißen im Fallaufschlagtest gewöhnlich im nichtorientierten amorphen Bodenbereich, da dort die Festigkeit geringer als in den orientierten Seitenwänden ist. Risse beginnen ewöhnlich im Glockenbereich (Radius 32) am Aufschlagpunkt und pflanzen sich durch die nichtorientierte Wand hindurch fort. Um Aufschlagrisse zu minimieren, wurde der Vorformling dahingehend modifiziert, daß der verdickten Wandbereichs 22 verkürzt und damit die nichtorientierte Wanddicke im Glockenbereichdes Bodens (Radius 32) reduziert wurde.
Um schließlich das Auftreten von axialen Anrissen bei der Laugenwäsche zu reduzieren, wurde der Vorformling im Bereich der Einspritzöffnung, d.h. an dem allgemein mit 24 bezeichneten Boden des Vorformlings mit erhöhter Wanddicke ausgestattet. Wie ersichtlich, ist dieser Bodenbereich allgemein flach - im Gegensatz zu dem üblicherweise allgemein vergleichrnäßigten Querschnitt.
Mit Vorformlingen dieser modifizierten Ausführung, wie sie insbesondere in der Fig. 2 gezeigt ist, wurden Flaschen der allgemein in der Fig. 5 gezeigten Gestalt geformt, wobei jedoch der Glockenbereich 40 des Bodens die in Fig. 6 gezeigte Form hatte und der Radius 32 3,81 mm (0.150 in.) betrug; dieser Radius kann jedoch bis auf 7,62 mm (0.300 in.) vergrößert werden. Die mit den oben angegebenen Temperaturen des Vorformlings sowie der Temperatur und Zeitsteuerung der Blasform hergestellten Flaschen wurden 20 aufeinanderfolgenden Laugenwasch-/Druckfüll-Zyklen ausgesetzt. Es ergaben sich weder axiale noch radiale Anrisse. Alle Behälter lagen auch nach 20 Zyklen innerhalb der ±1,5%-Vorgabe für die maximale Volumenänderung. Die Abweichung von der Rechtwinkligkeit lag im Mittel bei 2,16 mm (0.085 in.); keine einzelne Flasche überstieg 3,81 mm (0.150 in.). Ätzsalzablagerungen auf den Behältern ergaben eine gewisse Weißverfärbung; die Rückstände ließen sich jedoch problemlos von Hand abreiben.
Es sei hier darauf hingewiesen, daß die resultierenden Behälter sich durch zusätzliche bekannte gewerbeübliche Verfahrensmaßnahmen weiter verbessern lassen. Bspw. kann man auf die Mehrwegbehälter einen handelsüblichen Polymerisatüberzug aufbringen, um Kratz- und Stoßschäden über die nutzbare Lebenszeit sowie die Weißverfärbung der Behälteroberfläche über wiederholte Laugenwaschbehandlungen geringzuhalten. Weiterhin kann man das Halsgewinde nach handelsüblichen Kristallisierungsverfahren behandeln, um dessen Modul zu erhöhen, wie es erforderlich ist, um Schäden am kritischen oberen Verschlußrand 42 der Flasche (vergl. Fig. 5) zu vermeiden.
Der Vorformling kann weiterhin mehrlagig - einschl. inneren Sperrschichten - aufgebaut sein, um die Lagerfähigkeit zu verbessern. Durch den Einsatz solch mehrlagiger Vorformlinge läßt sich (bei mit Nonfood-Produkten gefüllten Behältern) die Absorption von Verunreinigungen und das nachfolgende Verschmutzen des Behälterinhaltes nach dem Waschen und Wiederfüllen vermeiden.
Obgleich nun ein akzeptabler Behälter zur Verfügung stand, wurde entschieden, den Effekt höherer Kristallinitäten in den Seitenwänden zu untersuchen. Es wurden Flaschen der beschriebenen Art unter gleichen Bedingungen hergestellt, dabei aber die Temperatur der Blasform auf 177 ºC (350 ºF) erhöht und vor dem Ausformen der wärmegehärteten Flaschen intern gekühlt. Die Kristallinität wurde aus Dichtemessungen an den Seitenwänden zu 31,5 % berechnet.
Die nach den vorgehenden Angaben ausgebildeten Behälter wurden dem Laugenwasch-/Druckabfülltest unterzogen; 60 % der Proben versagten innerhalb von weniger als 20 Zyklen infolge axialer und radialer Seitenwandrisse. Messungen erwiesen eine ausgezeichnete Maßhaltigkeit; es wurde der Schluß gezogen, daß eine übermäßige Kristallisation der Seitenwände über 30 % hinaus den Modul der biaxial orientierten PET-Matrix so stark erhöht, daß bei wiederholten Expansions-/Kontraktionswechseln eine halbstarre Morphologie versagt.
Daher wird dafür gehalten, daß eine Kristallinität von 24 - 30 % für Mehrweg-PET-Behälter (vorzugsweise in Form einer Flasche mit spritzangeformtem Gewindehals) optimal ist.
Damit für den einschlägigen Fachmann die Einzelheiten einer Flasche, die 20 Zyklen widersteht, einsichtig werden, ist die Darstellung der Flasche in Fig. 5 um die Wanddicken derselben an verschiedenen Stellen ergänzt. Soll die Flasche weniger Zyklen - bspw. nur 5 bis 10 - aushalten, können die Wanddicken kleiner sein.
Die Beschriftung der Blöcke des Blockdiagramms der Fig. 1 lautet, beginnend von rechts oben und fortfahrend im Uhrzeigersinn, wie folgt:
Prüfen auf Verunreinigungen
Füllen / Bekappen
Lagerung
Vertrieb
Groß- und Einzelhandel
Laugenwäsche
Kauf, Verwendung und Leergutlagerung
durch den Konsumenten
Rückführung an den Abfüller

Claims

1. Verfahren zum Blasformen eines Mehrweg-Behälters (30) aus biaxial orientiertem Polyester, bei dem man

(a) einen aus Polyester spritzgeformten Vorformling (10) mit einem langgestreckten Körper (16) zur Bildung eines Behälterrumpfes vorgibt, der an einem Ende (20) geschlossen und am entgegengesetzten Ende offen ist, wobei das offene Ende des Vorformlings einen Hals-Endabschnitt (12) und der langgestreckte Körper einen Teil (14) neben dem Hals-Endabschnitt (12) zum Ausbilden eines Schulterabschnitts des Behälters aufweist und das eine geschlossene Ende von einem Boden mit allgemein halbkugelförmiger Außenfläche gebildet ist; und

(b) den Vorformling (10) zu einem blasgeformten, biaxial orientierten Behälter (30) streckblasformt, dessen Rumpf aus dem langgestreckten Körper (16) des Vorformlings (10) gebildet ist und der eine transparente biegsame, biaxial orientierte Seitenwand, einen aus dem Hals-Endabschnitt des Vorformlings ausgebildeten Hals-Endabschnitt (12) sowie einen langgestreckten verjüngten Teil (36) in dem auf den Hals-Endabschnitt (12) folgenden Bereich aufweist, der aus dem verjüngten Teil (14) des Vorforrnlings (10) gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das geschlossene Ende (20) des Rumpfes (10) des Vorformlings einen zylindrischen, den Behälterfuß bildenden verdickten Teil (22) mit größerer Wanddicke als der Rumpf (16) des Vorformlings aufweist und daß im Schritt (b) der Vorformling (10) blasgeformt wird, wobei aus dem verdickten Bereich (22) im Behälter (30) eine schwach orientierte steife Bodenfläche (34) mit größerer Dicke als die der Seitenwand gebildet wird und der Behälter (30) ein Mehrweg-Behälter ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man weiterhin den Vorformling (10) unmittelbar vor dem Streckblasformen auf eine Temperatur von 107 bis 118 ºC (225 bis 215 ºF) erwärmt, um in der Seitenwandung eine Kristallisation von 24 bis 30 % zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem es sich bei dem Polyester um Polyethylenterephalat mit einer Eigenviscosität (1V) von 0,72 bis 0,84 handelt.

4. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der Bereich (14) neben dem Hals-Endabschnitt (12) des Vorformlings (10) verjüngt ausgeführt ist, so daß nach dem Blasformen die Seitenwand des Behälterrumpfes bis innerhalb etwa 6,35 mm (0.250 inch) an den Iials-Endabschnitt heran biaxial orientiert ist.

5. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der verdickte Teil (22) so blasgeformt wird, daß im Behälter (30) ein Champagner-Fuß (34) mit einer umlaufenden Aufstellrundung und einem nichtorientierten vertieften Mittelteil ausgebildet wird.

6. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem man weiterhin zum Zentrieren des Vorformlings in der Form während des Streckblasformens einen Zentrierstab auf einen inneren, mittig angeordneten und axial verlaufenden Vorsprung (26) auf dem Boden des Vorformlings aufsetzt.

7. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der Boden (20) des Vorformlings eine allgemein flache, querverlaufende Innenfläche (24) aufweist.

8. Verfahren nah einem vorgehenden Anspruch, bei dem die Dicke der Behälter-Seitenwand sieben- bis neunmal geringer als die des langgestreckten Körpers (16) des Vorformlings (10) ist.

9. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der Behälterkörper einen Außendurchmesser von 270 bis 294 % des Außendurchmessers des Vorformlings (10) hat.

10. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der Durchmesser des Behälterkörpers 2,22- bis 2,86-mal die Länge des verdickten Teils (22) des Vorformlings (10) - einschließlich dessen Bodens - beträgt.

11. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der verdickte Teil (22) eine Wanddicke vom 1,10- bis zum 1,25- fachen der Wanddicke des Körpers (16) des Vorformlings beträgt.

12. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der verdickte Teil (22) so blasgeformt wird, daß die Bodenwand (34) dahingehend stetig verstärkt wird, daß sie keine Rippung aufweist.

13. Verfahren nach einem vorgehenden Ansprl]ch, bei dem im Teil (14) des Vorformlings (10) die Wanddicke zunimmt und sich unter dem Hals-Endabschnitt (12) nach außen konisch verläuft, der langgestreckte Körper (16) einen ringförmigen Querschnitt hat und der den Fuß bildende verdickte Teil (22) eine zylindrische Wandung (22) aufweist.

14. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem die Bodenwand (34) des Behälters eine Dicke von etwa 4,57 mm (0.180 inch) und seine Seitetiwand eine Dicke von etwa 0,635 mm (0.025 inch) aufweist.

15. Verfahren nach einem vorgelienden Anspruch, bei dem man den Vorformling (10) unmittelbar vor dem Streckblasformschritt auf eine Temperatur erwärmt, die im wesentlichen die höchste vor dem Einsetzen der Oberfläclien-Kristallisation erreichbare ist, um in der Seitenwand des Behälters (30) eine höhere prozentuale Kristallinität zu erzeugen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem man den Vorformling (10) mittels eines Quarz-IR-Rotofens erwärmt, während er sich auf einer Streckblasformvorrichtung befindet.

17. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem die Temperatur der Blasform in einem solchen Bereich liegt, daß vor dem Ausformen des Behälters (30) ein Flaschenglühen möglich ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Vorformling (10) aus Polyethylenterephthalat hergestellt ist und die Temperatur der Blasform etwa 82 ºC (180 ºF) beträgt.

19. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem dpr Radius der umlaufenden Aufstelirundung 0,38 bis 0,76 cm (0.15 bis 0.300 inch) beträgt.

20. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der fußbildende Teil der Blasforrn glatt ausgeführt ist, so daß der resultierendcbehälter (30) einen Fuß aufweist, der stetig verstärkt und rippenfrei ist.

21. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der Streckblasformschritt auf eine Wiedererwärmung des Vorformlings folgt, so daß die Seitenwand des Behälters eine Kristallinität von bis zu 30 % aurweist.

22. Verfahren nach einem vorgehenden Anspruch, bei dem der Mehrweg-Behälter (30) mindestens fünf Wiederverwendungszyklen durchlaufen kann, ohne daß während des Waschens und Abfüllens jeweils Risse und Maßänderungen auftreten, wobei über die letzten fünf Wiederverwendungszyklen, in denen der Behälter (30) jeweils mit heißer Ätzlauge von etwa 60 ºC (140 ºF) gewaschen und bei etwa 4,05 × 10&sup5; Nm&supmin;² (4 Atmosphären) Druck abgefüllt und verschlossen worden ist, die Volumenabweichung maximal ± 1,5 % beträgt.