ES2877209T3 - Sistemas de canal caliente modificados para el moldeo por inyección y soplado - Google Patents

Abstract

Un método de moldeo por inyección y soplado para constituir un contenedor que comprende las etapas de inyectar un polímero cristalizable fundido en un molde de preforma a través de un sistema de canal caliente y estirar biaxialmente la preforma mediante soplado, por lo tanto formando un contenedor, caracterizado por que la etapa de inyección comprende añadir un rozamiento/cizallamiento aplicado localmente en el canal caliente en donde dicha adición comprende modificar de forma selectiva la trayectoria de flujo de masa fundida de polímero desde un punto de vista de sección trasversal con respecto a su longitud, en donde la construcción del canal caliente se modifica de forma que empuja a las macromoléculas en la masa fundida de polímero a diferentes grados de prealineación/orientación, por lo tanto induciendo en la preforma una secuencia regular de variaciones en la prealineación/orientación molecular entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de pared de la preforma.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas de canal caliente modificados para el moldeo por inyección y soplado

Campo de la invención

La presente invención se refiere, en general, a nuevos desarrollos de preformas termoplásticas, en particular del tipo utilizado en contenedores de moldeo por soplado y de forma más particular para preformas que tienen un cuello cristalizado para resistencia a la deformación a temperaturas elevadas. También se refiere a un método para la producción de dichos contenedores y, en particular, para preformas utilizadas para su producción así como un método para la producción de dichas preformas.

Antecedentes de la invención

El uso de contenedores plásticos como un remplazo de contenedores de cristal o metal en el envasado de bebidas se ha vuelto cada vez más popular. Se han utilizado varios tipos de plásticos, que varían desde poliolefinas alifáticas y aromáticas (polietileno, polipropileno, poliestireno) pasando por polímeros halogenados (cloruro de polivinilo, cloruro de polivinilideno) y poliamidas alifáticas (nilones) a poliésteres aromáticos. En cuanto al sector de envases de comida rígidos, el polietileno de tereftalato (PET), un poliéster aromático, es de lejos la resina más ampliamente utilizada. La elección se debe a sus propiedades de material únicas, que combinan entre otras, resistencia a la rotura, ligereza, alta resistencia mecánica, transparencia, reciclabilidad,... Aplicaciones de bebida, tanto para productos carbonatados como no carbonatados, constituyen el área de aplicación más amplia para los contenedores de PET. La mayoría de los contenedores de PET están hechos por un moldeo por soplado y estirado de preformas que han sido realizadas por procesos que incluyen el moldeo por inyección. En algunas circunstancias, se prefiere que la resina de la preforma sea amorfa o únicamente ligeramente semicristalina en su naturaleza, ya que esto permite el moldeo por soplado y estirado. Preformas altamente cristalinas en general son difíciles, si no imposibles de moldear por soplado y estirado. Los documentos US 2002/090473 A1, EP 0 947 304 A, EP 1215 028 A, US 5 948 450 A, US 5421 715 A, US 2003/008034 A1, US 5 935 615 A, DE 196 40 662 C1, US 2004/208949 A1, US 4 108 956, BASHIR Z Y OTROS: "EVALUATION OF THREE METHODS FOR THE MEASUREMENT OF CRYSTALLINITY OF PET RESINS, PREFORMS, AND BOTTLES" (EVALUACIÓN DE TRES MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE LA CRISTALINIDAD DE RESINAS, PREFORMAS Y BOTELLAS DE PET), POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE, BROOKFIELD CENTER (INGENIERÍA Y CIENCIA DE LOS POLÍMEROS, CENTRO BROOKFIELD), ISSN: 0032-3888, y US 4725 464 A divulgan preformas y/o contenedores.

Con materiales plásticos (como el PET) que son derivados del petróleo, los continuos aumentos de los precios de la resina, el petróleo y la energía han creado una presión significativa sobre los propietarios de envases para reducir el coste total de propiedad de su mezcla de envases de plástico. Esto a su vez pone el foco en encontrar soluciones que permitan reducir adicionalmente el grosor de pared de estos contenedores de plástico (como el PET) (aligeramiento) mientras se mantiene las características de rendimiento global inherentes y la flexibilidad de diseño. También desafía a la industria de conversión de material plásti

material plástico, en procesos como la inyección y el moldeo por soplado y estirado. La combinación de la utilización de materiales reducidos y la obtención de fabricación de producción aumentada reduce el coste total de la propiedad para tanto las preformas como los contenedores.

Al mismo tiempo, en algunas aplicaciones de mercado final específicas, se requieren especificaciones de rendimiento mayores en parámetros que incluyen la estabilidad térmica, los rendimientos de barrera y la rigidez mecánica. Dicha aplicación de mercado final específica que requiere especificaciones de rendimiento mayores para contenedores de PET incluyen contenedores de llenado en caliente, que deben soportar un llenado con productos líquidos calientes sin una deformación significativa, seguida de un sellado y un proceso de enfriamiento que crea un vacío en el contenedor, debido a la contracción de volumen del líquido llenado en caliente.

Un problema particular asociado con estos contenedores de llenado en caliente se refiere a la estabilidad térmica tanto del cuerpo, como especialmente el acabado de cuello del contenedor a lo largo de todo el proceso de llenado en caliente, debido a que el aumento en la temperatura durante el proceso provoca una relajación molecular y una contracción en el material del contenedor. Cuanto mayor es la cristalinidad del contenedor más resistente es el contenedor a dicha relajación. Cuando una preforma esencialmente amorfa o sólo ligeramente semicristalina se convierte en un contenedor mediante un proceso de moldeo por soplado y estirado, las condiciones de proceso determinan la cantidad de cristalinidad que se incluye en las diferentes partes del contenedor. A menos que se tomen precauciones especiales y/o se incluyan etapas de proceso adicionales, el acabado de cuello, que se sujeta y se restringe para que no se estire, no recibirá casi ningún aumento en la cristalinidad. Cualquier aumento obtenido será siempre despreciable en comparación con el aumento inducido en el cuerpo principal estirado. Cualquier parte del contenedor hecha completamente de un PET amorfo o sólo ligeramente semicristalino puede que no tenga una estabilidad dimensional suficiente durante un proceso de llenado en caliente estándar para resistir el proceso de relajación y por tanto cumplir las especificaciones requeridas cuando se utilizan cierres roscados estándar.

Una contracción de volumen inaceptable del contenedor y/o especialmente del área de cuello puede crear fugas entre el cuello y el cierre, por tanto aumentando la exposición a microorganismos, a la vez que se aumenta la entrada y/o la salida de gas. Esto puede llevar a problemas de calidad por incumplimiento de las especificaciones y en caso de aplicaciones alimentarias, a situaciones potencialmente peligrosas para el consumidor cuando los microorganismos patológicos son capaces de crecer dentro de la matriz de comida envasada.

En estas circunstancias, un contenedor que comprende cantidades mayores de PET cristalino, especialmente en el acabado de cuello, podría preferirse ya que mantiene su forma durante el proceso de llenado en caliente.

Otra aplicación en la cual los contenedores de plástico están sujetos a temperaturas elevadas, incluyen contenedores pasteurizables los cuales, después del llenado y el sellado, están después expuestos a un perfil de temperatura elevado durante un periodo de tiempo definido. A lo largo de todo el proceso de pasteurización, el contenedor sellado debe tener una estabilidad dimensional de manera que permanezca ajustado y dentro de la tolerancia de volumen especificada.

Otra aplicación más de alta temperatura es el uso de contenedores de plástico retornables o rellenables tanto de bebidas carbonatadas como no carbonatadas, por lo que el contenedor debe soportar ciclos de lavado y reutilización. Dichos contenedores son llenados con una bebida carbonatada o no carbonatada, vendida al cliente, de vuelta vacía y lavada en una solución potencialmente cáustica caliente antes del rellenado. Estos ciclos repetidos de exposición térmica hacen difícil mantener la forma global, la apariencia y el acabado de cuello roscado dentro de las tolerancias requeridas para asegurar una funcionalidad adecuada y/o una aceptación del consumidor general.

Diversos métodos se han propuesto para abordar dichos problemas de un impacto de temperatura elevada en contenedor de plástico a lo largo de todo su ciclo de llenado o de uso por tanto asegurando que se cumplan las especificaciones requeridas para la contracción de volumen, la retención de la forma y el reblandecimiento del cuello y otras.

Uno de dichos métodos consiste en añadir una etapa de fabricación adicional que expone el acabado de cuello y/o parte de cuerpo de la preforma o del contenedor a un elemento de calentamiento con el fin de cristalizar térmicamente el acabado de cuello y/o la parte de cuerpo de la preforma o del contenedor. Sin embargo, la inversión de capital requerida, el tiempo de procesamiento de fabricación mayor y los costes de materiales específicos y/o auxiliares llevan a un coste global mayor de la propiedad y un coste del producto total mayor. Tal y como se estableció previamente, el coste total de producir un contenedores muy importante y necesita ser controlado de forma ajustada debido al mercado competitivo y a las presiones empresariales.

Métodos alternativos de fortalecimiento del acabado de cuello incluyen la cristalización de porciones seleccionadas del acabado de cuello, tal como la superficie de sellado superior y la brida. De nuevo, esto requiere una etapa de calentamiento adicional y un tiempo de procesamiento mayor.

Otra alternativa es usar un material de alta temperatura de transición vítrea en una o más capas del acabado de cuello. En general, esto incluye procedimientos de moldeo por inyección de preforma complejos para lograr la estructura en capas necesaria en el acabado.

Otro método alternativo incluye el diseño de un contenedor específico y de características de diseño tales como para compensar el vacío desarrollado a través del proceso de llenado en caliente.

Una característica de rendimiento particular asociada y crítica para los contenedores de bebida carbonatada, incluye el rendimiento de barrera, es decir, el control de la entrada y/o salida de gas. Para conservar el sabor de la bebida y por tanto aumentar la vida útil del producto, es esencial que la mezcla de gas en el contenedor permanezca inalterada tanto tiempo como sea posible después del proceso de llenado. Se han estado utilizando diferentes métodos hoy en día para mejorar las propiedades de barrera de las paredes del contenedor, incluyendo métodos pasivos (enfoques de coextrusión multicapa, aplicaciones de revestimiento, nanotecnología) y métodos activos (incorporación de atrapador de oxígeno) y combinaciones de los mismos. Todos estos métodos aumentan de forma significativa el coste de la propiedad.

Con respecto a las propiedades mecánicas, artículos comerciales, en general, constituidos de poliésteres y de forma más específica distintos del PET dependen principalmente de algún grado de orientación inducida durante los procesos de fabricación para mejorar las propiedades mecánicas. El grado de orientación molecular y las propiedades físicas del artículo orientado resultante son controlados, sobre todo, por el índice de deformación aplicado durante el procesamiento, por la relación de tensión, por el peso molecular de la resina y por la temperatura a la cual tiene lugar la orientación. Un moldeo por soplado y estirado durante una orientación biaxial cuando se transforma una preforma en un contenedor conduce a una cristalización con tensión inducida. Esto a su vez mejora la resistencia mecánica y las propiedades de barrera. La cantidad de cristalinidad alcanzada y la forma del cristal depende del índice de deformación y de la temperatura de estiramiento. Los medios de producción del estado de la técnica se optimizan para mejorar la resistencia mecánica estirando la preforma amorfa hasta una resistencia máxima dentro de los límites de las características del material. Relaciones típicas de estiramiento medio aplicado varían hasta 4,5 en la dirección circunferencial y hasta 3,2 en la dirección axial. Al exceder estos límites y se entra en rangos de relaciones de estiramiento demasiado altos esto lleva a la creación de microespacios y un fallo del contenedor prematuro.

Un problema particular del moldeo por soplado sigue siendo la generación de una resistencia mecánica mejorada en el acabado de cuello y en la porción inferior del contenedor a la vista de las relaciones de estiramiento despreciables respectivamente bajas en estas áreas específicas.

Especialmente en el caso de contenedores destinados al llenado con refrescos carbonatados, esta reducción local en la resistencia lleva a una deformación del contenedor más severa y por consiguiente una reducción del dióxido de carbono disuelto en el refresco y a una vida útil menor. Para aliviar la debilidad inherente de estas áreas particulares se tiene que recurrir a preformas que muestran un grosor de pared significativamente mayor en el acabado de cuello y en el área inferior.

Otro método ampliamente utilizado para capitalizar la cristalinidad inducida y para extenderla en áreas menos orientadas es el proceso denominado de termofijado, en el cual la transformación de la preforma amorfa a un contenedor cristalino se realiza a alta temperatura para tiempos de ciclo de exposición bastante prolongados.

Una limitación particular que sufren los métodos de producción del estado de la técnica proviene del precalentamiento antes del moldeo por soplado y es tirado del contenedor y de forma más específica de la historia de calor a la que están sujetos los contenedores termofijado.

En el proceso de termofijado la preforma y el contenedor resultante se exponen a temperaturas significativamente más altas por tanto es el caso de las denominadas botellas estiradas en frío como, por ejemplo, las utilizadas para el agua y los refrescos carbonatados. Una temperatura de recalentamiento de la preforma típica para un contenedor termofijado varía de 130 °C frente a 90-100 °C para contenedores estirados en frío.

A continuación la preforma se sopla y estira en un molde de soplado de contenedor calentado donde sólo el contenedor interno es enfriado con aire.

Temperaturas de molde de contenedor termofijado típicas están en el rango de 160°. Como contraste un contenedor estirado en frío es soplado en un molde que se mantiene a alrededor de 20°.

Este tratamiento térmico destruye la mayoría de la orientación inducida de estiramiento ya que los procesos de relajación tienen un amplio tiempo de desarrollo. Como consecuencia, el contenedor termofijado resultante pierde una cantidad sustancial de resistencia mecánica. La resistencia mecánica final alcanzada en la botella termofijada se logra de forma predominante mediante una cristalización adicional a través del tratamiento térmico prolongado. En general, la resistencia del contenedor termofijado resultante es menor que la de un contenedor estirado en frío típico.

Por lo tanto, los contenedores termofijados necesitan una demanda de material mayor, unos tiempos de ciclo de proceso más largos y la aplicación de más energía en comparación con los contenedores estirados en frío.

De lo anterior está claro que podría ser deseable proporcionar un método de fabricación de una preforma constituida de polímeros cristalizables para un contenedor que tiene un acabado de cuello que resiste la deformación, en particular a temperaturas elevadas, caracterizado por que se produce dentro del marco de tiempo de procesamiento estándar y/o extensiones limitadas del mismo.

Está del mismo modo claro que podría ser deseable proporcionar un método de fabricación de una preforma constituida de polímeros cristalizables para un contenedor que tiene un grosor de pared optimizado, propiedades de rendimiento finales iguales o superiores que incluyen, entre otras, la resistencia a la permeabilidad a gases y la resistencia mecánica.

De acuerdo con un primer modo de realización de la presente invención, la presente invención está dirigida a un método para constituir a partir de polímeros cristalizables un artículo en general, de forma más específica una preforma y un contenedor moldeado por soplado y estirado que proporciona características de rendimiento finales iguales o superiores. Dicho método incluye modificaciones de sistema de canal caliente, por lo tanto induciendo nuevas estructuras a nivel de la preforma y/o del contenedor.

Otro modo de realización de la presente invención proporciona un método y un aparato para una fabricación rentable de dichos artículos en general, de forma específica preformas moldeadas por inyección y contenedores moldeados por soplado y estirado.

Resumen de la invención

La presente invención describe un método para la producción de preformas y contenedores constituidos de polímeros cristalizables de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.

Descripción detallada

En la descripción, se han aplicado las siguientes definiciones para:

- “Polímero cristalizable” significa un polímero que muestra tanto regiones amorfas como cristalinas cuando se enfría a un estado de equilibrio por debajo del punto de fusión.

- "CristaNnidad” significa la fracción de volumen del polímero cristalizable que se empaqueta en el estado cristalino. Esta fracción de volumen se calcula como P-Pa/PcPa, donde P es la densidad del material analizado; Pa es la densidad del material amorfo puro (por ejemplo, PET: 1,333 g/cm3); y Pc es la densidad del material cristalino puro (por ejemplo PET: 1,455 g/cm3).

- “Estructura preestratificada” significa la secuencia regular o irregular de variaciones en la prealineación/orientación molecular y/o la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de la preforma.

“Estructura estratificada” significa la secuencia regular o irregular de variaciones en la prealineación/orientación molecular y/o la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal del contenedor.

Tal y como se expuso en el presente documento anteriormente, aunque se prefiere una preforma con un reducido nivel de cristalinidad para moldeo por soplado y estirado, se prefiere un contenedor que tiene un alto grado de cristalinidad por sus características de rendimiento final mejoradas globales, incluyendo una mejor estabilidad térmica en caso de una exposición a temperaturas elevadas durante su ciclo de llenado o uso, una resistencia de permeabilidad a gases aumentada y una mayor resistencia mecánica.

A menos que se tomen precauciones especiales durante el proceso de moldeo por inyección (por ejemplo, técnicas de templado), los artículos moldeados por inyección en general, de forma específica las preformas fabricadas de polímeros cristalizables, que constan de regiones cristalinas, donde las moléculas son empaquetada de forma regular y de forma densa con fuertes interacciones de corto alcance entre cadenas que las mantienen unidas y regiones no cristalinas o amorfas, donde el empaquetado molecular es o bien irregular o menos denso y/o hasta cierto punto regular pero incluso menos denso que la fracción amorfa irregular.

En las regiones cristalinas, la deformación (por ejemplo el estiramiento mediante un moldeo por soplado y estirado) es mucho más difícil de lograr debido al mecanismo de bloqueo entre cadenas molecular de corto alcance mencionado. Por consiguiente, el aumento de la proporción de regiones cristalinas, es decir, el aumento de la cristalinidad, tiene como resultado capacidades de soplado y estirado reducidas.

Con el fin de facilitar el proceso de moldeo de soplado y estirado, que transforma la preforma predominantemente amorfa a través de una etapa intermedia de orientación de cadenas amorfas en un contenedor tridimensional cristalino y por tanto fuerte, es por lo tanto una práctica del estado de la técnica templar el polímero fundido en la cavidad de inyección de manera que se evita la cristalización en la preforma. Como también se templa el acabado de cuello, está tan vacío de cristalinidad como la parte de cuerpo. Sin embargo al contrario que la parte de cuerpo, que está sujeta y restringida el calentamiento y estiramiento no puede cristalizar durante la etapa de moldeo por soplado y estirado.

El resultado final del proceso del estado de la técnica es por tanto un contenedor con un cuerpo cristalino orientado y un acabado de cuello amorfo menos o no orientado, que conduce a problemas de reblandecimiento del cuello y a las soluciones alternativas utilizadas actualmente, tal y como se describió en el presente documento anteriormente.

Los principios físicos subyacentes que rigen son los siguientes:

Cuando una masa fundida de polímero de un polímero cristalizable se enfría rápidamente, es decir, se templa, el material se vitrifica antes de que tenga lugar el comienzo de la cristalización. El proceso de vitrificación resulta en una restricción drástica de la movilidad segmental macromolecular, en otras palabras las macromoléculas vitrificadas ya no pueden disponerse en sí mismas de forma eficiente de manera que inicien la construcción de cristalitos. El proceso de vitrificación también se bloquea en cualquier prealineación/orientación de las macromoléculas que se haya podido presentar en la masa fundida de polímero en el momento del templado. El material vitrificado es por lo tanto amorfo en su naturaleza.

Cuando el material amorfo vitrificado es calentado durante la preparación del proceso de moldeo por soplado y estirado, el bloqueo en la prealineación/orientación se libera tan pronto como se alcanza la temperatura de vitrificación. Dado que el ciclo de calentamiento es muy lento en una escala de tiempo molecular, los procesos de relajación pueden convertirse en activos y la anisotropía que se podría haber bloqueado durante la vitrificación previa de la masa fundida de polímero podría desaparecer de nuevo, dejando el material en una gran medida isotrópico en su naturaleza.

A continuación, el material calentado es estirado biaxialmente en el proceso de moldeo por soplado y estirado. Dependiendo de la temperatura a la cual tiene lugar el moldeo por soplado y estirado, el inicio y la tasa de cristalización inducida puede variar. El periodo de tiempo en el cual se estira la preforma hasta un contenedor sin embargo es lo suficiente mente largo en un nivel de escala de tiempo molecular para garantizar la cristalización, tal y como se puede apreciar por los expertos en la técnica. Adicionalmente, se conoce por los expertos en la técnica que la tasa de cristalización inducida por el proceso de estiramiento es mucho más alta que cualquier tasa de cristalización alcanzada utilizando únicamente el parámetro de temperatura.

Trasladando lo anterior a la práctica del estado de la técnica de fabricación de contenedores mediante procesos de inyección y de moldeo por soplado y estirado, se hace claro por qué el acabado de cuello muestra menos estabilidad térmica que la parte de cuerpo del contenedor al final de la operación de estiramiento:

la parte de cuerpo fue templada a un estado amorfo durante el proceso de moldeo por inyección, fue calentada y moldeada por soplado y estirado por tanto convirtiéndose en cristalinas en su naturaleza como se deseaba.

El acabado de cuello fue templado a un estado amorfo durante el proceso de moldeo por inyección, se dejó enfriar y se restringió su estiramiento antes respectivamente durante el proceso de moldeo o soplado y estirado y por lo tanto permaneció amorfo en su naturaleza y vacío de cualquier aumento de cristalinidad.

Con el fin de aumentar la estabilidad térmica del acabado de cuello, es necesario que se haga cristalino en su naturaleza. Se han propuesto modificaciones y adiciones al proceso de fabricación tal y como se describió anteriormente. Todas ellas sufren de ser lentas y por tanto añadir un tiempo valioso y costoso al proceso de fabricación. La razón para ello es que se encuentran en el segundo fenómeno físico mencionado: la diferencia en la tasa de cristalización entre una cristalización inducida por calor y una cristalización inducida de forma mecánica, sea la misma por cizallamiento, por flujo, por tensión de estiramiento o similar.

De acuerdo con la presente invención, se ha descubierto ahora de forma sorprendente que el efecto de la prealineación/orientación inducida de macromoléculas en la masa fundida de polímero puede ser sinérgica con el efecto de la cristalinidad, de una manera acelerada. Mediante el uso de ambos efectos, los artículos en general o de forma más específica las preformas y los artículos moldeados por soplado y estirado, de forma específica los contenedores de los mismos, se pueden obtener ahora, teniendo propiedades superiores que nunca han sido alcanzadas por métodos convencionales descritos en la técnica anterior.

De acuerdo con la presente invención, tanto la cristalinidad como la prealineación/orientación de las macromoléculas en la masa fundida de polímero gobiernan las propiedades de los artículos en general, de forma específica las preformas y los artículos moldeados por soplado y estirado, de forma específica los contenedores, constituidos de polímeros cristalizables.

La presente invención combina el efecto de la prealineación/orientación de las macromoléculas en la masa fundida de polímero con el efecto de cristalinidad bien conocido con el fin de lograr la mejora de rendimiento sinérgica en el artículo general, de forma más particular en la preforma y/o el contenedor.

Por medio de un rozamiento/cizallamiento local controlado a través de la introducción de modificaciones en el interior del sistema de canal caliente, la combinación sinérgica que subyace a la presente invención permite la introducción de gradientes de orientación y por tanto la estratificación sobre la sección de pared de los artículos constituidos de polímeros cristalizables, incluyendo la preforma y el contenedor soplado y estirado resultante.

El mecanismo de rozamiento/fricción local controlado y la combinación sinérgica/acumulada de la prealineación/orientación y la cristalización del polímero cristalizable a su vez permite la creación de una estructura pre y estratificada a través de los productos finales fabricados, como preformas y contenedores, llevando a artículos finales que tienen una alta resistencia térmica, una resistencia a la permeabilidad a gases y una resistencia mecánica.

Mediante la creación de dichos gradientes de orientación y de las estructuras pre y estratificadas, se pueden fabricar artículos como preformas que resultarán en unas características de rendimiento final iguales o superiores en los contenedores fabricados de los mismos en los grosores de pared optimizados y/o retener las dimensiones necesarias en el acabado de cuello y/o en la parte de cuerpo cuando el contenedor final está siendo sujeto a temperaturas elevadas durante su ciclo de llenado o de uso.

Mediante el control del rozamiento/cizallamiento local y la prealineación/orientación resultante de las macromoléculas de polímero cristalizable dentro de los procesos de inyección, los mecanismos, posiciones y tasas de movimiento de las moléculas de los mismos se regulan tanto en la matriz de masa fundida de polímero como en la matriz de pared final en los artículos fabricados, como en la preforma y en el artículo moldeado por soplado y estirado de la misma.

De forma más práctica, en el método de acuerdo con la presente invención, la cantidad de prealineación/orientación de las macromoléculas del polímero cristalizable en la masa fundida de polímero y la orientación molecular resultante y los gradientes de orientación obtenidos en el artículo en general se regulan principalmente dentro del sistema de canal caliente. La naturaleza, semicristalina o amorfa, y la distribución de esta naturaleza a través de las regiones seleccionadas del artículo en general, de forma específica la preforma después del proceso de moldeo por inyección, se regula principalmente dentro de la cavidad de preforma del proceso de inyección.

Tal y como se expuso anteriormente y de acuerdo con la presente invención, la prealineación/orientación de las macromoléculas es inducida mediante el control del rozamiento/cizallamiento local dentro del proceso de inyección.

Para alinear en general las macromoléculas que facilitan la creación de los gradientes de orientación deseados y de las estructuras pre y estratificadas en el artículo en general, de forma específica en la preforma, las macromoléculas de masa fundida de polímero se orientan en el canal caliente en el sistema de inyección mediante el control del rozamiento/cizallamiento aplicado localmente. Esto puede, entre otras cosas, lograrse haciendo pasar el polímero fundido a través de modificaciones de canal caliente internas especialmente diseñadas tales como un perfilado del bus y/o de la aguja o insertos de colocación dentro del sistema de canal caliente. Si es necesario, esto se puede combinar con una presión de inyección alta o con ciclos de compresión y descompresión repetitivos.

En contraste con los canales calientes de los procesos de moldeo por inyección del estado de la técnica en los que estos canales calientes se diseñan típicamente para evitar el rozamiento/cizallamiento cuando el polímero fluye a través del canal caliente, la presente invención utiliza el control del rozamiento/cizallamiento aplicado localmente en dicho canal caliente como medios para introducir una prealineación/orientación preferida de las macromoléculas. Un rozamiento/cizallamiento adicional se puede inducir también en la entrada a la cavidad de preforma.

El principio básico detrás de esta característica es el hecho de que la trayectoria de flujo o el canal de flujo, a través del cual fluirán los materiales seleccionados se modifican desde un punto de vista de la sección trasversal y con respecto a su longitud. La construcción de canal caliente se modifica de manera que empuja a la masa fundida de polímero a la prealineación/orientación.

Las variaciones de dichas modificaciones de la construcción de canal caliente incluyen configuraciones del canal caliente que se pueden obtener aplicando algunos de los ajustes no exhaustivos o no limitativo siguientes, o bien utilizados sólo o en combinación:

i) cambio del diámetro del canal de flujo,

ii) introducción de restricciones de Venturi para el flujo de masa fundida, seguidas por canales de longitud definida que producen una expansión posterior del flujo,

iii) inclinación apropiada de dichas restricciones o expansiones,

De forma práctica, sin ser limitativo su exhaustivos, se puede realizar mediante perfilado de la aguja y/o de la carcasa exterior del canal caliente (bus) y/o la introducción de insertos (por ejemplo, configuraciones geométricas seleccionadas de uno o más de, tubos concéntricos, ruedas estrelladas o zonas que tienen variaciones de diámetro) en posiciones seleccionadas en el canal caliente.

Un rozamiento/cizallamiento adicional en la entrada a la cavidad de la preforma se puede lograr reduciendo el agujero del orificio dentro del canal caliente.

Los canales de flujo finales obtenidos en el canal caliente pueden ser diversos en tamaño y pueden ser simétricos o no simétricos tal y como se requiera para lograr la configuración estratificada final deseada del contenedor.

Sin desear estar limitados por ninguna teoría, los fenómenos físicos y químicos que forman la base de la invención se describirán ahora:

Es un conocimiento común que el templado de masas fundidas de polímero isotrópicas lleva a la vitrificación de las macromoléculas a una temperatura, característica para el polímero en particular, denominada temperatura de transición vítrea. Por debajo de la temperatura de transición vítrea, la movilidad segmental macromolecular se restringe drásticamente, a medida que las macromoléculas se “congelan”. Por encima de la temperatura de transición vítrea la movilidad segmental macromolecular aumenta de forma mantenida con el aumento de la temperatura. A medida que la cantidad de movilidad segmental macromolecular aumenta, la aleatorización de matriz, conocida como relajación, se hace cada vez más predominante, llevando en última instancia a una masa fundida isotrópica.

Se conoce por los expertos en la técnica que masas fundidas de polímero anisotrópicas, es decir, prealineadas/orientadas se comportan de forma bastante diferente tras el templado/enfriado. Dependiendo del grado de prealineación/orientación, el proceso de vitrificación tiene lugar a temperaturas que exceden la temperatura de transición vítrea característica del polímero y la vitrificación lleva a una estructura amorfa más densa.

Por lo tanto, cuando una masa de polímero se caracteriza de diferentes grados de prealineación/orientación, tal como cuando una masa fundida de polímero estratificada es templada esas partes que muestran el grado más alto de prealineación/orientación se vitrificarán primero, es decir, a la temperatura más alta, mientras que esas partes que no muestran prealineación/orientación se vitrificarán a la temperatura de transición vítrea. Las partes que se caracterizan por grados intermedios de prealineación/orientación se vitrificarán a temperaturas intermedias. El resultado es un vidrio de polímero amorfo altamente anisotrópico, que se caracteriza por regiones con variaciones de empaquetado molecular desde totalmente aleatorias, es decir, irregulares, a estructuradas, es decir, prealineadas/orientadas. Estos gradientes de orientación se traducen en gradientes de densidad, con las regiones estructuradas que se caracterizan por una densidad más alta.

Tras el recalentamiento de la matriz de polímero vitrificada enfriada, el inicio de la movilidad segmental macromolecular sucederá en orden inverso, es decir, cuanto más bajo es el grado de prealineación/orientación en el estado vítreo, más pronto (es decir, a una temperatura inferior) se produce el inicio de la movilidad segmental macromolecular (que tal y como se expuso anteriormente lleva a una aleatorización en una estructura isotópica, es decir, relajación) una vez que la temperatura de transición vítrea es cruzada en el proceso de calentamiento.

De lo anterior, está claro que la prealineación/orientación congelada en el estado vítreo durante el primer proceso de templado se retiene después del calentamiento de tal manera que la matriz de polímero anterior está a una temperatura de transición vítrea. Dependiendo de la temperatura final alcanzada en el ciclo de calentamiento, algunas regiones en la matriz de polímero permanecerán vitrificadas, es decir aquellas con grados de aumento de la prealineación/orientación que se vitrificaron a temperaturas que exceden a la alcanzada en el ciclo de calentamiento.

Estos fenómenos por tanto permiten mantener la duración del proceso de inyección en la estructura pre y estratificada inducida de la preforma durante el calentamiento antes del moldeo por soplado y estirado y después para transformar la estructura amorfa estratificada en una estructura cristalina estratificada en el proceso de moldeo por soplado y estirado.

Variaciones en la tasa de enfriamiento/templado en la cavidad de inyección permiten racionalizar la naturaleza, amorfa o semicristalina, de la mezcla fundida de polímero vitrificada.

Mientras que un templado bloquea la prealineación/orientación en el estado vitrificado vítreo, tasas reducidas de enfriamiento/templado permiten que se desarrolle la competencia de forma progresiva entre los procesos de vitrificación y cristalización.

Tal y como es conocido por los expertos en la técnica, que la prealineación/orientación acelera la tasa de cristalización de forma importante con respecto a la cristalización inducida por calor, diferencias relativamente pequeñas en la tasa de enfriamiento pueden provocar diferencias significativas en la naturaleza de la matriz de polímero enfriada.

Al contrario que las etapas de calentamiento adicionales utilizadas en el procesamiento del estado de la técnica actual tal y como se describió anteriormente, la cristalización de la fracción de polímero fuertemente prealineada/orientada en la estructura pre y estratificada sucede en una escala de tiempo mucho más pequeña y bien dentro del marco de tiempo típico para los tiempos de ciclo de inyección de preforma de la técnica anterior y/o las extensiones limitadas de los mismos.

Los fenómenos anteriores permiten la introducción de la secuencia regular de variaciones en la prealineación/orientación molecular (véanse las figuras 10A y 10B) y/o la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de la preforma.

Mediante el ajuste de la tasa de enfriamiento/templado en la cavidad de inyección de forma apropiada (es decir, en el tiempo y en la ubicación), se facilitará la fabricación en los procesos de moldeo por inyección de una preforma, teniendo una estructura sustancial preestratificada. Dicha preforma se trasformará en un contenedor cristalino durante un único proceso de moldeo por soplado y estirado sin necesidad de etapas de calentamiento o de procesamiento adicionales para reforzar el acabado de cuello.

Los fenómenos anteriores permiten del mismo modo la introducción de una secuencia regular o irregular de variaciones en la prealineación/orientación molecular y la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal del contenedor.

Mediante el ajuste de la tasa de enfriamiento/templado en la cavidad de inyección de forma apropiada (es decir en el tiempo y en la ubicación), se facilitará la fabricación en el proceso de moldeo por inyección de un contenedor que tiene una estructura sustancial estratificada en la parte de cuerpo. Dicho contenedor no necesitará etapas de calentamiento o procesamiento adicionales para reforzar el acabado de cuello.

Los diferentes niveles de enfriamiento se mantienen de forma preferible mediante un aislamiento térmico de las regiones que requieren tasas de enfriamiento inferiores. Este aislamiento térmico se puede lograr, por ejemplo, utilizando una combinación de materiales de alta y baja conductividad térmica como insertos.

Los procesos de acuerdo con la presente invención de forma preferible logran la constitución de una preforma dentro de los tiempos de ciclo preferidos y/o las extensiones limitadas de los mismos, para preformas de PET estándar de tamaño, diseño y peso similares mediante métodos estándar utilizados actualmente en la producción de preformas. Dichos procesos se habilitan mediante un diseño de herramientas y técnicas de proceso para permitir la generación simultánea de gradientes de orientación y de diferentes grados de cristalinidad en ubicaciones particulares en la preforma.

El enfriamiento del molde en las regiones de preforma para las cuales se prefiere que el material sea en general amorfo o semicristalino se logra mediante la circulación de fluido enfriado a través de regiones seleccionadas de la cavidad de moldeo del núcleo.

Teniendo en cuenta la consideración sobre el mecanismo de la invención descrito hasta ahora se entenderá fácilmente que las condiciones del proceso de inyección se pueden optimizar para el rango bien especificado con el fin de fabricar los artículos en general, de forma más particular las preformas y los contenedores moldeados por soplado y estirado resultantes de la presente invención.

La presente invención se puede aplicar a varios polímeros cristalizables para fabricar artículos en general, de forma específica preformas y contenedores a través de los procesos que incluyen el moldeo por inyección y por soplado y estirado.

La preforma y el contenedor pueden hacerse únicamente de PET cristalizable u otro polímero, de forma preferible pero de forma no exclusiva un poliéster aromático o alifático, una mezcla de poliésteres aromáticos o alifáticos, un copolímero de poliéster aromático o alifático o cualquier combinación de los mismos.

Ejemplos preferidos incluyen tereftalato de polietileno (PET), naftalato de polietileno (PEN), tereftalato de politrimetileno (PTT), naftalato de politrimetileno (PTN), ácido poliláctico (PLLA) y copolímeros y mezclas de los mismos.

Las preformas constituidas de polímeros cristalizables son de forma preferible monocapa, es decir constituidas de una sola capa de un material base o pueden ser multicapa, incluyendo, pero no limitadas a, aquellos que comprenden una combinación de un material base y un material de barrera. El material en cada una de estas capas puede ser de un solo tipo de polímero cristalizable o puede ser una mezcla de polímeros cristalizables.

De acuerdo con la presente invención, se ha encontrado también que la prealineación /orientación de las macromoléculas amorfas puede además influir de forma positiva a través de la utilización de un polímero cristalizable con un peso molecular más alto, como una vez que se ha alcanzado la orientación, las moléculas prealineadas de un polímero cristalizable con un peso molecular más alto muestran una resistencia más alta a la relajación, con ello reteniendo la orientación a lo largo de un periodo de tiempo más largo.

Está claro que un método de acuerdo con la presente invención puede tener ventajas convincentes en comparación con métodos de la técnica anterior. En particular, para artículos en general, o de forma más particular preformas y contenedores constituidos de polímeros cristalizables mediante procesos de fabricación que incluyen moldeo por inyección y por soplado y estirado, a través del logro de una estratificación en el cuerpo y en el acabado de cuello durante la etapa de inyección, se pueden obtener beneficios finales deseados que incluyen, entre otros, variaciones dimensionales minimizadas en el acabado de cuello bajo temperaturas elevadas debido al nivel medio más alto de cristalinidad alcanzado en el acabado de cuello, una igual o mejor resistencia a la permeabilidad a gases y una mayor resistencia mecánica.

Además, mediante el proceso de la presente invención, las etapas de la técnica anterior de exposición a elementos de calentamiento térmico, la cristalización de porciones seleccionadas, la utilización de materiales de temperatura de transición vítrea alta en combinación con procesos de moldeo por inyección más complejos y/o procesos que incluyen una cristalización térmica después del moldeo se pueden eliminar y la fabricación de dichas preformas y contenedores sucede dentro del marco de tiempo de fabricación estándar normal y/o la extensión limitada del mismo.

En particular, para artículos en general constituidos mediante procesos que incluyen operaciones de moldeo por inyección y/o por soplado y estirado y de forma más particular para preformas y contenedores constituidos de polímeros cristalizables, la presente invención puede llevar a una reducción adicional del grosor de la pared del artículo debido a la resistencia mecánica mayor obtenida de la creación de la estratificación a través de la pared del artículo. A su vez, la reducción del grosor de pared puede crear un aumento sustancial en la producción de funcionamiento del proceso de moldeo por inyección y/o por soplado y estirado. Estos beneficios combinados permiten una reducción adicional del coste total de la propiedad de los artículos producidos en general, de forma específica preformas y contenedores constituidos de polímeros cristalizables.

Al tener la resistencia mecánica mayor del contenedor soplado finalmente también se permite la absorción del vacío tras el enfriamiento del líquido que permite la constitución de contenedores que tienen un diseño y geometría más simples en comparación con contenedores comerciales que tienen paneles de vacío y/u otras características especialmente diseñadas en la geometría de la botella que permiten la absorción de vacío.

Las ventajas anteriores hacen los artículos de la presente invención muy adecuados para aplicaciones de alta especialidad incluyendo aplicaciones de llenado en caliente y diversas aplicaciones de bebida carbonatada y/o no carbonatada.

Ejemplos

1. Sistema de inyección (figura 1)

a. Un grado disponible comercialmente de un polímero cristalizable, el cual es PET, se toma dentro de un rango IV clásico de 0,78-0,82, como la referencia M&G Cobiter 80.

b. El material polímero referido en 1a. se convierte en una máquina de inyección clásica como tipo Huskey operada con configuraciones de máquina típicas:

Barril de extrusora 270-290 °C

Boquilla 270-290 °C

Distribuidor 275-295 °C

Compuertas 280-300 °C

Agua de enfriamiento de molde 10°-15 °C

Tiempo de ciclo 10-60 segundos

c. La posición 1b se repite con un grado disponible comercialmente de un polímero cristalizable, el cual es PET, con un rango IV aumentado de 0,82-0,86, como la referencia M&G Cleartuf Max.

d. La posición 1b se repite con un grado disponible comercialmente de copolímero cristalizable, el cual es PET basado, dentro del rango IV clásico de 0,78-0,82, como la referencia M&G Cle 8006.

2. Sistema de canal caliente

a. Las posiciones 1a a 1d se ejecutan con una configuración de cada cliente clásica normal para una producción de preforma inyectada.

b. Las posiciones 1a a 1d se repite en con la incorporación de modificaciones de canal caliente específicas tal y como se refirió en las figuras 2 a 9.

3. Preforma de inyección

a. Las posiciones descritas en 1 y 2 se ejecutaron con el uso de una preforma disponible en la industria adecuada para una botella moldeada por inyección y por soplado y estirado de un tamaño de volumen seleccionado.

b. La posición 3a se repite pero con el uso de una preforma disponible en la industria adecuada para una botella moldeada por inyección y por soplado y estirado, la preforma que tiene una relación de estiramiento axial reducida para el tamaño de volumen seleccionado.

c. La posición 3a se repite con temperaturas de molde de preforma adaptadas entre 8 y 60 °C para cualquiera del cuello y/o el área de cuerpo.

d. La posición 3b se repite con temperaturas de molde de preforma adaptadas entre 8 y 60 °C para cualquiera del cuello y/o el área de cuerpo.

4. Proceso de recalentamiento de preforma

a. Las preformas obtenidas desde las posiciones 3a a 3d se recalientan en una máquina de moldeo por soplado convencional, como Sidel, que funciona bajo una temperatura de recalentamiento de preforma que varía de 90 a 95 °C.

b. Las preformas obtenidas desde las posiciones 3a a 3d se recalientan en una máquina de moldeo por soplado convencional, como Sidel, que funciona bajo una temperatura de recalentamiento de preforma que varía de 100 a 110 °C.

c. Las preformas obtenidas desde las posiciones 3a a 3d se recalientan en una máquina de moldeo por soplado convencional, como Sidel, que funciona bajo una temperatura de recalentamiento de preforma que varía de 120 a 130 °C.

5. Proceso de moldeo por soplado

a. Las preformas obtenidas desde las posiciones 4a a 4c se soplan en un molde de soplado convencional adecuado para una botella moldeada por inyección por soplado y estirado del tamaño seleccionado que funciona a una temperatura de molde de 23 °C.

b. Las preformas obtenidas desde las posiciones 4a a 4c se soplan en un molde de soplado convencional adecuado para una botella moldeada por inyección por soplado y estirado del tamaño seleccionado que funciona a una temperatura de molde de 80 °C.

c. Las preformas obtenidas desde las posiciones 4a a 4c se soplan en un molde de soplado convencional adecuado para una botella moldeada por inyección por soplado y estirado del tamaño seleccionado que funciona a una temperatura de molde de 160 °C.

El ejemplo anterior demuestra los beneficios tal y como se establecen en la descripción con respecto a las propiedades funcionales finales que incluyen mejoras en la resistencia mecánica, el rendimiento de barrera, la estabilidad dimensional y el grosor de pared optimizado de aproximadamente 0,2 mm del contenedor soplado y estirado resultante como la producción de procesamiento de moldeo por inyección y por soplado. Los contenedores resultantes se utilizan de forma ideal en aplicaciones de llenado en caliente (con porcentajes de contracción que son menores de aproximadamente un 4%) y para diversas aplicaciones de bebida carbonatada y/o no carbonatada.

En la memoria descriptiva y las figuras sólo se han divulgado modos de realización típicos. Se han usado términos específicos en un sentido genérico y descriptivo y no se han dado con propósitos de limitación. Como es evidente para los expertos en la técnica, debería entenderse que esta invención no se debe limitar de forma indebida al ejemplo ilustrado tal y como se estableció en el presente documento anteriormente.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un método de moldeo por inyección y soplado para constituir un contenedor que comprende las etapas de inyectar un polímero cristalizable fundido en un molde de preforma a través de un sistema de canal caliente y estirar biaxialmente la preforma mediante soplado, por lo tanto formando un contenedor, caracterizado por que la etapa de inyección comprende añadir un rozamiento/cizallamiento aplicado localmente en el canal caliente en donde dicha adición comprende modificar de forma selectiva la trayectoria de flujo de masa fundida de polímero desde un punto de vista de sección trasversal con respecto a su longitud, en donde la construcción del canal caliente se modifica de forma que empuja a las macromoléculas en la masa fundida de polímero a diferentes grados de prealineación/orientación, por lo tanto induciendo en la preforma una secuencia regular de variaciones en la prealineación/orientación molecular entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de pared de la preforma.

2. Un método de moldeo por inyección y soplado para constituir un contenedor de acuerdo con la reivindicación 1, por la cual se induce en la preforma una secuencia regular de variaciones en la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de pared de la preforma.

3. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde en el sistema de canal caliente la trayectoria de flujo de masa fundida de polímero se modifica mediante el perfilado de una aguja, dentro de un bus o una combinación de los mismos.

4. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde la trayectoria de flujo de masa fundida de polímero se modifica mediante la colocación de insertos dentro del sistema de canal caliente.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende ajustar la tasa de enfriamiento/templado en la cavidad de inyección de forma apropiada de manera que se influye en la secuencia regular de variaciones en la prealineación/orientación molecular y en las variaciones en la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de pared de la preforma.

6. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde el polímero cristalizable es un PET, un PET IV alto o un PET modificado o una combinación de los mismos.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, que además comprende la etapa de la provisión de copolímeros de poliamida, PGA, PEN, o mezclas de los mismos.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 6 que comprende además la etapa de la provisión de aditivos, tales como antioxidantes, absorbentes de UV, tintes, colorantes, agentes nucleantes, cargas y mezclas de los mismos.

9. Una preforma adecuada para el moldeo por soplado constituida de polímeros cristalizables, dicha preforma que comprende una secuencia regular de variaciones en la prealineación/orientación molecular entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de pared de la preforma, caracterizada por que dicha preforma además comprende una secuencia regular de variaciones en la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de pared de la preforma.

10. Una preforma de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el polímero cristalizable es un PET, un PET IV alto o un PET modificado o una combinación de los mismos.

11. Una preforma de acuerdo con la reivindicación 10, que además comprende copolímeros adecuados para modificar las características físicas del contenedor, tales como, pero no limitados a, poliamida, PGA, PEN o mezclas de los mismos.

12. Una preforma de acuerdo con la reivindicación 10, que además comprende aditivos, tales como antioxidantes, absorbentes de UV, tintes, colorantes, agentes nucleantes, cargas y mezclas de los mismos.

13. Un contenedor constituido por moldeo por soplado de la preforma constituida de polímeros cristalizables de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado además por que dicho contenedor comprende una secuencia regular de variaciones en la prealineación/orientación molecular y una secuencia regular de variaciones en la cristalinidad entre diferentes ubicaciones de la sección trasversal de pared del contenedor.

14. Un contenedor de acuerdo con la reivindicación 13, en donde el polímero cristalizable es un PET, un PET IV alto o un PET modificado o una combinación de los mismos.

15. Un contenedor de acuerdo con la reivindicación 14, que además comprende copolímeros adecuados para modificar las características físicas del contenedor, tales como, pero no limitados a, poliamida, PGA, PEN, o mezclas de los mismos.

16. Un contenedor de acuerdo con la reivindicación 14, que además comprende aditivos tales como antioxidantes, absorbentes de UV, tintes, colorantes, agentes nucleantes, cargas y mezclas de los mismos.

17. Un contenedor de acuerdo con la reivindicación 13, el porcentaje de contracción de dicho contenedor durante las operaciones de llenado en caliente que es menor de aproximadamente 4%.

18. Un contenedor de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 17, que tiene partes con un grosor de pared menor de aproximadamente 1 mm, de forma preferible aproximadamente 0,2 mm.

19. Uso de un contenedor como se define de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 17 para el uso en aplicaciones de llenado en caliente.

20. Uso de un contenedor como se define de acuerdo con las reivindicaciones 13 a 17 para el uso en aplicaciones de bebida carbonatada o no carbonatada.