JP2010536621A - 発泡壁を有する容器の製造方法 - Google Patents

Abstract

壁の中に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを射出成形する工程；前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；前記冷却されたプリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、前記再加熱されたプリフォームをブロー成形して、気泡中に非反応性ガスを含む微細発泡ポリマーから実質的になる容器を製造する工程（ここで、該容器の材料体積は、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい）、を有する容器の製造方法。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２００７年８月２１日に米国に出願された米国仮出願番号６０／９５６，９８４に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
［技術分野］

本発明は、一般的には、発泡壁を有するポリマー容器の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は微細発泡体から実質的になる容器であって、該容器の材料体積が同一温度で測定された冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい容器の製造方法を対象とする。

２軸延伸された単層及び多層の容器は、例えば、単層又は多層のプリフォームを所望の延伸温度に加熱し、延伸及びブローして周囲の金型キャビティ（空洞；ｃａｖｉｔｙ）に合致させる高温プリフォーム法を用いて、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などのポリマー材料から製造することが出来る。前記プリフォームは、あらゆる従来方法により製造することができ、例えば、単層若しくは多層のポリマーを有するプリフォームを押し出すことにより、又は、次層のポリマーをその前に射出成形されたプリフォーム上に射出することにより製造することが出来る。一般的に、単層容器に通常存在しない拡散障壁特性を加えるために、飲料容器には多層が用いられる。

先行技術の多層容器中の様々な層のポリマーは一般的に互いに密に接しており、これにより該容器の壁を介した熱エネルギーの伝導を促進する。これにより、該容器の冷却された中身が周囲温度にまで素早く温められる。従って、そのような容器は、該容器に断熱性を与えるために、例えば発泡ポリスチレンの外郭構造に覆われることが多い。

二酸化炭素拡散障壁特性と断熱特性の両方を有する改良化単層容器を製造することが望まれている。

本発明に調和及び適合して、驚くことに前記特性を示す容器の製造方法が見出された。当該方法は、（ポリマープリフォームの）壁の中に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを射出成形する工程；前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；前記プリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、前記プリフォームをブロー成形して、気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器を製造する工程（ここで、該容器の材料体積は、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい）を有する。

本発明は、微細発泡ポリマー及び微細気泡中に含まれる非反応性ガスから実質的になる容器であって、同一温度で測定した場合に、該容器の材料体積が、ブロー成形される容器の原料となる冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい容器を提供する。

本発明のある態様において、発泡壁を有するポリマー容器の製造方法は、壁の中に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを射出成形する工程；前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；前記冷却されたプリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、前記再加熱されたプリフォームをブロー成形して、ポリマー内で形成された気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器であって、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい材料体積を有する容器を製造する工程を有する。

本発明の他の態様において、発泡壁を有する容器の製造方法は、壁の中に非反応性ガスを封入したポリエチレンテレフタラートポリマープリフォームを射出成形する工程；前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；前記冷却されたプリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、前記再加熱されたプリフォームをブロー成形して、ポリマー内に形成された気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器であって、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい材料体積を有する容器を製造する工程を有する。

本発明の他の態様において、方法によって製造される容器は、壁の中に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを射出成形する工程；前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；前記冷却されたプリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、前記再加熱されたプリフォームをブロー成形して、ポリマー内で形成された気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器であって、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい材料体積を有する容器を製造する工程を有する。

本発明による前記方法及び容器は、特に炭酸飲料を中に入れるのに有益である。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
本発明は、壁の中に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを射出成形する工程；前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；前記プリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、前記プリフォームをブロー成形して、気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器を製造する工程（ここで、該容器の材料体積は、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい）を有する容器の製造方法を対象とする。

前記容器を製造する原料となる好適なポリマーとしては、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）及び他のポリエステル、ポリプロピレン、アクリロニトリル酸エステル、塩化ビニル、ポリオレフィン、及びポリアミドなど、並びに、それらの誘導体、混合物及び共重合体が挙げられるが、これらに必ずしも限定されるものではない。好ましいポリマーはＰＥＴである。

ポリマーフレーク（ｆｌａｋｅ）を公知の可塑化用スクリュー押し出し機の中で溶融し、押し出し排出で高温ポリマー溶融体（ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｅｌｔ）の均一な流れを作り出す。通常、該押し出し機から排出されたポリマー溶融体流の温度は、約２２５℃から３２５℃の範囲である。当業者であれば、使用するポリマーフレークの種類や、該押し出し機に供給されるエネルギーなどを含むさまざまな要因により、該ポリマー溶融体流の温度が決まると理解するであろう。例として、ＰＥＴは従来約２６０℃から約２９０℃の温度で押し出される。非反応性ガスは押し出し機の混合ゾーンに圧力をかけて注入され、これにより最終的に当該ガスは微細孔としてポリマー材料の中に封入される。本明細書で用いられる「非反応性ガス」とは、該ポリマーに対して実質的に不活性なガスを意味する。好ましい非反応性ガスとしては、二酸化炭素、窒素及びアルゴン、並びに、これらのガス同士の混合ガス及びこれらのガスと他のガスとの混合ガスが挙げられる。

本発明によれば、押し出し物は射出成形されて、壁内に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを形成する。ポリマープリフォームを射出成形する方法及び装置は、当技術分野においてよく知られている。

非晶質のＰＥＴの密度が１立方センチメートルあたり約１．３３５グラムであることはよく知られている。溶融フェーズ（ｍｅｌｔ ｐｈａｓｅ）中のＰＥＴの密度が１立方センチメートルあたり約１．２００グラムであることもよく知られている。もしプリフォームの射出キャビティが溶融したＰＥＴで完全に満たされて冷却されると、得られるプリフォームは適切な重量を示さず、ヒケ（シンクマーク）などの深刻な欠陥を多数有するであろう。先行技術の射出成形文献には、非晶質ＰＥＴと溶融ＰＥＴの密度の違いを相殺するためには、該キャビティが満たされた後であって該材料が冷却されているときに、当該部分に少量のポリマー材料を加えなければならないことが教示されている。これは充填圧力（ｐａｃｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）と呼ばれる。射出成形により製造されたプリフォームが適切に満たされ且つ十分に形成されるためには、射出成形サイクルの保圧フェーズ中に、約１０％多くの材料を加えなければならないことが分かっている。射出成形作業の当該充填圧力フェーズは、ＰＥＴ以外のポリマー材料にも同様に用いられる。

本発明によれば、ポリマープリフォームは射出成形され、同時に非反応性ガスを用いて泡立てられる（発泡化する）。当該ガスは、射出フェーズ中に材料の中に取り込まれる。充填フェーズ中に追加のポリマー材料が投入される先行技術の射出成形方法とは異なり、本発明では最小限の充填圧力が用いられる。ポリマー材料は未だ溶融状態にあるため、非反応性ガスの分圧は、溶解したガスをポリマーから気相に放出して微細発泡体構造を形成させるのに十分である。従って、当該発明方法によって製造されたプリフォームは、充填方法を用いる従来の射出成形作業によって製造されたポリマープリフォームよりも重量が小さいが同一の形状及び外形を有する。

好ましいガスに加えて、微細気泡は、微細発泡体構造の製造方法に一般に用いられる他のガスを有していてもよい。前記非反応性ガスは、二酸化炭素を非反応性ガス全質量の１０質量％以上の濃度で有することが好ましい。また、微細発泡体構造に依存して、該微細発泡体は、大気から容器中の冷却された炭酸飲料への熱エネルギーの伝導を遅らせるための有効な断熱材として作用してもよい。

射出成形工程の完了後、プリフォームはポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却される。例えば、ＰＥＴの軟化温度はおよそ７０℃である。封入された非反応性ガスは、ポリマープリフォームの壁の中に保持される。当該冷却工程は、ポリマーを調整し、ブロー成形された容器を成功裏に製造するのに望ましい特性を維持する。当該冷却工程は、押し出されたパリソンから直接ブロー成形できないポリエステルなどのポリマーを用いる場合にも必要である。当該冷却工程は、ポリマー成形技術で用いられるあらゆる従来方法、例えば、プリフォームの表面上に冷却ガスの蒸気を通す方法や、成形用の金型を冷却して金型内でプリフォームを冷却する方法により、達成されてもよい。初期材料体積を有する発泡プリフォームが製造される。この初期材料体積は、発泡ポリマープリフォームの質量を密度で割ることにより求められる。

ブロー成形用プリフォームを含むあらゆるプラスチック製品の体積は、当該プラスチック製品の質量値をその原料となる材料の密度で割ることにより容易に計算され得る。例えば、非晶質の非発泡ＰＥＴの密度は１立方センチメートル当たりおよそ１．３３５グラムであるので、約２６．７グラムの質量を有する従来の非発泡ＰＥＴプリフォームは、およそ２０．０立方センチメートルの体積を有するであろう。そのような非発泡プリフォームをブロー成形すると、当該ブロー成形工程中に導入される結晶化（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ）の結果として、前記材料の密度がごくわずかに増加する。前記プリフォームの一部のみが非常に伸ばされ、その結果密度が増加する。前記非発泡プリフォームの非延伸部分、すなわち、仕上（ｆｉｎｉｓｈ）、支持脚、ネック及びエンドキャップの部分は、約６グラムであると仮定する。前記プリフォームの質量の残り、つまり約２０．７グラムは、約２０％の平均延伸を有すると考えられ、ＰＥＴの密度が１立方センチメートル当たり約１．３５９グラムとなる。従って、そのような非発泡ＰＥＴプリフォームから製造されたブロー成形された容器の体積は、６／１．３３５＋２０．７／１．３５９、すなわち、およそ１９．７３立方センチメートルであると考えられる。該体積は、ブロー成形された容器の原料となる非発泡プリフォームの体積（２０．０立方センチメートル）よりも小さい。

発泡プリフォームは、超臨界性で非反応性の窒素ガス又は二酸化炭素ガスを導入して製造される。保圧（ｈｏｌｄｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）は約３０８バールに減少し、約０．５秒間だけ保持される。前記プリフォームの冷却時間はおよそ２５．０秒に増える。前記プリフォームは審美的に受け入れられ、いかなる物理的欠陥も示さない。本発明による発泡プリフォームは、約１％から約１０％の発泡レベルを有していてもよく、約４％の発泡レベルを有することが好ましい。前記発泡レベルは、発泡プリフォームと同一の材料から製造され、同一の体積を有する非発泡プリフォームの質量と比較した場合の、発泡プリフォームの質量の相違率として定義される。例えば、４％のレベルを有する発泡プリフォームは、この発泡プリフォームと同一の材料から成形され、同一の体積を有する非発泡プリフォームよりも４％低い質量を有する。４％の発泡レベルで、材料密度は１立方センチメートル当たり約１．２８１６グラムである。従って、約２０．０立方センチメートルの体積を有する４％発泡プリフォームは、約２５．６３グラムしか質量を有さない。

本発明による発泡プリフォームは、ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱される。加熱工程はよく知られた手段、例えば、プリフォームを高温ガス蒸気にさらす手段、火炎衝突手段、赤外線エネルギーにさらす手段、プリフォームを従来のオーブンに通す手段などにより達成されてもよい。一般的に、ＰＥＴは、次のブロー成形作業のために、その軟化温度よりも２０〜２５℃高い温度に再加熱される。もしＰＥＴがそのガラス転移温度よりもはるかに高く再加熱されたり、その軟化温度よりも高い温度に過度の時間保持されると、望ましくないことにＰＥＴは結晶化し始め、白くなってしまう。同様に、もしプリフォームが、微細気泡内の非反応性ガスの圧力上昇がその材料の力学特性を上回る温度にまで加熱されると、望ましくないことにその微細気泡は膨張し始め、プリフォームを変形させてしまう。

最終的に、発泡プリフォームはブロー成形されて、微細気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器が製造される。ポリマープリフォームから容器をブロー成形する方法及び装置はよく知られている。

驚くべきことに、ブロー成形された容器は、その容器を製造する原料となるプリフォームの材料体積よりも材料体積が大きい。従来の非発泡プリフォームがブロー成形される場合とは異なる。従来のそのような例においては、より小さい材料体積を有する容器が製造される（前記の通り、２０立方センチメートルが１９．７３立方センチメートルに減少する）。本発明による発泡ポリマープリフォームから製造されるブロー成形された容器は、より大きな材料体積を有する。約２０．０立方センチメートルの材料体積を有する４％発泡ＰＥＴプリフォームは、同一の温度で測定した場合に、２０．０立方センチメートルを上回る体積を有するブロー成形された容器を作り出す。

本発明による体積の増加は、当業者にとって予期せぬものである。当該容器は、軟化点よりも高く加熱したプリフォームをブロー成形することにより形成される。ブロー成形工程中に、約６００ｐｓｉまでのガス圧が容器の内部にかけられ、発泡プリフォームの壁を金型キャビティ壁と合致させる。当業者であれば、ブロー成形工程中にかけられる高い内部圧力が気泡を部分的につぶし、これにより容器側壁がより薄く、より高密度になることを想定するであろう。また、ブロー成形工程中のポリマーマトリックスの延伸及び結晶化の上昇から、当業者であれば、発泡プリフォームから製造された容器の材料体積は該容器の原料となるプリフォームの材料体積よりも小さいと予想するであろう。

上記から、当業者であれば、本発明の本質的な特性を容易に確かめることができ、本発明の精神と範囲を逸脱しない範囲で本発明を種々変更、修正し、様々な用途及び条件に適合させることが出来る。

Claims (20)

1. 以下の工程を有する、発泡壁を有するポリマー容器の製造方法：
   壁の中に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを射出成形する工程；
   前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；
   前記冷却化されたプリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、
   前記再加熱されたプリフォームをブロー成形して、気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器であって、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい材料体積を有する容器を製造する工程。
2. 前記ポリマーが、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリロニトリル酸エステル、塩化ビニル、ポリオレフィン及びポリアミド、並びに、それらの誘導体、混合物及び共重合体から選択されるポリマーを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ポリマーがポリエチレンテレフタラートを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記非反応性ガスが、二酸化炭素、窒素、アルゴン及びそれらの混合物のいずれかを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記非反応性ガスが、二酸化炭素を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記非反応性ガスが超臨界性ガスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. ポリマー溶融体中の前記非反応性ガスの分圧が、前記非反応性ガスを前記ポリマー溶融体から気相に放出して前記ポリマー溶融体を発泡させるのに十分であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記プリフォームの発泡レベルが約１％から約１０％の発泡であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記プリフォームの発泡レベルが約２％から約６％の発泡であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記プリフォームの発泡レベルが約４％の発泡であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 以下の工程を有する、発泡壁を有する容器の製造方法：
    壁の中に非反応性ガスを封入したポリエチレンテレフタラートポリマープリフォームを射出成形する工程；
    前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；
    前記冷却化されたプリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、
    前記再加熱されたプリフォームをブロー成形して、気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器であって、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい材料体積を有する容器を製造する工程。
12. 前記非反応性ガスが、二酸化炭素、窒素、アルゴン及びそれらの混合物のいずれかを有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記非反応性ガスが、二酸化炭素を有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記非反応性ガスが超臨界性ガスであることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
15. ポリマー溶融体中の前記非反応性ガスの分圧が、前記非反応性ガスを前記ポリマー溶融体から気相に放出して前記ポリマー溶融体を発泡させるのに十分であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
16. 前記プリフォームの発泡レベルが約４％の発泡であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
17. 発泡プリフォームから形成されたブロー成形された容器が、２０．０立方センチメートルより大きい体積を有するブロー成形された容器になることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 以下の工程を有する方法によって製造された容器：
    壁の中に非反応性ガスを封入したポリマープリフォームを射出成形する工程；
    前記プリフォームをポリマー軟化温度よりも低い温度に冷却する工程（ここで、前記冷却されたプリフォームは初期材料体積を有する）；
    前記冷却化されたプリフォームを前記ポリマー軟化温度よりも高い温度に再加熱する工程；及び、
    前記再加熱されたプリフォームをブロー成形して、気泡中に非反応性ガスを有する微細発泡ポリマーから実質的になる容器であって、同一温度で測定された前記冷却されたプリフォームの初期材料体積よりも大きい材料体積を有する容器を製造する工程。
19. 前記プリフォームの発泡レベルが約１％から約１０％の発泡であることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
20. 前記プリフォームの発泡レベルが約４％の発泡であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。