ITRE20000091A1 - Procedimento per la fabbricazione di capsule di chiusura in plietilentelenftalato per contenitori e capsule cosi' costruite - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

di Brevetto per Invenzione dal Titolo: "PROCEDIMENTO PER LA FABBRICAZIONE DI CAPSULE DI CHIUSURA IN POLIETILENTELENFTALATO PER CONTENITORI E CAPSULE COSI' COSTRUITE",

La presente invenzione inerisce la fabbricazione delle capsule di chiusura di contenitori diversi, quali ad esempio le note bottiglie in plastica per bevande.

Nel seguito si farà esclusivo riferimento a dette bottiglie, essendo inteso che detto riferimento viene fatto per semplicità di descrizione e che le capsule di cui si parla possono avere forme diverse ed essere destinate a contenitori diversi.

La fabbricazione delle capsule di chiusura per le bottiglie destinate a contenere acqua o bevande gassate si avvale di due tecnologie ben note ai tecnici del settore, dette "formatura per iniezione" e "stampaggio a compressione".

Entrambe dette tecnologie note presentano delle limitazioni che dipendono dai requisiti delle capsule che vengono fabbricate .

Per rendere più agevole la comprensione dell'invenzione, faremo riferimento a qualcuna di dette limitazioni.

Il materiale usualmente impiegato per la fabbricazione delle capsule è polipropilene, indicato usualmente come PP, oppure anche polipropilene ad alta densità indicato usualmente con la sigla HDPE.

Questi materiali sono adatti ad entrambe le citate tecnologie, e vengono impiegati per fabbricare capsule sia dotate di un pane elicoidale interno continuo, sia preferibilmente dotate di un filetto elicoidale interno discontinuo .

Il filetto elicoidale interno della capsula serve ovviamente per avvitare la capsula sul collo della bottiglia.

La discontinuità del pane elicoidale interno è desiderabile per consentire la sformatura della capsula dallo stampo mediante semplice estrazione in senso assiale, senza rotazione .

Questo tipo di sformatura risulta oltremodo conveniente sotto il profilo delle attrezzature necessarie, ma richiede che la capsula da sformare abbia una sufficiente elasticità per deformarsi tanto quanto basta a fare uscire il filetto dalle rispettive sedi di formatura

Le capsule destinate a chiudere le bottiglie per bevande debbono presentare ulteriori requisiti che non sempre sono compatibili con il materiale di cui è costituita la capsula. Il più importante di questi requisiti è la capacità della capsula di fare barriera ai gas ed agli aromi sprigionati dalla bevanda.

Questo requisito, definito dai tecnici come "proprietà barriera", viene conferito alla capsula mediante l'inserimento di un dischetto di adatto materiale che costituisce una guarnizione "barriera" tra il bordo del collo della bottiglia ed il fondo della capsula.

La applicazione del dischetto, che avviene in modi ben noti ai tecnici del ramo, crea ovviamente problemi di tipo costruttivo ed impiantistico.

Vi sono poi altri non trascurabili aspetti del problema.

Le bottiglie cui sono destinate le capsule di chiusura sono generalmente realizzate in polietilentelenftalato noto come PET, il quale presenta il vantaggio di presentare una "proprietà barriera" molto superiore a quella dei materiali usati per le capsule. Inoltre è possibile incrementare ulteriormente tale "proprietà barriera" PET mediante un trattamento al plasma, che da dei risultati molto inferiori con PP ed HDPE.

Potrebbe quindi apparire ovvia, al tecnico del ramo, la costruzione di capsule in PET, che offrirebbe l'ulteriore non trascurabile vantaggio di non presentare problemi di smaltimento in quanto non inquinerebbe il PET recuperato dalle bottiglie gettate a rifiuto.

Il suddetto materiale viene usualmente formato con processo ad iniezione, e presenta la caratteristica di essere amorfo allo stato fuso e di cristallizzare almeno parzialmente durante il raffreddamento.

Il polietilentelenftalato-PET presenta una temperatura di fusione TF, a cui si distrugge la fase cristallina, una temperatura di cristallizzazione Tc (inferiore a TF), alla quale durante il raffreddamento inizia a formarsi di nuovo la fase cristallina, ed una temperatura TA alla quale durante il raffreddamento cessa di formarsi la fase cristallina.

Il processo ad iniezione prevede che il materiale, portato ad una temperatura di lavoro TLAV sensibilmente superiore alla temperatura di fusione, sia iniettato in uno stampo attraverso uno o più ugelli.

La necessità di raggiungere una temperatura molto superiore a quella di fusione è dettata dal fatto che il materiale fuso deve essere sufficientemente fluido, onde diminuire gli sforzi di taglio dovuti al passaggio del fuso attraverso condotti di piccolo diametro ad alte velocità, tipici di questo processo, e deve inoltre restare completamente amorfo durante il riempimento degli stampi.

Per queste ragioni la temperatura Των deve essere dell'ordine dei 290-310°C.

Infatti la formazione di cristalli durante la fase di stampaggio dà luogo ad inconvenienti e difetti della capsula, che ne pregiudicano la integrità.

In primo luogo la formazione di cristalli, data la differente viscosità delle fasi amorfa e cristallina, ha come risultato un disomogeneo riempimento dello stampo.

Inoltre i cristalli che si formano durante la fase di stampaggio, costituiscono durante il successivo raffreddamento dei germi di cristallizzazione, che comportano una disomogenea distribuzione della cristallizzazione .

Come conseguenza la capsula può presentare sia distorsioni che deformazioni dovute a ritiri differenziati, sia una eccessiva fragilità dovuta ad una struttura macromolecolare diversa da zona a zona.

Il ciclo di stampaggio presenta una durata condizionata dal fatto che la temperatura di inizio del ciclo, cioè del materiale che alimenta lo stampo, è sempre molto superiore alla temperatura di fusione del materiale, ed i tempi di raffreddamento a stampaggio ultimato sono quindi corrispondentemente lunghi.

Si deve inoltre considerare che il materiale ha una bassissima capacità di trasmettere il calore, e presenta una accettabile elasticità e caratteristiche chimico-fisiche stabili sotto gli 80°C.

Ciò comporta che se il raffreddamento avviene a partire da temperature, tipiche del processo ad iniezione, molto elevate, la differenza di temperatura che si mantiene tra le porzioni di materiale prossime alle pareti dello stampo e le porzioni di materiale intermedie si mantiene su valori tali che entrambe dette porzioni sono al di fuori del campo di temperature alle quali si ha un raffreddamento sufficiente del materiale.

Ciò rende assai difficoltosa, se non impossibile, la sformatura della capsula per estrazione dallo stampo senza rotazione, senza causare deformazioni permanenti della capsula .

Questo inconveniente può venire attenuato mediante aggiunta di copolimeri del polietilentelenftalato, che peraltro sono molto costosi e quindi rendono impraticabile il processo. Per le ragioni sopra evidenziate si è quindi creato un insormontabile pregiudizio a fabbricare capsule in PET, malgrado la evidente convenienza delle stesse.

Lo scopo della invenzione è di rendere disponibile un processo di formatura per capsule di chiusura in PET che sia esente dai sopralamentati inconvenienti.

Come detto il PET presenta la caratteristica di essere amorfo allo stato fuso, e di cristallizzare durante il raffreddamento, a meno di non raffreddare molto velocemente. Il processo secondo l'invenzione presenta la caratteristica di utilizzare la tecnologia a compressione nella quale lo stampo destinato alla formatura in compressione viene alimentato con una dose di materiale sempre amorfo, ma ad una temperatura TLAV inferiore alla TP, grazie ad un raffreddamento controllato del fuso. Ciò permette di lavorare a temperature inferiori quelle usualmente impiegate nella tecnologia ad iniezione, ed appena superiore alla temperatura Tc.

Ciò offre il vantaggio che, pur avvenendo la formatura col materiale completamente amorfo ed esente da cristalli, il raffreddamento dell'articolo formato parte da una temperatura molto inferiore di quella prevista dalla tecnica nota e quindi in un tempo comparativamente molto minore. Inoltre, lavorando a temperature minori, si diminuisce la possibile degradazione del PET, dovuta all'esposizione ad alte temperature, permettendo di portare allo stampaggio un materiale più performante.

Ciò ha sorprendentemente consentito di fabbricare capsule di chiusura a interno continuo, che possono essere sformate dallo stampo per estrazione assiale senza rotazione.

Chiamata Tuw la temperatura di processo a compressione, per i citati materiali abbiamo usualmente per il PET una temperatura di lavoro TLAV ≤ 220°C molto minore della usuale temperatura utilizzata dallo stampaggio ad iniezione.

Per il suddetto materiale la temperatura di fusione TF. è 260°C, mentre la temperatura Tc alla quale inizia la cristallizzazione durante il raffreddamento è 210°C.

Il trovato consente perciò di alimentare lo stampo con del materiale fuso e amorfo a temperature TLAV = 220°C anziché 290-310°C come avviene nei processi ad iniezione.

In questo modo, il gradiente di temperatura da abbattere in fase di raffreddamento è di almeno 70°C in meno rispetto alla tecnica nota per iniezione.

Il tempo necessario per abbattere la temperatura è ovviamente funzione anche dello spessore e della geometria dell'oggetto, ma generalmente per una capsula in PET di 3 g ca. esso è dell'ordine di 1,5 secondi, poco più della metà del tempo tipico della tecnica nota.

Se si desidera che la capsula sia perfettamente trasparente, con aspetto simile al vetro, il raffreddamento deve avvenire in modo molto rapido sino ad una temperatura inferiore a TA=120°C, al di sotto della quale la velocità di cristallizzazione si approssima allo zero, e quindi la capsula si presenta stabilmente allo stato amorfo, ed è perfettamente trasparente

I pregi e le caratteristiche funzionali e costruttive della invenzione saranno meglio evidenziati dalla sommaria descrizione che segue, data a titolo di esempio non limitativo .

La Fig.l mostra uno schema generale dell'impianto.

La Fig.2 è un diagramma che evidenzia il processo di fusione dei cristalli nel PET in funzione di temperature crescenti. La Fig.3 è un diagramma che evidenzia il processo di cristallizzazione del PET a temperature decrescenti.

Dalle figure si rileva un alimentatore in continuo (1) di polietilentelenftalato in granuli alla tramoggia (2) di carico di un estrusore (3).

Il PET è stato ^preventivamente deumidificato.

All'interno dell'estrusore il materiale raggiunge temperature superiori alla temperatura TF di fusione, che per il PET, come detto, è TF=260°C.

Nella parte finale dell'estrusore dopo la pompa dosatrice (31) è connesso un miscelatore statico a scambio di calore (32) atto a raffreddare rapidamente il materiale ad una temperatura minima di Των, di 220°C.

A questa temperatura TLAV il materiale è ancora esente da cristalli ed esce dall'ugello (33) per essere immediatamente sezionato in pastiglie ed alimentato, da un sistema di tranciatura rotante (42), alla cavità (41) di un una macchina (4) per la formatura a compressione.

Durante la formatura la capsula viene raffreddata ad una temperatura che, nelle porzioni a contatto con la parete dello stampo è circa 25°C.

Se non si desidera preservare la trasparenza del materiale la velocità di rafreddamento non è critica.

Se al contrario si desidera che la capsula sia perfettamente trasparente, con aspetto simile al vetro, il raffreddamento deve avvenire nel minor tempo possibile, sino ad una temperatura TA<120°C, al di sotto della quale la velocità di cristallizzazione si approssima allo zero, e quindi la capsula si presenta stabilmente allo stato amorfo, ed è perfettamente trasparente.

Successivamente la capsula viene estratta dallo stampo ed ulteriormente raffreddata sino a temperatura ambiente.

Se si desidera incrementare l'effetto barriera, ciò può essere ottenuto senza l'aggiunta di dischetti di diverso materiale semplicemente assoggettando la capsula ad un trattamento al ·plasma secondo la tecnica usualmente impiegata per le bottiglie in <' >PET. Tale tecnica prevede l'introduzione all'interno delle bottiglie di un vapore al plasma, il quarto stato della materia che consiste in un particolare gas ad altissima temperatura, che crea un rivestimento, il cui spessore è tipicamente minore di 0.1 μτη. Questo strato di materiale permette però di incrementare alcune proprietà del substrato, come ad es. l'impermeabilità ai gas.

Questo trattamento, ben noto ai tecnici del ramo, viene eseguito generalmente con una attrezzatura fabbricata dalla società tedesca LEYBOLD GmbH.

I vantaggi della invenzione appaiono evidenti da quanto sopra descritto, in quanto si è resa disponibile una capsula presentante un effetto barriera adatto a contenitori per bevande non solo gassate ma anche dotate di aroma, come ad esempio la birra.

La capsula è inoltre dello stesso materiale della bottiglia, il che consente il recupero di entrambe senza che il materiale della bottiglia venga inquinato da materiale estranei e non compatibili come PP e HPDE.

Questo fatto è molto importante, poiché le moderne capsule presentano un collarino di garanzia che dopo la apertura della bottiglia rimane infilato nel collo della stessa, e ne segue le sorti durante il recupero.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la fabbricazione di capsule di chiusura in polietilentelenftalato con filetto elicoidale interno continuo caratterizzato dal comprendere le seguenti operazioni: Estrudere il materiale ad una temperatura superiore alla temperatura TF di fusione; assoggettare il materiale ad un trattamento di raffreddamento estremamente controllato ed omogeneo del fuso ad una temperatura Των prossima e superiore alla temperatura Tc alla quale inizia la cristallizzazione durante il raffreddamento; - immettere dosi di materiale in uno stampo operante per compressione mantenendo detta temperatura TLAV prossima e superiore alla temperatura TC; - mantenendo le pareti dello stampo ad una temperatura prossima a 25 °C <‘> - effettuare la sformatura della capsula per estrazione senza rotazione e raffreddare ulteriormente la capsula sino a temperatura ambiente.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il materiale viene raffreddato all'interno dello stampo sino ad una temperatura inferiore a TA-120 ° C
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che dopo la sformatura la capsula viene assoggettata ad un trattamento al plasma.