FR2887238A1 - Procede de remplissage a chaud d'un contenant a paroi mince et contenant rempli ainsi obtenu - Google Patents

Procede de remplissage a chaud d'un contenant a paroi mince et contenant rempli ainsi obtenu Download PDF

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Abstract

L'objet de l'invention est un procédé de remplissage à chaud d'un contenant avec un liquide stérilisé, généralement à une température située entre 60 à 95 degree C, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les étapes suivantes :a. disposer d'un contenant réalisé en un matériau et suivant un procédé apte à le rendre résistant au remplissage à chaud dudit liquide, ledit contenant ayant des contraintes résiduelles issues de sa fabrication,b. remplir ledit contenant avec ledit liquide chaud,c. obturer aussitôt après remplissage ce contenant rempli,d. laisser refroidir au moins au-dessous d'une température de figeage du contenant, provoquant une déformation par formation d'une dépression à l'intérieur du contenant, ete. chauffer le contenant pour provoquer un relâchement des contraintes résiduelles, ce relâchement conduisant à un rétreint et consécutivement générant une mise en pression interne du contenant ce qui compense au moins les déformations subies par les effets de la dépression de l'étape d/.

Description

PROCEDE DE REMPLISSAGE A CHAUD D'UN CONTENANT A PAROI
MINCE ET CONTENANT REMPLI AINSI OBTENU
La présente invention concerne un procédé de remplissage à chaud d'un contenant à paroi mince, légère, notamment en polyéthylène et contenant rempli ainsi obtenu.
On connaît un polymère le polyéthylène téréphtalate, PET, fortement utilisé pour la réalisation de contenants pour liquides. Ses principaux atouts sont la transparence, le poids faible, la libération des formes autorisant des profils distinctifs en fonction des produits ou des besoins commerciaux, contrairement aux boîtes métalliques, toutes de même forme et de mêmes dimensions. Il en est de même pour les contenants réalisés à partir de carton dont les formes sont limitées.
Le PET est incassable et avec de bonnes propriétés mécaniques de conservation, de perméabilité, ce qui le rend très attractif et explique en grande partie sa très forte utilisation.
Ces bouteilles en PET sont utilisées pour des liquides plats tels que les huiles, les eaux minérales. Dans ce cas, les contenants ne subissent que très peu de contraintes mécaniques. Le PET est tout à fait adapté. En effet, ces liquides sont remplis à froid et sans pression.
Ces bouteilles ont également utilisées dans le cas des boissons carbonatées et donc susceptibles de mettre en pression le contenant.
Des artifices de conception avec des cannelures sur le corps de bouteille ou des fonds dits pétaloïdes permettent de renforcer la résistance mécanique et/ou la résistance à la pression, sans augmenter de façon pénalisante le poids du contenant.
Lorsque les industriels ont besoin de remplir à chaud un contenant, il faut alors recourir à des conceptions différentes qui nécessitent des épaisseurs plus importantes, des géométries différentes et conduisent à des poids élevés avec des fortes consommations de matière, jusqu'à deux fois le poids d'une même bouteille pour liquides remplis à froid.
En effet, les caractéristiques mécaniques du PET se dégradent fortement lorsque la température s'élève.
Il existe des procédés dits "Heat Resistant", plus communément désigné par les lettres HR.
Un premier procédé dit à une roue permet d'atteindre des températures de remplissage de 80/88 C.
Un second procédé dit à deux roues qui permet de conditionner les liquides à des 15 températures de 88/95 C.
Une bouteille remplie à chaud subit en effet de nombreuses contraintes mécaniques lors des différentes phases.
Ainsi le fond doit résister à la pression hydrostatique du liquide chaud lors du remplissage.
Le contenant doit résister aux efforts engendrés lors du vide généré par le refroidissement du liquide alors que le contenant a été bouché à chaud, pour assurer le caractère stérile du liquide. Le refroidissement provoque une double contraction, celle du liquide et celle de l'air de l'espace de tête de ladite bouteille.
C'est pour cette raison que les profils sont beaucoup plus complexes avec des panneaux et poutres sur le corps, des ceintures marquées sur le corps également ainsi qu'une épaule entre le goulot et le corps, dont la forme est plutôt en forme de bulbe.
L'avantage de l'épaisseur nécessaire à la résistance mécanique est également de présenter une plus forte inertie à la température.
La fabrication de bouteilles légères en PET recourt au procédé dit d'extrusion/soufflage. Ce procédé consiste à réaliser une préforme par extrusion, cette préforme ayant un profil de tube avec une extrémité formée aux dimension et à la forme définitive du goulot, l'autre extrémité étant fermée. Après réchauffage de cette préforme, notamment par rayonnements infrarouges, jusqu'à 100/120 C, le matériau, amorphe est ramolli et peut subir un soufflage par l'intérieur après qu'elle ait été placée dans un moule adapté.
Ce moule est de dimensions telles que le retrait de la matière au refroidissement soit pris en compte pour que le contenant final présente les dimensions souhaitées.
Lors de cette phase de soufflage, il se produit un étirage longitudinal sous l'action d'une tige d'étirage et un gonflage par l'air sous pression ainsi introduit.
Plus exactement, l'air est d'abord introduit à basse pression pour assurer une déformation adaptée de la matière durant les fortes amplitudes puis à haute pression pour assurer un plaquage contre les parois du moule en finition et pour de très faibles amplitudes.
Les moules sont également refroidis à l'eau afin de dissiper les calories transmises par contact, ce qui a aussi pour effet de figer la bouteille.
De fait les bouteilles ainsi obtenues sont dites bi-orientées car elles ont subi un étirage dans une direction et un gonflage omni directionnel.
Les chaînes macromoléculaires ainsi orientées dans deux directions conduisent à d'excellents paramètres de résistance mécanique, à température ambiante.
L'inconvénient de cette bi-orientation est d'être en partie réversible et la matière retrouve ainsi une certaine liberté dès que la température s'élève.
De fait, la matière a tendance à revenir à sa forme initiale dans laquelle elle présente le moins de contraintes.
C'est le phénomène dit de mémoire de forme.
Pour les bouteilles épaisses destinées à être utilisées pour des boissons remplies à chaud, on recourt aussi à l'extrusion soufflage mais avec des paramètres de conduite plus sophistiqués et plus complexes.
En effet, la préforme est réchauffée à une température plus élevée que dans le cas des contenants légers, proche de la cristallisation afin de minimiser cette mémoire de forme du PET et relâcher les contraintes dues au soufflage. Dans le cas de fabrication à une roue, de façon à augmenter sa résistance à la température, on fait subir un traitement thermique au matériau initialement amorphe de ce contenant, pendant et après sa mise en forme.
Le matériau lorsqu'il est étiré après ramollissement, génère une cristallinité induite mais réversible, le matériau restant transparent.
Ensuite, si la chauffe est maintenue après avoir généré cette cristallisation induite, il se produit une cristallisation sphérolitique, provoquant une certaine 15 cristallinité des chaînes déjà organisées par bi-orientation.
Contrairement à la cristallisation sphérolitique directe du PET, la cristallisation sphérolitique postérieure à une bi-orientation conserve parfaitement la transparence du matériau.
Dans le cas de la fabrication à deux roues, le procédé permet d'atteindre des 20 performances plus élevées mais au prix d'une succession d'étapes plus complexes.
En effet, dans ce cas, on élabore d'abord une ébauche de volume beaucoup plus important que le volume du contenant final, deux à trois fois, donc avec un taux d'étirage proportionnel.
Cette ébauche est ensuite réchauffée au-delà de la transition vitreuse pour relâcher les contraintes, ce qui provoque une diminution du volume et un retour vers les dimensions de la préforme mais avec un fort taux de cristallinité sphérolitique, ceci d'une façon proportionnelle conduisant à un contenant homothétique. Il y a auto-régulation avec le PET.
Lorsque cette ébauche restreinte est en température, une étape de soufflage avec un moule aux dimensions du contenant final à obtenir, aux retraits près, 5 permet de fabriquer le contenant final.
Le fort taux de cristallinité confère à ce contenant une résistance améliorée au remplissage à chaud.
On note qu'un tel procédé est beaucoup plus lourd à mettre en place.
Une fois ces contenants fabriqués, il existe plusieurs méthodes de remplissage 10 et différents comportements des liquides à conditionner.
Il existe des liquides sensibles à la lumière tels que le lait ou la bière, à l'absorption d'oxygène et donc oxydo sensibles tels que les jus, la bière, l'huile, à la reprise d'eau, à la perte de gaz, au développement de levures, moisissures ou bactéries.
Les liquides peuvent inclure des conservateurs et sont de ce fait peu sensibles par contre certains liquides dits plats et sensibles comme les laits, jus, café, thé, boissons aux fruits, certaines eaux, n'incluent aucun conservateur et doivent être néanmoins conditionnés dans les meilleures conditions.
Pour assurer un tel conditionnement, il est prévu un remplissage aseptique ou un 20 remplissage à chaud.
Le remplissage aseptique est simple en théorie puisqu'il consiste à remplir et à boucher des liquides stérilisés dans des emballages stérilisés avec des bouchons stérilisés dans une ambiance stérile.
Néanmoins, on comprend que la chaîne n'est pas simple à mettre en place et conduit à des coûts élevés. Dans une telle chaîne, il faut recourir à des stérilisations chimiques qui utilisent des produits chimiques avec les traitements qui en découlent, une expertise des personnels, un rendement faible dû aux vitesses peu élevées de traitement, et il est de plus impossible de contrôler en ligne la stérilité du contenu dans le contenant.
L'avantage est de nécessiter des bouteilles à parois minces, de faible poids, de forme libre puisque le remplissage s'effectue à froid.
Le remplissage à chaud garantit également une qualité d'asepsie puisque le contrôle de la température du contenu est simple et aisé à tout moment.
La ligne d'embouteillage est simple et les traitements du contenant et du bouchon sont limités puisque la stérilisation est obtenue par le liquide chaud introduit dans le contenant qui est immédiatement obturé. Un basculement de la bouteille assure aussi la stérilisation de la face intérieure du bouchon en contact avec le liquide.
Par contre, il faut recourir à des contenants résistants à la température de remplissage située entre 60 et 95 C, plus particulièrement entre 80 et 92 C en fonction des produits.
De plus, les bouteilles ont des poids élevés et des formes sensiblement identiques et n'autorisent qu'une très faible différenciation.
Aussi, on en conclut qu'il existe deux procédés qui présentent des avantages et des inconvénients. Néanmoins, le surcoût engendré par les caractéristiques particulières des contenants nécessaires pour le remplissage à chaud tendent à orienter les industriels concernés vers la mise en service de lignes de remplissage par la voie aseptique.
La solution consisterait à pouvoir remplir des liquides chauds pour obtenir la garantie d'asepsie mais dans des bouteilles à parois minces destinées au remplissage à froid pour limiter les coûts tant des contenants que de la ligne de conditionnement.
C'est ce que propose le procédé selon la présente invention qui est maintenant décrit en détail suivant un mode de réalisation préférentiel, non limitatif.
L'exemple donné concerne des bouteilles en PET mais pourrait s'appliquer à tout contenant en matériau polymère de même nature et présentant des propriétés similaires.
Le procédé consiste à effectuer un remplissage à chaud d'un contenant, ce 5 contenant devant présenter des caractéristiques adaptées telles que décrites ci-après.
Ce contenant est de forme cylindrique, éventuellement avec des cannelures pour rigidifier le corps, avec un fond léger comme celui des contenants pour eaux minérales plates, mais renforcé, le poids total du contenant étant sensiblement celui des contenants utilisés pour les contenants d'eau minérale, à contenance égale.
Le fond renforcé consiste généralement en un fond bombé vers le goulot avec des renforts pour éviter son retournement sous légère pression.
Ce contenant est fabriqué à partir de l'une ou l'autre des deux méthodes de 15 traitement dit "HR" une ou deux roues, en fonction des températures de conditionnement souhaitées.
Le contenant est ainsi capable de résister à chaud et reste d'un poids réduit.
De plus, on note l'absence des éléments caractéristiques des bouteilles en PET de l'art antérieur conditionnées à chaud tels que ceinture, bulbe à l'épaule, panneaux.
Le remplissage s'effectue à partir du réservoir d'une remplisseuse de type connu, généralement par gravité directement dans le contenant, le liquide étant porté et maintenu à une température de 60 à 95 C en fonction des applications visées.
Lorsque le liquide en température pénètre dans le contenant, il se produit trois actions: - montée en température rapide de la paroi puisque l'épaisseur est faible et que l'inertie correspondante est limitée.
la pression hydrostatique due à la charge résultant de l'écoulement gravitaire, et - la charge du volume de liquide introduit dans le contenant.
Le contenant se déforme peu sous l'effet de la montée en température sous l'effet du remplissage car le contenant est fabriqué pour répondre à cette montée en température, tout au plus une très légère mise forme de tonneau au moment de l'obturation.
On sait que la cristallinité peut être améliorée comme indiqué dans le préambule de la présente demande, ce qui améliore fortement la résistance mécanique. On sait aussi que si le contenant est utilisé dès après sa fabrication, la reprise d'humidité est très limitée et la résistance initiale à la température est conservée quasiment de façon intégrale.
Le fond ayant été conçu avec une résistance mécanique améliorée ainsi que son traitement "HR" évite le retournement du bombé de ce fond sous l'effet de la charge et de l'augmentation de pression une fois ledit contenant obturé. En effet, l'augmentation de la température provoque un rétreint rapide du volume du contenant tandis que le liquide contenu, lui, conserve son volume ce qui génère une mise en pression de l'intérieur du contenant.
De fait, le fond conçu pour résister conserve sa forme tandis que le corps du contenant présente une déformation importante lors du refroidissement du liquide et de l'espace de tête. Il est à noter que cette déformation n'est pas irréversible puisque si le contenant est ouvert, le corps reprend sa forme initiale. On sait que la déformation se localise dans la zone la plus propice à la déformation mécanique comme les parois par exemple dans le cas des contenants connus et pour lesquels aucune modification particulière n'a été apportée.
On constate aussi que dans le cas d'une zone moins résistante mécaniquement, la déformation est reproductible sur tous les contenants identiques remplis dans les mêmes conditions.
Il est donc possible de créer volontairement une zone adaptée dans tout contenant de sorte à faire porter la déformation sur cette zone spécifique et déterminée, de façon reproductible.
On sait qu'un contenant carré ou cylindrique résiste bien à la pression mais résiste mal au vide sauf à prévoir des artifices comme des cannelures ou des plis. Selon le procédé de l'invention, on obtient donc un contenant avec un fond et une ceinture de jonction du fond et dudit corps non déformées grâce à la résistance du pli formé à cette jonction. Le contenant est stable sur son fond mais avec un corps déformé, collapsé selon le vocable du métier, ce qui le rend impropre à une mise dans le commerce.
Le procédé selon la présente invention consiste à réduire le volume du contenant en provoquant une réduction du volume du contenant après refroidissement partiel ou total du liquide.
On a constaté que la bouteille même si elle reçoit un traitement HR "Heat 15 Resistance", permet de minimiser l'effet de mémoire de forme du PET sans pour autant le supprimer.
Le procédé consiste à relâcher les contraintes figées de sorte que le contenant tende à reprendre sa forme initiale, celle de la préforme et donc tende à retrouver un volume réduit.
A cet effet, une fois le liquide introduit à chaud, puis une fois le contenant obturé et un refroidissement partiel ou total opéré, le contenant est soumis à une montée en température d'au moins une partie dudit contenant de sorte à relâcher les contraintes et à déformer de façon irréversible le contenant sur tout ou partie de sa surface.
La montée en température doit être rapide pour ne pas provoquer la montée en température du liquide, ce qui annulerait le différentiel nécessaire pour compenser la dépression.
Néanmoins, le choix des moyens reste très large car le ratio des masses mises en jeu est très important. Les quelques grammes de PET d'un contenant face aux centaines de grammes du contenu conduisent nécessairement à une élévation de température plus rapide de l'enveloppe que du contenu. De plus, en cas de chauffage par rayonnement notamment, l'enveloppe est la première soumise aux rayonnements infrarouges et absorbe en premier lieu les calories.
Il convient seulement d'éviter les moyens de chauffage par transmission comme le bain marie ou la pasteurisation. Dans ce cas, il est un autre paramètre qui n'est plus adapté, c'est le temps nécessaire, beaucoup trop long avec ce type de technique.
Un autre préjugé à vaincre est le volume de compensation nécessaire. Au vu du contenant après refroidissement, la déformation laisse à penser qu'il est nécessaire de générer une réduction importante de volume.
Pour une bouteille de 500 ml, la réduction de volume après refroidissement est 15 de 3,5% seulement du volume liquide, donc 17 ml.
De fait sur une telle bouteille, généralement d'environ 60 mm de diamètre pour donner un ordre d'idée, il est possible de prévoir le rétreint sur la hauteur dite d'étiquetage, c'est-à-dire sur la zone d'apposition d'une étiquette.
La ceinture entre la zone d'étiquetage et le fond ainsi que la zone d'épaulement étant indéformable, il suffit de prévoir une rétraction de 1 à 2 mm du diamètre. Il est même possible de prévoir une légère mise en surpression afin de compenser l'éventuelle rétreint supplémentaire lors d'une mise au réfrigérateur d'un tel contenant.
Il est aussi à noter que lors du remplissage à chaud, il subsiste toujours un 25 espace de tête rempli d'air.
Aussi, il est possible de coucher la bouteille de sorte à conduire systématiquement cet air suivant une génératrice de ladite bouteille en partie haute. De fait le procédé peut mettre en oeuvre un chauffage à air chaud car la transmission de calories entre la paroi et l'air est très difficile, l'air étant très isolant. Les calories se concentrent dans la paroi de ladite bouteille sur la zone concernée et provoque très rapidement le rétreint recherché.
Afin de ne pas avoir à procéder à une remontée totale en température, il est aussi possible de réaliser ce chauffage de l'enveloppe dès que le liquide intérieur est passé en dessous de la température de transition de l'ordre de 40 à 50 C.
On peut noter aussi que le procédé selon la présente invention permet de réaliser des contenants de section carrée, le rétreint provoquant alors une réponse de déformation du contenant par triangulation qui est également compensé lors du relâchement des contraintes et lors du rétreint du contenant.
Ainsi selon la présente invention, le procédé consiste à recourir à un contenant apte à résister mécaniquement sans déformation au remplissage à chaud d'un liquide dans une plage de températures d'un liquide stérilisé, généralement de 80 à 95 C, par exemple un contenant en polyéthylène, ledit contenant étant réalisé par extrusion / soufflage et présentant une mémoire de forme avant soufflage, à remplir ledit contenant avec ledit liquide chaud, à obturer ce contenant rempli et à laisser refroidir au moins au-dessous d'une température de figeage du contenant, provoquant alors une déformation par formation d'une dépression à l'intérieur du contenant, puis à chauffer le contenant pour provoquer un relâchement des contraintes et un retour vers la forme avant soufflage générant un rétreint et une mise en pression interne du contenant conduisant au moins à compenser les déformations subies par les effets de la dépression.
On obtient ainsi selon la présente invention un contenant empli d'un contenu pasteurisé dont on peut garantir la pasteurisation par une simple mesure de température de remplissage. Le coût du contenant pour la mise en oeuvre du procédé n'est plus préjudiciable puisqu'il est tout à fait comparable à celui des contenants aptes à subir un remplissage aseptique.
L'avantage est de pouvoir répondre aux besoins des industriels en cadences de remplissage, aux besoins en garantie d'asepsie sans pour cela nécessiter des lignes d'embouteillage coûteuses en investissement, également coûteuses et complexes en fonctionnement.
Ainsi grâce au procédé selon la présente invention, non seulement le coût de matière première pour fabriquer un contenant rempli à chaud est réduit mais cette quantité moindre de matière première conduit à des coûts de recyclage ultérieurs réduits pour un même volume embouteillé.
Selon la présente invention, il est à noter que l'on peut prévoir un dispositif 10 adapté pour la mise en oeuvre du procédé.
Une solution consiste à réaliser des coquilles comprenant au moins deux parties de façon à venir envelopper le contenant, lesdites coquilles étant chauffées par tout moyen adapté afin d'émettre les calories nécessaires.
Les coquilles ont un profil sensiblement conjugué de celui du contenant pour émettre les calories au plus près des parois, voire dans une zone localisée de cette paroi, ces coquilles étant orientées horizontalement si le chauffage est effectué sur une génératrice avec l'air en partie supérieure. Dans ce cas, il est possible alors de provoquer un chauffage plus intense dans une zone particulière.

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Procédé de remplissage à chaud d'un contenant avec un liquide stérilisé, généralement à une température située entre 60 à 95 C, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les étapes suivantes: a. disposer d'un contenant réalisé en un matériau et suivant un procédé apte 5 à le rendre résistant au remplissage à chaud dudit liquide, ledit contenant ayant des contraintes résiduelles issues de sa fabrication, b. remplir ledit contenant avec ledit liquide chaud, c. obturer aussitôt après remplissage ce côntenant rempli, d. laisser refroidir au moins audessous d'une température de figeage du 10 contenant, provoquant une déformation par formation d'une dépression à l'intérieur du contenant, et e. chauffer le contenant pour provoquer un relâchement des contraintes résiduelles, ce relâchement conduisant à un rétreint et consécutivement générant une mise en pression interne du contenant ce qui compense au moins les déformations subies par les effets de la dépression de l'étape d/.
2. Procédé de remplissage à chaud selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé permettant de rendre le contenant résistant est un procédé d'extrusion/soufflage suivi d'un traitement "HP".
3. Procédé de remplissage à chaud selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau est du polyéthylène téréphtalate, PET.
4. Procédé de remplissage à chaud selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on prévoit sur le contenant une zone localisée de rétreint.
5. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone localisée de rétreint est la zone d' étiquetage.
6. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le chauffage de l'étape e est poursuivi pour provoquer une mise en pression de l'intérieur du contenant.
7. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un chauffage du type à rayonnement infrarouge.
8. Procédé de remplissage à chaud selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un chauffage du type à air chaud.
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