ITMI20001267A1 - HIGH IMPERMEABILITY TO GAS AND PROCEDURE FOR ITS OBTAINING - Google Patents
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Description
Descrizione Description
Nel suo aspetto più generale, la presente invenzione riguarda un materiale ad elevata impermeabilità ai gas, specialmente l'ossigeno atmosferico, particolarmente adatto per la fabbricazione di contenitori per alimenti o bevande facilmente ossidabili, quali ad esempio birra, latte, "soft drink", succhi di frutta. In its more general aspect, the present invention relates to a material with high impermeability to gases, especially atmospheric oxygen, particularly suitable for the manufacture of easily oxidizable food or beverage containers, such as for example beer, milk, "soft drinks", fruit juices.
L'utilizzo di contenitori in materiale plastico per bevande deperibili, sebbene auspicabile per ragioni di basso costo del contenitore, è tuttavia fortemente frenato dal fatto che i materiali normalmente impiegati, quali polietilene, polietilenetereftalato, polipropilene o materiali multistrato da essi derivati, sono dotati di una permeabilità all'ossigeno atmosferico tale da causare il deterioramento della bevanda per ossidazione, soprattutto in caso di lunga conservazione. The use of containers in plastic material for perishable beverages, although desirable for reasons of low cost of the container, is however strongly hampered by the fact that the materials normally used, such as polyethylene, polyethylene terephthalate, polypropylene or multilayer materials derived from them, are equipped with a permeability to atmospheric oxygen such as to cause deterioration of the beverage by oxidation, especially in the case of long storage.
Le bevande ossidabili cui si fa particolare menzione nella presente invenzione, senza per questo volersi limitare, sono birra, latte per lunga conservazione e "soft drink" . Con quest'ultimo termine si intendono particolarmente il thè e le bevande isotoniche o addizionate di vitaimine o altre componenti organiche tali da rendere la loro conservabilità problematica. The oxidizable drinks to which particular mention is made in the present invention, without thereby wanting to be limited, are beer, milk for long life and "soft drinks". The latter term particularly refers to tea and isotonic drinks or drinks with the addition of vitaimine or other organic components such as to make their preservation problematic.
Sono stati fatti vari tentativi per ovviare al summenzionato problema. Sono ad esempio stati proposti dei copolimeri tra polietilenetereftalato (PET) e derivati del resorcinolo dotati di un'accettabile impermeabilità all'ossigeno e quindi potenzialmente utilizzabili per le bevande facilmente ossidabili (Resorcinol Chemistry Offers 21<st >Century Packaging Materials, Raj B. Durairaj, International Bottler & Packer, Sept. 1999, pagg. 34-38). Tuttavia il costo di tali materiali è troppo alto, così da sconsigliarne 1'impiego su larga scala. Various attempts have been made to overcome the aforementioned problem. For example, copolymers between polyethylene terephthalate (PET) and resorcinol derivatives have been proposed with an acceptable impermeability to oxygen and therefore potentially usable for easily oxidizable beverages (Resorcinol Chemistry Offers 21 <st> Century Packaging Materials, Raj B. Durairaj , International Bottler & Packer, Sept. 1999, pp. 34-38). However, the cost of these materials is too high, so as to discourage their use on a large scale.
Un'altra possibilità potrebbe essere quella di aumentare lo spessore della bottiglia in materiale plastico in modo da diminuirne la permeabilità ai gas atmosferici. Anche questa soluzione però sarebbe troppo costosa e quindi inapplicabile. Another possibility could be to increase the thickness of the plastic bottle in order to decrease its permeability to atmospheric gases. However, even this solution would be too expensive and therefore inapplicable.
Il problema che sta alla base della presente invenzione è quindi quello di mettere a disposizione un materiale di basso costo dotato di un'elevata impermeabilità all'ossigeno. The problem underlying the present invention is therefore that of providing a low-cost material with a high impermeability to oxygen.
E' stato sorprendentemente trovato dagli inventori della presente domanda di brevetto che trattando un materiale polimerico ad alte pressioni si ottiene un sostanziale incremento della sua impermeabilità all'ossigeno. It has surprisingly been found by the inventors of the present patent application that by treating a polymeric material at high pressures, a substantial increase in its impermeability to oxygen is obtained.
In particolare, il problema sopra menzionato è risolto da un materiale e da un procedimento per il suo ottenimento come delineato nelle allegate rivendicazioni. In particular, the aforementioned problem is solved by a material and a process for obtaining it as outlined in the attached claims.
E' noto l'uso di alte pressioni isostatiche per ottenere la sterilizzazione di alimenti racchiusi in contenitori. The use of high isostatic pressures is known to obtain the sterilization of foods enclosed in containers.
Con il termine "materiale polimerico" secondo la presente invenzione è preferibilmente inteso un materiale termoplastico, più preferibilmente un monoo multi-strato flessibile o semi-rigido composto da polimeri poliolefinici preferibilmente scelti tra polietilene a bassa ed alta densità, polipropilene, PEN, EVOH, o polietilenetereftalato o loro copolimeri, che possono eventualmente comprendere in aggiunta nylon. In caso di materiali multi-strato, tali strati non saranno generalmente dello stesso materiale, ma verranno scelti tra materiali di diverso tipo. The term "polymeric material" according to the present invention preferably refers to a thermoplastic material, more preferably a flexible or semi-rigid mono or multi-layer composed of polyolefin polymers preferably selected from low and high density polyethylene, polypropylene, PEN, EVOH, or polyethylene terephthalate or their copolymers, which may optionally additionally comprise nylon. In the case of multi-layer materials, these layers will generally not be of the same material, but will be chosen from materials of different types.
Un materiale termoplastico particolarmente preferito è un monostrato di polietilenetereftalato. A particularly preferred thermoplastic material is a polyethylene terephthalate monolayer.
E' evidente che il procedimento per l'ottenimento di un materiale polimerico ad elevata impermeabilità all'ossigeno secondo la presente invenzione non è limitato ai materiali per contenitori, ma si estenderà generalmente a vari tipi di materiali per utilizzi disparati. Altri materiali polimerici che rientrano nello scopo della presente invenzione sono infatti i materiali che presentano una struttura essenzialmente fibrosa, quali ad esempio le fibre tessili. Altri esempi di materiali polimerici adatti sono i cosiddetti "tessuti non tessuti". It is evident that the process for obtaining a polymeric material with high oxygen impermeability according to the present invention is not limited to materials for containers, but will generally extend to various types of materials for various uses. Other polymeric materials which fall within the scope of the present invention are in fact materials which have an essentially fibrous structure, such as for example textile fibers. Other examples of suitable polymeric materials are the so-called "non-woven fabrics".
Con il termine "contenitori" si intendono tutti i tipi di contenitori costituiti da un materiale, preferibilmente non rigido, il quale comprenda almeno uno strato realizzato nei materiali polimerici come sopra definiti. Esempi di tali contenitori sono le bottiglie di ogni forma e dimensione per bevande, vaschette per la conservazione di alimenti, confezioni tipo Tetrapack<® >e ogni genere di contenitore per liquidi. Tali contenitori potranno essere realizzati o unicamente nel materiale polimerico oggetto della presente invenzione o in un materiale multistrato comprendente ad esempio, in aggiunta al materiale polimerico secondo la presente invenzione, uno strato di cartone e/o uno strato di alluminio e/o uno strato di materie plastiche non trattate secondo la presente invenzione. The term "containers" means all types of containers consisting of a material, preferably non-rigid, which comprises at least one layer made of the polymeric materials as defined above. Examples of such containers are bottles of all shapes and sizes for beverages, trays for storing food, packages such as Tetrapack <®> and any kind of container for liquids. These containers may be made either solely in the polymeric material object of the present invention or in a multilayer material comprising, for example, in addition to the polymeric material according to the present invention, a layer of cardboard and / or a layer of aluminum and / or a layer of untreated plastic materials according to the present invention.
Ai fini della presente invenzione è preferibile che il materiale termoplastico "nativo" (cioè il materiale proveniente dal processo di polimerizzazione o derivante dal processo di estrusione immediatamente successivo, ad esempio per formare le preforme) abbia subito una deformazione all'esterno del campo elastico, quale ad esempio iin procedimento di soffiatura, stiratura, pressatura o iniezione in stampi. Preferibilmente tale deformazione all'esterno del campo elastico sarà successiva ad una fase di riscaldamento/rammollimento del materiale. For the purposes of the present invention it is preferable that the "native" thermoplastic material (ie the material coming from the polymerization process or resulting from the immediately following extrusion process, for example to form the preforms) has undergone a deformation outside the elastic range, such as for example in the process of blowing, ironing, pressing or injection into molds. Preferably, this deformation outside the elastic range will be subsequent to a phase of heating / softening of the material.
Le pressioni applicate al materiale termoplastico secondo la presente invenzione sono pressioni superiori a 500 bar, preferibilmente tra 4000 e 9000 bar, ancora più preferibilmente tra 5000 e 7000 bar. The pressures applied to the thermoplastic material according to the present invention are pressures higher than 500 bar, preferably between 4000 and 9000 bar, even more preferably between 5000 and 7000 bar.
Il trattamento ad alta pressione secondo la presente invenzione viene condotto applicando al materiale temperature generalmente comprese tra -10 e 60°C, preferibilmente tra 10°C e 30°C. Se si considera 1'aumento di temperatura causato dal fatto .di operare ad alte pressioni, che è generalmente compreso tra 15°C e 35°C a seconda della pressione applicata, il materiale polimerico sarà generalmente soggetto, durante il procedimento, a temperature effettive tra 0°C e 80°C. The high pressure treatment according to the present invention is carried out by applying temperatures generally comprised between -10 and 60 ° C, preferably between 10 ° C and 30 ° C, to the material. If we consider the temperature increase caused by operating at high pressures, which is generally between 15 ° C and 35 ° C depending on the applied pressure, the polymeric material will generally be subject, during the process, to actual temperatures. between 0 ° C and 80 ° C.
Il trattamento ad alte pressioni può essere condotto in apparecchiature note, quali camere iperbariche riempite di un fluido (ad esempio, acqua o olio) ed in cui la pressione viene innalzata progressivamente fino alla pressione desiderata in un tempo predeterminato. Il materiale viene quindi soggetto all'alta pressione per un tempo che può variare da pochi secondi a un'ora o più. The high pressure treatment can be carried out in known apparatuses, such as hyperbaric chambers filled with a fluid (for example, water or oil) and in which the pressure is progressively raised up to the desired pressure in a predetermined time. The material is then subjected to high pressure for a time that can vary from a few seconds to an hour or more.
Alternativamente, il materiale potrà essere sottoposto ad un ciclo di pressioni-decompressioni della durata complessiva non superiore ad alcuni minuti, tipicamente da 1 secondo a 2 minuti. Un'apparecchiatura adatta per l'attuazione del procedimento ad alta pressione secondo la presente invenzione è quella descritta nella domanda di brevetto europeo n. 99830254.1 del 29.04.1999 a nome della stessa richiedente, la cui descrizione dell'apparecchiatura è qui incorporata per riferimento. Tale domanda di brevetto descrive un dispositivo idrostatico atto ad impartire una pressione fino a 10.000 bar all'interno di una camera di pressurizzazione in cui può essere singolarmente inserito un contenitore. Detta camera di pressurizzazione, su cui agisce un pistone,, viene riempita di acqua o altro fluido incomprimibile. La pressione impartita dal pistone viene trasmessa isostaticamente sulla superficie del contenitore e sul liquido contenuto all'interno del contenitore. Il pistone è collegato ad un sistema di moltiplicazione della pressione che agisce a monte. In.particolare, detto pistone è in comunicazione con una camera riempita di un fluido incomprimibile su cui agisce un secondo pistone la cui superficie di azione è ridotta rispetto a quella del primo pistone. In questo modo, applicando al secondo pistone una modesta pressione, si ottiene, per il principio di Pascal, una moltiplicazione della pressione fino ad alcune migliaia di bar e tale pressione può essere raggiunta anche in un tempo infinitesimo. Alternatively, the material can be subjected to a pressure-decompression cycle lasting no more than a few minutes, typically from 1 second to 2 minutes. An apparatus suitable for carrying out the high pressure process according to the present invention is that described in European patent application no. 99830254.1 of 04.29.1999 in the name of the same applicant, the description of which is incorporated herein by reference. This patent application describes a hydrostatic device capable of imparting a pressure of up to 10,000 bar inside a pressurization chamber in which a container can be individually inserted. Said pressurization chamber, on which a piston acts, is filled with water or other incompressible fluid. The pressure imparted by the piston is transmitted isostatically on the surface of the container and on the liquid contained inside the container. The piston is connected to a pressure multiplication system which acts upstream. In particular, said piston is in communication with a chamber filled with an incompressible fluid on which a second piston acts, the action surface of which is reduced with respect to that of the first piston. In this way, by applying a modest pressure to the second piston, according to Pascal's principle, a multiplication of the pressure up to a few thousand bars is obtained and this pressure can also be reached in an infinitesimal time.
Il materiale polimerico può essere trattato ad alte pressioni in qualsiasi forma, ad esempio in forma di lamina oppure già modellato in forma di bottiglie o altri contenitori. Alternativamente, sarà possibile far subire il trattamento ad alta pressione al contenitore già riempito della bevanda e sigillato. The polymeric material can be treated at high pressures in any form, for example in the form of foil or already molded in the form of bottles or other containers. Alternatively, it will be possible to make the container already filled with the beverage and sealed undergo the high pressure treatment.
Permeabilità all'ossigeno Permeability to oxygen
La determinazione della permeabilità all'ossigeno (Oxygen Transmission Rate) del materiale trattato ad alte pressioni secondo la presente invenzione è stata eseguita secondo la norma ASTM F1307-90, che prevede la procedura isostatica e l'impiego di strumentazione MoCon OX-TRAN 2/20, operante in questo caso a 20°C e 0% UR. The determination of the oxygen permeability (Oxygen Transmission Rate) of the material treated at high pressures according to the present invention was performed according to the ASTM F1307-90 standard, which provides for the isostatic procedure and the use of MoCon OX-TRAN 2 / 20, operating in this case at 20 ° C and 0% RH.
Il test è stato effettuato su bottiglie in PET da 333ml del peso di 25 g. The test was carried out on 333ml PET bottles weighing 25g.
Le bottiglie sono state incollate su un supporto metallico su cui sono saldati due tubi di rame da 1/8" con raccordi SWAGELOK da 1/8". Il campione così assemblato è stato collegato alla semicella interna dell'apparecchiatura. All'interno del provino è stato fatto fluire il carrier (azoto + 2% idrogeno) che porta al rivelatore coulometrico l'ossigeno dell'aria penetrante dall'ambiente all'interno del sistema. The bottles were glued to a metal support onto which two 1/8 "copper tubes with 1/8" SWAGELOK fittings are welded. The sample thus assembled was connected to the internal half-cell of the apparatus. The carrier (nitrogen + 2% hydrogen) was made to flow inside the specimen, bringing the oxygen of the air penetrating from the environment into the system to the coulometric detector.
E' stata valutata la quantità di ossigeno che, attraverso la bottiglia, giunge al rivelatore. La permeabilità all'ossigeno della bottiglia è data dalla differenza del segnale prodotto dal rivelatore, in regime stazionario, nelle due fasi: The quantity of oxygen which, through the bottle, reaches the detector has been evaluated. The oxygen permeability of the bottle is given by the difference in the signal produced by the detector, in steady state, in the two phases:
(a - b) dove a = segnale del campione (a - b) where a = sample signal
supporto raccordi support fittings
b = segnale del loop di cortocircuitazione delle connessioni della cella interna b rappresenta il segnale di fondo del sistema, somma del fondo strumentale e di quello derivante dalle connessioni adottate. b = signal of the short-circuiting loop of the connections of the internal cell b represents the background signal of the system, sum of the instrumental background and that deriving from the connections adopted.
I risultati del test hanno evidenziato quanto segue: The test results showed the following:
I dati mostrati evidenziano una netta diminuzione della permeabilità all'ossigeno nella bottiglia trattata ad alte pressioni rispetto a quella non trattata. E' da notare che le condizioni sperimentali adottate rappresentano una situazione estrema, in quanto all'interno della bottiglia non era presente aria e quindi il gradiente delle pressioni parziali dell'ossigeno tra l'esterno e l'interno della bottiglia era massimizzato. Nella normale situazione di utilizzo, ovvero una bottiglia non totalmente riempita della bevanda e sigillata, la pressione parziale del gas all'interno del contenitore tenderà a contrastare in parte l'ingresso di ulteriore ossigeno e quindi l'impermeabilità all'ossigeno del materiale ne risulterà ulteriormente incrementata. The data shown show a clear decrease in oxygen permeability in the bottle treated at high pressures compared to the untreated one. It should be noted that the experimental conditions adopted represent an extreme situation, as there was no air inside the bottle and therefore the gradient of the partial pressures of oxygen between the outside and the inside of the bottle was maximized. In the normal situation of use, i.e. a bottle not completely filled with the beverage and sealed, the partial pressure of the gas inside the container will tend to partially counteract the entry of additional oxygen and therefore the impermeability of the material to oxygen will result. further increased.
Struttura microscopica del materiale Microscopic structure of the material
Sono state analizzate al microscopio elettronico le modificazioni causate dal trattamento ad alta pressione secondo la presente invenzione sul materiale polimerico. I risultati sono mostrati nelle seguenti figure: The modifications caused by the high pressure treatment according to the present invention on the polymeric material were analyzed under the electron microscope. The results are shown in the following figures:
Figura 1 rappreeenta un'immagine al microscopio elettronico della struttura del PET soffiato proveniente da una bottiglia da 333 mi del peso di 25 g; Figure 1 represents an electron microscope image of the structure of the blown PET from a 333 ml bottle weighing 25 g;
Figura 2 rappresenta un'immagine ingrandita al microscopio elettronico della struttura del PET soffiato della bottiglia di figura 1; Figure 2 represents an enlarged image under the electron microscope of the structure of the blown PET of the bottle of Figure 1;
Figura 3 rappresenta un'immagine al microscopio elettronico con lo stesso ingrandimento di figura 1 della struttura del PET soffiato della bottiglia di figura 1 dopo un trattamento a 6000 bar. Figure 3 represents an electron microscope image with the same magnification as Figure 1 of the structure of the blown PET of the bottle of Figure 1 after a treatment at 6000 bar.
Come si può notare dalle figure, il PET che ha subito una deformazione all'esterno del campo elastico quale la soffiatura, presenta una struttura fibrosa/laminare. Come appare chiaro dalla figura 2, tra una fibra o lamina e l'altra esiste una separazione di alcuni micron, cui si può imputare sostanzialmente l'elevata permeabilità del materiale. As can be seen from the figures, PET which has undergone a deformation outside the elastic range such as blowing, has a fibrous / laminar structure. As it appears clear from Figure 2, between one fiber or sheet and the other there is a separation of a few microns, which can be substantially attributed to the high permeability of the material.
Dopo il trattamento ad alta pressione, nel caso particolare a 6000 bar, il materiale presenta la struttura mostrata in figura 3. La fotografia al microscopio elettronico evidenzia una struttura sostanzialmente compatta o comunque con un interspazio tra le fibre compattato o ridotto, tale da creare una maggiore barriera all'ossigeno atmosferico a parità di spessore e grado di stiratura del materiale. After the high pressure treatment, in the particular case at 6000 bar, the material has the structure shown in figure 3. The electron microscope photograph shows a substantially compact structure or in any case with a compacted or reduced gap between the fibers, such as to create a greater barrier to atmospheric oxygen with the same thickness and degree of ironing of the material.
E' da notare infatti che la permeabilità all'ossigeno del PET varia in funzione sia dello spessore della lamina che del grado di deformazione all'esterno del campo elastico che essa ha subito. Questi parametri sono a loro volta funzione del peso della preforma e della dimensione della bottiglia: a parità di peso della preforma si avrà un materiale tanto più sottile e deformato quanto più è grande il volume della bottiglia soffiata; viceversa, a parità di dimensione della bottiglia, il grado di deformazione del materiale sarà maggiore per preforme di peso e lunghezza ridotte. In fact, it should be noted that the oxygen permeability of PET varies as a function of both the thickness of the sheet and the degree of deformation outside the elastic range that it has undergone. These parameters are in turn a function of the weight of the preform and the size of the bottle: with the same weight of the preform, the thinner and more deformed material the larger the volume of the blown bottle is; vice versa, with the same bottle size, the degree of deformation of the material will be greater for preforms of reduced weight and length.
E' evidente che l'esperto del ramo sarà in grado di adattare il procedimento sopra descritto a particolari esigenze, quali ad esempio quelle derivanti dalla sua applicazione a materiali di diversa natura, senza per questo dipartire dallo scopo della presente invenzione. It is evident that the skilled in the art will be able to adapt the process described above to particular needs, such as for example those deriving from its application to materials of different nature, without departing from the scope of the present invention.
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