JP2016530131A - 容器用高変性ポリエステル - Google Patents

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Abstract

本明細書では、キャビティまたは金型(16)を用いて実施される膨張工程を用いてプリフォーム(12)からポリエステル樹脂容器を成形するプロセスであって、前記膨張工程の間に、前記プリフォーム(12)の開口を介して非圧縮性の流体を射出して前記容器を形成するプロセスを改良するために、結晶化可能なポリエステルポリマーを含むポリエステル樹脂であって、ポリエステルポリマーは、酸部分とグリコール部分とで構成され、酸部分の総モルの少なくとも85%が、テレフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導されたテレフタレートであり、グリコール部分の総モルの少なくとも85%がエチレングリコールから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせた総モルの少なくとも2%がプライマリーコモノマーから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせたモルパーセントが合計で100モル%である、このようなプロセスで用いられる改良されたポリエステル樹脂が開示される。

Description

==先の出願へのクロスリファレンス==
本出願は、発明の名称が「容器用高変性ポリエステル」である米国仮特許出願第61872233号の利益を主張するものであり、その教示内容全体を、本明細書に援用する。
射出ブロー成形のプロセスを用いてポリエステルをプリフォームに射出成形した後、ポリエステルのガラス転移温度よりも高く軟化温度の範囲内である温度までプリフォームを冷却または加熱してポリエステルからボトルを作製することは、従来技術において知られている。この変形可能な温度領域に入ったらプリフォームに加圧空気を送り込むと、プリフォームが膨張し、成形されたボトルの形になる。
米国特許第7,141,190号には、加熱された空気の代わりに液体の使用を用いてアセトアルデヒドを洗浄または清浄できることが開示されている。
米国特許第7,141,190号の本文および権利化された請求の範囲は、以下のとおりである。
米国特許第7,141,190号の特許請求の範囲
1.容器用のプリフォームを供給する工程と、前記プリフォームを金型のキャビティ内に配置する工程と、前記容器を形成するために前記プリフォームを膨張させる工程と、を含む、熱可塑性材料から容器を形成するプロセスであって、前記周囲にある金型キャビティの形状になるように前記プリフォームを延伸するために前記金型内に配置された前記プリフォームに圧力下で液体を導入する工程を特徴とし、前記金型を前記熱可塑性材料のほぼ前記融点まで加熱する工程を含む、プロセス。
2.前記金型から、前記熱可塑性材料を介して、前記容器内に導入される冷却用液体まで熱を伝達する、請求項1に記載のプロセス。
3.前記熱可塑性材料の前記結晶化は、制御された条件下で高めるまたは低下させることが可能である、請求項2に記載のプロセス。
4.滅菌製品を前記液体に導入する工程を含む、請求項3に記載のプロセス。
5.前記液体を前記プリフォームに導入する前に、前記液体を摂氏約85度まで予備化熱する工程を含む、請求項2に記載のプロセス。
6.前記容器を通気して乾燥させるために滅菌された乾燥空気を前記容器に導入する工程を含む、請求項1に記載のプロセス。
7.前記容器用のプリフォームを供給する工程と、前記プリフォームを金型のキャビティ内に配置する工程と、前記容器を形成するために前記プリフォームを膨張させる工程と、を含む、熱可塑性材料からの容器のプロセスまたは成形であって、前記周囲にある金型キャビティの形状になるように前記プリフォームを延伸するために前記金型内に配置された前記プリフォームに圧力下で液体を導入する工程を特徴とし、滅菌製品を前記液体に導入する工程を含む、プロセスまたは成形。
8.前記滅菌製品は、過酸化物である、請求項7に記載のプロセス。
9.前記容器の形成終了時に、前記容器に製品を充填する工程を含む、請求項7に記載のプロセス。
10.前記容器を通気して乾燥させるために滅菌された乾燥空気を前記容器に導入する工程を含む、請求項7に記載のプロセス。
11.容器用のプリフォームを供給する工程と、前記プリフォームを金型のキャビティ内に配置する工程と、前記容器を形成するために前記プリフォームを膨張させる工程と、を含む、熱可塑性材料から容器を形成するプロセスであって、前記周囲にある金型キャビティの形状になるように前記プリフォームを延伸するために前記金型内に配置された前記プリフォームに圧力下で液体を導入する工程を特徴とし、前記熱可塑性材料をその融点付近の温度まで加熱する工程と、処理した液体を前記プリフォームに導入する工程と、を含む、プロセス。
12.過酸化物を含ませることで前記液体を処理する工程を含む、請求項11に記載のプロセス。
13.前記液体を形成するために前記過酸化物を水と混合する工程を含む、請求項12に記載のプロセス。
14.前記液体は、アセトアルデヒドおよびエタノールの前記プリフォームを清浄化する、請求項11に記載のプロセス。
米国特許第7,141,190号は、その背景技術部分で、次のように教示している。
これまで、中空体のプラスチック成形には、ブロー成形、延伸ブロー成形、熱成形などを含むがこれらに限定されるものではない、多岐にわたるプロセスおよび技術が包含されている。たとえば、射出成形されたプリフォームから、ねじ切りされた首部を有する中空体が製造される。このとき、プリフォームは加熱された後、ブロー成形と呼ばれるプロセスで、高圧空気によって膨張される。ときおり、プリフォームは、射出成形ステーションからブロー成形ステーションに到達する前に冷却されてしまい、その場合は、比較的狭い許容誤差で以後の延伸プロセスに適した温度まで熱的に調節しなければならない。均一かつ良好な配向状態を得るために、本体壁における温度のばらつきは摂氏10度以内に抑え、成形プロセスの間に延伸ブローの対象となるプラスチックのガラス転移温度よりも摂氏10度を超えて高温にならないようにすべきである。この温度がガラス転移温度に近付けば近付くほど、より多くの配向が得られる。しかしながら、低めの温度で容器を延伸ブロー成形するには、これよりかなり高い圧力が必要になる。そのために、妥協をしなければならない。こうして得られた配向後の中空体は、一般に当該中空体を加圧下にある炭酸飲料の包装に用いることができるという点で、機械的強度が顕著に改善されている。この延伸ブロー成形用の既知のプロセスに用いられる空気圧は、このような容器に特定の底部設計が求められる場合に、1平方インチあたりのポンド数(psi)が1,000を超えることもある。モールド成形された模様(molded−in impression)、容器の座屈に耐えるための水平リング、段積み性を改善するための垂直線などの他の特徴はいずれも、成形プロセスの間にさらに高い空気圧を必要とする。
高温金型におけるプリフォームの延伸ブロー成形によるポリエチレンテレフタレート(PET)ボトルまたは他の形状の容器のヒートセットは、現在、PETの結晶化に用いられている。このプロセスは複雑で、長いサイクルタイムを必要とする。この容器は、金型によって最初に加熱された後、冷却される。したがって、結晶化を加速するために温度の変化が大きくなればなるほど、このプロセスの間に、より多くのエネルギーが消費され、エネルギーの使用とプロセスの速度との間で妥協をしなければならない。
また、飲料に用いられるプラスチックボトルなどの容器ならびに、人間または動物が食べる食品用の容器などは、その食品や飲料が汚染されるのを防ぐために滅菌しておく必要があることは、従来技術において知られている。今までのところ、この滅菌プロセスには、容器成形の完了後かつ、ブロー成形プロセスの間に用いられた加圧空気を排出する工程後に、追加のプロセス工程が必要であった。
従来技術のもうひとつの欠点は、プラスチック材料の押出およびプリフォームの成形の間、アセトアルデヒドまたはエタノールが発生することである。これらの生成物は事実有毒であり、ブロー成形プロセスの間に加圧空気を使用した後も容器本体に残り得る。
米国特許第7,141,190号では、その発明の概要を、次のように説明している。
本発明では、成形プロセス用に、空気または他の気体の代わりに液体を利用する。液体は、成形環境で圧縮できないため、荷重を伝達するのに必要なエネルギー量が小さいと同時に、優れた伝熱媒体でもある。本発明は、飲食物分野で用いられる容器の成形に特に有用であるため、液圧媒体としての水の使用に特に適合できる。水は、優れた液圧伝達・伝熱媒体であり、経済的で容易に入手でき、無毒かつ無害で、取り扱いが容易である。
液体を用いることのもうひとつの利点は、圧力媒体として空気を用いる従来技術で起こるような、酸素がプラスチック材料の本体に取り込まれるのが回避されることである。酸素は、寿命を短くして品質を低下させることで、多くの製品に有害な作用を持つ。水などの液体を圧力媒体として用いると、この問題が回避されるか最小限に抑えられる。
[米国特許第7,141,190号の]本発明は、飲料などの液体用の容器またはボトルの形の中空体を成形するのに有用であり、かつ、容器および容器との間で製品を出し入れするのに用いられる容器開口部の大きさと形状次第で、顆粒状の物質や粉末などの固体製品ならびに、ペースト、ワックスなどの物質を収容するのにも有用である。
[米国特許第7,141,190号の]本発明は、過去に用いられてきた空気などの気体媒体ではなく水などの液圧媒体の使用に頼っている。1,000psiの空気圧を生じるのに必要な仕事量は、1,000psiの液圧を生じるのに必要な仕事量と比べると1桁大きい。この仕事量をこなすための設備は、コストに比例する。資本設備コストとエネルギーコストのどちらも、ボトルまたは他の形態の容器を製造する総コストのかなりの部分を占める。液圧手段によって高圧を発生させるためのコストはそれほど高くないため、材料のガラス転移点に近い低めの温度で熱可塑性プリフォームを延伸することには、実現性がある。この改善されたプロセスでは、分子配向が良くなり特性も改善され、少ない材料を用いて一層軽量の容器を製造することにつながる。
[米国特許第7,141,190号の]本発明によれば、容器の滅菌には、従来技術で求められているような別のプロセス工程は必要ない。容器の成形に用いられる高温の液体は、容器の成形時に、いくぶんは滅菌の一助となる。高温の湯または他の液体に滅菌製品を取り入れ、成形工程で用いられる液体製品をあけて空にした容器を受け取る準備のできた延伸成形工程の終了時に容器が滅菌状態になるようにすることで、滅菌を確実なものとすることもできる。必要があれば、成形工程の後、乾燥滅菌空気を使用して、容器を通気して乾燥させてもよい。
[米国特許第7,141,190号の]本発明のさらに別の特徴は、プリフォームを所望の容器形状に膨張させる際に液体を用いることで、この液体に、プリフォームの押出プロセスの間に生じたアセトアルデヒドまたはエタノールの一部または全部を除去するための洗浄または清浄作用があることである。
[米国特許第7,141,190号]は、その発明を、以下のように説明している。
[米国特許第7,141,190号の]発明は、ボトルなどのポリエチレンテレフタレート(PET)容器の製造に、特に適合できる。この新規なプロセスは、製造プロセスに、些細ではあるが重要な変化を与えるように適合できる。プリフォームのブロー成形に高温の加圧空気を用いる代わりに、調節した(tempered)摂氏約85度の湯をポンプでプリフォームの中に供給した後、加圧する。水圧が所望の値に達して、プリフォームが容器の所望の形状をなすまで膨張および延伸されたら、高温の湯を抜き、ポンプで冷却水をボトルや他の形状の容器に供給して、高温の湯と入れ替える。この高温の湯は、保存しておいて次のサイクルで使用することもできる。成形プロセスまたは膨張プロセスで用いられる水などの液体に、滅菌で利用される製品が加えられることも企図される。現時点では、アメリカ食品医薬品局(FDA)の認可を得ている1種類以上の過酸化物または酢酸あるいは他の製品などが、少量、成形用液体に加えられていると好ましい。成形工程に続いて、ボトルまたは他の容器をひっくり返し、滅菌乾燥空気をボトルの中に吹き込んで残っている水分を効率よく除去することで、容器を滅菌状態に保ったまま、今までの加圧空気を用いるブロー成形の従来技術では必要であった追加の滅菌プロセスの必要なくすぐに製品を充填できるようにしてもよいが、必ずしもそうでなくてもよい。よって、本発明で成形される容器には、人間が摂取するための滅菌製品または食品または飲料を、すぐに充填することが可能である。
このように中に入れる製品の熱処理に適した容器を製造するのに熱硬化が必要な場合、金型は、その熱可塑性材料の融点近くまで加熱が可能なものとすべきである。これは、たとえばrf加熱または誘導加熱によって達成できよう。上述したように容器の成形に用いられるプラスチックの融点である摂氏約85度であってもよい内部の液体によって、必要な冷却は達成されるため、冷却構成を持つ必要もなかろう。
米国特許出願第20050206045号には、空気などの気体状の流体ではない、非圧縮性の流体を使用して、プリフォームの開口に注入することが開示されている。
米国特許出願第2005060245号の特許請求の範囲は以下のとおりである。
1.開口部(10’)を好ましくは首部(11)に含む、実質的に円筒管の形状であるプリフォーム(10)からポリエステル樹脂容器を製造するためのプロセスであって、前記ポリエステルのガラス転移温度よりも高い温度で前記プリフォーム(10)を加熱する工程と、キャビティ(101)の内部でなされる膨張工程とを含み、前記膨張工程の間に、前記プリフォーム(10)の前記開口部(10’)を介して非圧縮性の流体を射出して前記容器を形成することを特徴とする、プロセス。
2.前記非圧縮性の流体は、制御された速度および圧力で、圧力下にて射出される液体であることを特徴とする、請求項1に記載のプロセス。
3.前記射出される液体は、前記容器に詰められる液体に相当することを特徴とする、請求項1に記載のプロセス。
4.形成される前記容器はPETボトルであり、前記プリフォーム(10)は、前記加熱工程の間に、前記PETのガラス転移温度よりも高い温度、通常は約75℃から85℃に加熱され、前記非圧縮性の流体の前記温度は、前記膨張工程の際に10℃から90℃であることを特徴とする、請求項1に記載のプロセス。
5.前記非圧縮性の流体の前記温度は約15℃であることを特徴とする、請求項4に記載のプロセス。
6.前記非圧縮性の流体の前記射出時間は、実質的に1秒未満であり、好ましくは0.02秒から0.5秒であり、さらに好ましくは0.1秒から0.2秒であることを特徴とする、請求項1に記載のプロセス。
7.気体状流体による膨張式の従来型の延伸ブロー成形プラントのノズル(102)に接続されるように構成された、液体射出手段を本質的に含むことを特徴とする、請求項1に記載のプロセスを実施するための装置(1)。
8.前記液体射出手段の制御手段(203、204)は、前記従来型の延伸ブロー成形プラントの気体状流体の供給ライン(110)から送られる加圧気体により作動されることを特徴とする、請求項7に記載の装置(1)。
9.前記液体射出手段は、好ましくは形成対象となる容器に充填される液体の供給ラインの流入口(300)にも接続されることを特徴とする、請求項7に記載の装置(1)。
10.前記射出手段はシリンダー/ピストンアセンブリからなり、往復移動制御手段をなす前記ピストン(203、204)は、前記シリンダー内で、加圧空気の供給ライン(110)に接続される制御チャンバ(200’)と、液体供給ラインの流出口(300)に接続され、なおかつノズル(102)に接続される液体射出チャンバ(200”)と、を画定することを特徴とする、請求項7に記載の装置(1)。
米国特許出願第20050206045号は、その発明を、以下のように説明している。
[0001] [米国特許出願第20050206045号の]本発明は、ポリマー材料、特にポリエステルからなる容器を製造する分野に関する。特に、本発明は、液体、好ましくは水、特にミネラルウォーターを入れるポリエステルボトル、好ましくはポリエチレンテレフタレート(PET)ボトルの製造の分野に関する。
[0002] [米国特許出願第20050206045号の]本発明は、プリフォーム内に液体を射出することによるポリエステル容器を製造するためのプロセスを目的とする。また、本発明は、このプロセスを実施するための装置を目的とする。
[0003] 従来から市販されているPETボトルは、何年にもわたって、圧縮空気を用いてPETのプリフォームからのブロー成形または延伸ブロー成形によって製造されている。
[0004] プリフォームは通常、一端が閉じた状態で反対側の端が開いている円筒管の形状をしている。プリフォームの頭部は開いており、これが容器の首部に対応する。プリフォームから容器を製造する従来の手順では、プリフォームは、連続したコンベヤチェーンの円筒形ラグに上下逆さまの状態で通され、このコンベヤチェーンによって、以後の延伸ブロー工程のためにプラスチック材料の温度を調節する放射加熱手段が両側に並んだ直線区間で主に構成される炉を通って搬送される。
[0005] その後、高温のプリフォームを取り出してブロー成形機の金型に搬送する。搬送時の移動は、たとえば搬送アームによりなされ、ブロー成形機の動きと連動している。ブロー成形機は通常、その垂直軸を中心として連続回転する回転式のカルーセルとして構成され、周縁で一連の同じ金型を支持している。よって、プリフォームは、金型が開いて前に形成された容器が排出された直後に、この金型に配置される。
[0006] まず、プリフォームは、延伸ブロー成形を可能にすべく金型内でガラス転移温度よりも高い温度(約100℃)になるように加熱される。加熱工程終了時のプリフォームの温度は、加熱地点とブロー地点との間の距離を移動する際に冷えてしまうことを考慮して、ブロー成形用の金型内で必要な温度よりもやや高めである。回転運動と、複数の金型が同時に存在することとにより、このようなブロー成形装置は、毎時約数万個の容器、すなわち1個の金型あたり毎時約1000から2000本のボトルを、非常な高速で生産することができる。
[0007] 延伸ブロー成形は、3から40バール(3×10Paから4×10Pa)の圧力で空気を射出しながら、金属ロッドを補助として用いた延伸により行われる。この空気はノズルを介して射出され、そのノズル端がプリフォームの頭部の開口部に挿入される。
[0008] 圧力下での空気の射出によって製造されるボトルは、所定の重量と材料のタイプでの寿命が比較的満足のいくものとなる。それにもかかわらず、PET固有の特徴や特性から、容器の製造プロセスを変更して、さらに良好な結果が得られるよう検討することができる。
[0009] [米国特許出願第20050206045号の]本発明の一目的は、結果として、プリフォームからポリエステル容器を製造するための改良されたプロセスを提供することにある。
[0010] もうひとつの目的は、必要があれば、容器の製造プロセスに容器の内容物充填プロセスを統合できるようにすることにある。
[0011] このため、[米国特許出願第20050206045号の]本発明は、開口部を好ましくは首部に含む、実質的に円筒管の形状であるプリフォームからポリエステル樹脂容器を製造するためのプロセスであって、前記ポリエステルのガラス転移温度よりも高い温度で前記プリフォームを加熱する工程と、キャビティまたは金型の内部でなされる膨張工程とを含み、前記膨張工程の間に、非圧縮性の流体が前記プリフォームの開口部を介して射出されて前記容器を形成することを特徴とするプロセスを提供する。
[0012] このプロセスによって得られる容器の特徴は、気体状流体を用いて膨張させる従来型の延伸ブロー成形プロセスで得られる特徴よりもずっと優れている。特に、所定の重量と材料のタイプでの寿命が長いことが確認されている。特に、本発明によるプロセスで得られる容器の結晶化の量すなわち、ポリマー全体の質量に対する結晶相の質量の割合を、これまでよりもずっと高くすることができる。
[0013] たとえば、PETボトルの場合、本発明によるプロセスで得られるボトルの結晶化率を30%から50%とすることができる。これによって、同一の重量とタイプのPETに対して現在得られている、結晶化率25%から30%のボトルよりも寿命を延ばすことができる。
[0014] [米国特許出願第20050206045号の]本発明のもうひとつの態様によれば、前記非圧縮性の流体は、制御された速度および圧力で、量を制御して圧力下にて射出される液体であり、好ましくは、形成される前記最終容器に詰められる液体である。
[0015] よって、内容物(contents)の製造に用いられる液体は、たとえば水、特にミネラルウォーターなど中に詰められる液体であってもよく、これによって最後の充填工程を飛ばすことができる。そのため、容器の製造工程と、これらの容器に内容物を充填する工程とが、同じひとつの工程に統合される。この解決方法では、重要な経済的利点が得られるのはもちろんのこと、特に細菌による空容器の汚染の危険性が制限されるのは明らかである。
[0016] 好ましくは、形成される前記容器がPETボトルである場合、前記プリフォームは、前記加熱工程の間に、前記PETのガラス転移温度よりも高い温度、通常は約75℃から85℃に加熱され、前記非圧縮性の流体の温度は、前記膨張工程の間に10℃から90℃である。
[0017] 本発明の好ましい実施形態によれば、非圧縮性の流体の前記温度が約15℃である。
[0018] 本発明のもうひとつの態様によれば、先に規定したタイプのプロセスを実施する装置であって、特に従来の気体状流体による膨張式で公知のブロー成形プラントまたは延伸ブロー成形プラントのノズルに接続されるように構成された、液体射出手段を本質的に含むことを特徴とする装置も提供される。
[0019] よって、本発明による方法は、特に、既存の容器製造プラント、たとえば従来型のPETボトル製造ユニットに使用可能である。その場合、従来のブロー成形機の異なる金型に付随するブロー成形ノズルが、気体状流体の射出手段ではなく本発明による液体射出手段に接続されるように、プラントを修正するだけで十分である。
[0020] しかしながら、本発明によるプロセスは、また、このために特別に構成されて、上述した異なる要素を備えるプラントでも、等しく使用可能である。
[0021] 好ましくは、前記液体射出手段の制御手段は、従来型の前記ブロー成形プラントまたは延伸ブロー成形プラントの気体状流体の供給ラインから送られる加圧気体により作動される。
[0022] これは、たとえばピストンを含んでもよく、液体を充填したジャッキ内でのピストンの移動は、従来型のブロー成形プラントまたは延伸ブロー成形プラントの圧力下の気体状流体により制御される。同様に、本発明による付属の流体射出手段を制御するために、既存の容器製造プラント、たとえば従来型のPETボトル製造ユニットの気体状流体の流入口が用いられる。よって、従来のブロープラントを、非常にわずかに変更するだけでよい。
[0023] 好ましくは、前記液体射出手段は、液体供給ライン、好ましくは形成対象となる容器に充填される液体の供給ラインの入力側に接続される。
[0024] 同様に、上述したように、容器の製造に用いられる液体は、中に詰められる液体であるので、追加充填装置なしですませることができる。そのため、これらの容器を製造するための装置と内容物を充填するための装置が、ひとつの同じ装置に統合される。
[0025] よって、[米国特許出願第20050206045号の]好ましい実施形態によれば、射出手段はシリンダー/ピストンアセンブリからなり、往復移動制御手段をなすピストンは、前記シリンダー内で、加圧空気の供給ラインに接続される制御チャンバと、液体供給ラインの入力側に接続され、なおかつノズルに接続された液体射出チャンバと、を画定する。
[0026] [米国特許出願第20050206045号の]本発明は、非限定的な例として示され、本発明による金型またはキャビティに設置される、プリフォームへの液体射出装置1を示す添付の概略図を参照して説明された好ましい実施形態に関する以下の説明から、より一層理解されるであろう。
[0027] 一例として説明される[米国特許出願第20050206045号の]実施形態は、加熱されたプリフォームからの水用PETボトルを製造するためのプロセスに関する。添付の図面から明らかなように、プリフォーム10は、下端側が閉じられた円筒管の形状で存在する。プリフォームの頭部11は開いており、ボトルの首部に対応する。すなわち、この場合、キャップが螺合する細長い首に対応する。
[0028] このプロセスは、本発明の導入部で説明したように、PETミネラルウォーターのPETボトルを製造するための従来のプラントを変更して実施される。
[0029] 本発明によれば、膨張工程の間に、プリフォーム10の開口部10’を介して射出されるのが加圧空気ではなく、非圧縮性の流体である。好ましくは、ボトルの成形を可能にする非圧縮性の流体として、このボトルに詰められる液体を使用することにより、後の内容物充填工程を省略する。
[0030] 本発明を実施するために、添付の図面から明らかなように、従来のPETボトル製造プラントを変更する。
[0031] 全体として、ブロー成形装置に、金型のレベルで、これらの金型に付随するノズル102に接続されるように構成された液体射出装置1を接続する(金型1つにつき1つの装置1)。
[0032] [米国特許出願第20050206045号の]の1枚だけの図面は、プリフォーム10の本体が内部に収容される金型101を概略的に示している。プリフォームの首部11は、金型の外に延在している。金型に付随するブロー成形ノズル102は、プリフォーム10の首部11の開口部10’を介して挿入されている。
[0033] ブロー成形ノズル102は通常、空気供給部110に接続されている。本発明によれば、空気供給部110とノズル102との直接接続部が、取り外されている。それに対して、主にジャッキ200からなる液体射出装置1は、金型101に付随している。
[0034] シリンダー/ピストンアセンブリまたはジャッキ200は、液体と気体の両方を密閉封入するように構成されたシリンダー本体と、ジャッキ200の本体で長手方向に摺動するように構成されたピストン203、204とを含む。ピストンの頭部204は、ジャッキ200の本体を、互いに気密に分離された2つの区画(すなわちチャンバ)200’、200”に分離し、上側の区画200’には空気が入り、下側の区画200”には水が入るように構成されている。ジャッキの上部205は、空気流入口206を含み、ジャッキの下部201は、水流入口202と水流出口210とを含む。
[0035] 空気流入口206は、バルブ111によって空気供給部110に接続されている。水流入口202は水供給システムに付随する。このシステムは、バルブ301によって水流入口202に接続される水供給部300を含み、バルブ302により制御される排水管が同様にこの位置に配置されている。好ましくは、本発明によれば、水供給システムが、ボトルに詰める対象となるミネラルウォーターを供給する。水流出口210はノズル102に接続され、このノズルに、射出装置1によって水200が供給されるようになっている。
[0036] ジャッキ200の異なる高さに(位置検出器またはレベル検出器を形成する)磁気検出器207、208が設置され、検出器207はジャッキの下部201で作用し、検出器208はジャッキの上部205で作用する。
[0037] バルブ111、209、301、302は、水射出装置1の動作が、(ブロー)成形機の動作と連動し、より一般的には、ボトル製造プラントのアセンブリの動作と連動するように、ボトル製造プラントの中央制御システムまたはロボット(図示せず)により指示される制御サーボ機構によって制御されている。
[0038] 成形機またはブロー成形機の動作と連動する水噴射装置1の動作は、成形機の軸を中心とする金型の回転サイクルよりも持続時間が短い噴射サイクルに沿って行われる。
[0039] 噴射サイクルの第1の工程では、バルブ300が開いて、ピストンの頭部204が磁気検出器208の位置にくるまでジャッキの下部に水が充填される。磁気検出器208がピストンの頭部204を検出すると、バルブ301を閉じることからなる第2の工程が実行される。噴射サイクルの第3の工程では、ジャッキの上部が加圧されるようにバルブ111が開く。この工程は、タイマーによって決まる所定の時間、実施される。この工程の終了時、第4の工程が実行され、その間、バルブ209が開いている。上部205に存在して加圧空気により作動されるピストン203、204は下降し、バルブ209を介してノズル102に水を射出し、それによってプリフォーム10内に水を射出する。このプリフォームは、射出された水により延伸されると同時に金型101の壁103に達するまで膨張される。このようにしてボトルが形成され、その上すでに水が充填されている。磁気検出器207がピストン203の頭部の存在を検出すると、この工程は中断される。タイマーによって決まる所定の時間経過後、バルブ209と111が閉じられる。ブロー成形機の軸を中心として金型を回転させるサイクルの終わりに、この金型が自動的に開き、成形されて内容物を充填済みのボトルがボトル搬送アームによって取り出される。
[0040] このプロセスは、所定の延伸率で、使用されるポリエステルのガラス転移温度よりもプリフォームの温度を高くし、使用される材料が冷める速度よりも射出速度を高めて最適化される。よって、もうひとつの利点として、サイクル時間が非常に短いことがあげられる。非圧縮性の流体を射出する時間は、実質的に1秒未満であり、好ましくは0.02秒から0.5秒であり、さらに好ましくは0.1秒から0.2秒である。
[0041] 循環路に含まれることもある気泡を除去するために、パージサイクルも設ける。開始サイクルは、ロボットによって定義される。
[0042] パージサイクルの第1の工程では、バルブ301が開いて、ピストンの頭部204が磁気検出器208の位置にくるまでジャッキの下部201に水が充填される。磁気検出器208がピストンの頭部204を検出すると、バルブ301を閉じることからなる第2の工程が実行される。射出サイクルの第3の工程では、ジャッキの上部が加圧されるようにバルブ111が開く。この工程は、タイマーによって決まる所定の時間、実施される。この工程の終了時、第4の工程が実行され、その間、パージバルブ302が開いている。上部205に存在して加圧空気により作動されるピストン203、204は下降し、バルブ302を介して水を射出する。磁気検出器207がピストン203の頭部の存在を検出すると、この工程は中断される。タイマーによって決まる所定の時間経過後、バルブ302、111が閉じられる。
[0043] 水温は、製造したいボトルがゆえの技術的な制約に応じて10℃から90℃とすることができる。特に、プリフォームを変形させるためには必然的に圧力がかなり高くなり、低温の場合は高めの圧力が必要である。しかしながら、技術的な制約に応じて可能であれば、液体の温度は15℃であると好ましい。
[0044] 好ましくは、プリフォーム10の首部11が膨張サイクルの間に変形するおそれがないように、気密部材および/または冷却部材によって首部を液体から隔離する。
[0045] このプロセスによって得られる内容物(contents)は、気体によるブロー成形を用いる従来の膨張方法で得られるものよりもかなり優れた特徴を有する。特に、これらは、所定の重量と材料のタイプでの寿命が長い。本発明によるプロセスで得られる容器の結晶化の量すなわち、ポリマー全体の質量に対する結晶相の質量の割合については、特にかなり高くできる。高速の膨張速度を用いることにより、延伸率をかなり大きくし、誘導される結晶化率を高めることができる。
[0046] たとえば、水温85℃から95℃、圧力2バールから3バール(2×10Paから3×10Pa)の水を用いて試験した場合、PET容器では、本発明によるプロセスで得られる容器の結晶化率のレベルが最大50%であった。このような結晶化率を得るために、非晶質ではないすべての相すなわち、結晶相と中間相とが統合されている。
WO2009/075791には、高温のプリフォームを膨張させて金型の形状にするのに必要な圧力を与えるのに最終液体製品を用いることで、容器の形成と内容物の充填を同時に行うことが開示されている。
技術分野
本開示は主に、プラスチック容器を形成し、内容物を充填するための装置および方法に関する。特に、本開示は、プラスチック容器の形成と内容物の充填を同時に行うための装置および方法に関する。
背景技術
環境などに対する関心の結果として、かつてはガラス容器で供給されていた多数の商品を包装するのに、プラスチック容器、特にポリエステル容器、より詳細にはポリエチレンテレフタレート(PET)容器が現在、かつてないほど使用されている。製造業者および充填業者のみならず消費者も、PET容器が軽量かつ安価で、リサイクル可能であり、大量生産できることを認識している。
ブロー成形で得られたプラスチック容器は、多数の商品の包装で普通に用いられるものとなっている。PETは結晶化が可能なポリマーであり、これは非晶質形態または半結晶形態で入手可能であることを意味する。PET容器がその材料の完全性を保つ機能は、結晶形態のPET容器の割合と関連し、これはPET容器の「結晶化率」としても知られている。
以下に示す式では、結晶化率の割合を体積分率として定義する。
[数1]
結晶化率(%)=(ρ−ρa/ρc−ρa)×100
式中、ρはPET材料の密度であり、ρaは純粋な非晶質PET材料の密度(1.333g/cc)であり、ρcは純粋な結晶質材料の密度(1.455g/cc)である。容器をブロー成形したあとは、この容器に商品を充填することができる。
従来のブロー成形と内容物の充填は、2つの独立したプロセスとして開発されており、多くの場合、異なる企業で実施されている。ボトルへの内容物充填のコスト効果を増すために、充填業者によっては、多くの場合はブロー成形機を充填ラインに直接つないで、社内でブロー成形を行なっている。機器の製造業者はその利点を認識し、ブロー成形機と充填機が完全に同期するように設計した「統合」システムを販売している。ただ、これら2つのプロセスをさらに近づけようとする努力がなされているにもかかわらず、ブロー成形と内容物の充填は2つの独立した別個のプロセスのままである。結果として、これら2つのプロセスを別々に実施する際に、相当なコストがかかる場合がある。よって、1回の操作で容器の形成と内容物の充填をするのに適した液体ブロー成形システムまたは液圧ブロー成形システムに対する需要がある。
発明の開示 WO2009075791
したがって、[WO2009075791の]本開示によれば、高温のプリフォームを膨張させて金型の形状にするのに必要な圧力を与えるのに最終液体製品を用いることで、容器の形成と内容物の充填を同時に行うためのシステムおよび方法が提供される。
一例では、[WO2009075791の]システムは、内面を画定してプリフォームを受けるように構成された金型キャビティを含む。また、このシステムは、流入口と、充填用シリンダーと、ピストン状の装置とを有する圧力源も含む。ピストン状の装置は、流入口を通って充填用シリンダー内に液体を引き込むような第1の方向と、プリフォームに向かって液体を押し出すような第2の方向に、充填用シリンダー内で動作可能である。ブローノズルは、圧力源からの液体を受け、この液体を高圧でプリフォームの中に送り出し、それによってプリフォームを押し出して金型キャビティの内面に向かって膨張させ、それによって容器を作製するように構成されてもよい。液体は、最終商品として、容器内に残る。
[WO2009075791の]本開示が関連する分野の当業者であれば、添付の図面を参照して以下の説明および添付の特許請求の範囲を読むことで、本開示の他の利益および利点を理解することができるだろう。
詳細な説明 WO2009075791
[WO2009075791の]以下の説明は例示としてのものにすぎず、いかなる形でも、本開示またはその用途または使用法を限定するものではない。
[WO2009075791の]すべての図面を参照すると、本教示内容による金型ステーションが図示され、全体が参照符合10で示されている。図1から図7は、本教示内容による1つの例示的なシーケンスを示す。[注:WO2009075791における開示の図1から図7は、そのまま本明細書の図1〜7に相当する]以下の説明から明らかなように、金型ステーション10および関連する方法は、最終液体商品Lを用いて高温のプリフォーム12を膨張させて金型の形状を持たせ、それによって容器C(図7)の形成と内容物の充填を同時に行うのに必要な圧力を加える。
最初に図1および図2を参照して、金型ステーション10を詳細に説明する。金型ステーション10は主に、金型キャビティ16と、圧力源20と、ブローノズル22と、延伸ロッド26とを含む。図示された例示的な金型キャビティ16は、金型半体30、32を含む。これらの半体は協働して、ブロー成形される容器の所望の外側輪郭に対応する内面34を画定する。金型キャビティ16は、プリフォーム12の支持リング38が金型キャビティ16の上端に捕捉されるように、開位置(図1)から閉位置(図2)へと移動可能であってもよい。プリフォーム12は、ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステル材料で形成すればよく、試験管に類似した、当業者には周知の形状を有する。この形状は、断面略円筒形で、長さは最終的に得られる容器Cの高さの約50%であるのが一般的である。支持リング38を使用して、製造のさまざまな段階を通してさまざまな段階で、プリフォーム12を保持したり向きを維持したりしてもよい。たとえば、プリフォーム12は、支持リング38によって保持されてもよく、支持リング38は、金型キャビティ16内でプリフォーム12の位置決めを助けるために使用できる。あるいは、製造後、消費者がプラスチック容器Cを携行するのに支持リング38を使用することもできる。
[WO2009075791の]一例では、圧力源20は、充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42内で動作可能である、ピストン、ポンプ(液圧ポンプなど)または他の同様に適切な装置を含むがこれらに限定されるものではないピストン状の装置40を一般に含む、充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42の形であってもよいが、これらに限定されるものではない。圧力源20は、液体商品Lが流入する流入口46と、液体商品Lをブローノズル22に送り出す流出口48と、を有する。流入口46および流出口48が自己に内蔵された弁を有してもよいことを、理解されたい。ピストン状の装置40は、液体商品Lを流入口46から充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42に引き込む第1の方向(図面の上方向)と、液体商品Lを充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42からブローノズル22に送出する第2の方向(図面の下方向)と、に動作可能であってもよい。ピストン状の装置40は、たとえば空気圧、機械的または液圧などの任意の適切な方法で動作可能であってもよい。圧力源20の流入口46は、管またはパイプなどによって、最終液体商品Lを入れるリザーバまたは容器(図示せず)に接続されてもよい。圧力源20が異なる構成であってもよいことは、理解できよう。
[WO2009075791の]ブローノズル22は主に、圧力源20の流出口48から液体商品Lが流入する流入口50と、液体商品Lをプリフォーム12内に送出する流出口56(図1)とを画定する。流出口56は、形成/充填プロセスの間にブローノズル22がプリフォーム12と容易に嵌合できるように、支持リング38付近でプリフォーム12と相補的な形状を画定してもよいことは、理解できよう。一例では、ブローノズル22には、プリフォーム12の機械的延伸を開始するのに用いられる延伸ロッド26を摺動自在に受け入れるための開口58を画定してもよい。
[WO2009075791の]一例では、熱処理、一般に高温での充填プロセスの間に、液体商品Lをプラスチック容器C内に導入すればよい。高温で内容物をボトルに充填する用途では、ボトル詰め装置が一般に、約185°Fから205°F(約85℃から96℃)の高温で液体または製品をプラスチック容器Cに充填し、冷却前にプラスチック容器Cをクロージャ(図示せず)で密封する。1つの構成では、液体は、流入口46を介して充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42内で連続的に循環でき、それによって液体を事前設定温度まで(すなわち流入口46の上流の熱源(図示せず)で)加熱可能である。さらに、プラスチック容器Cは、他の高温殺菌プロセスまたはレトルト充填プロセスあるいは、他の熱処理にも適する場合がある。別の例では、液体商品Lを周囲温度または低温でプラスチック容器Cに導入してもよい。したがって、たとえば、プラスチック容器Cは、約32°Fから90°F(約0℃から32℃)の間の周囲温度または低温、より好ましくは約40°F(約4.4℃)で充填されてもよい。液体商品を周囲温度または低温で充填する例では、本明細書で説明するように、液体商品を導入する前にプリフォームを滅菌処理することができる。
次に[WO2009075791の]すべての図を参照し、プラスチック容器Cの形成と内容物の充填を同時に行う例示的な方法について説明する。一例(図1)によれば、蒸気Sをプリフォーム12上および/またはその中に送り、プリフォーム12を部分的または完全に滅菌することができる。プリフォーム12を(蒸気Sなどにより)滅菌することで、最終的な液体が滅菌媒体であることを必要とせずに、無菌のプリフォームと、そこから得られる容器とを作成できる。したがって、容器を高温の充填プロセスで形成する必要がない。図1には蒸気Sが示されているが、他の滅菌媒体および/または技術を使用してもよいことは、理解できよう。一例では、滅菌媒体は液体過酸化物などの液体であればよいが、これに限定されるものではない。
[WO2009075791の]プリフォーム12を、金型キャビティ16内に配置してもよい(図2)。一例では、機械(図示せず)が、約190°Fから250°F(約88℃から約121℃)の温度まで加熱したプリフォーム12を、金型キャビティ16内に配置する。プリフォーム12が金型キャビティ16内に配置されると、圧力源20のピストン状の装置40が、流入口46を介して、充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42内に液体商品Lを引き込み始めることができる。その後、金型キャビティ16の金型半体30、32を閉じることで、プリフォーム12を捕捉できる(図2)。ブローノズル22は、プリフォーム12の仕上げ処理でシールを形成できる。得られる容器C内の結晶化率のレベルを高めるために、金型キャビティ16を、約250°Fから350°F(約93℃から177℃)の温度まで加熱してもよい。別の例では、金型キャビティ16を、約32°Fから90°F(約0℃から32℃)の周囲温度または低温で提供してもよい。ピストン状の装置40によって、液体商品Lを、充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42内に引き込み続けることができる。
次に[WO2009075791の]図3を参照すると、延伸ロッド26がプリフォーム12内に延在して、機械的延伸を開始することができる。この時点で、液体商品Lを充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42内に引き込み続けることができる。図4を参照すると、延伸ロッド26がプリフォーム12を延伸し続けることで、プリフォーム12の側壁が薄くなる。充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42内の液体商品Lの体積は、得られる容器Cの形成と内容物の充填に適した適切な体積に達するまで増すことができる。この時点で、圧力源20の流入口46に配置された弁を閉じてもよい。
特に[WO2009075791の]図5を参照すると、次にピストン状の装置40が、充填用シリンダー、マニホールドまたはチャンバ42からプリフォーム12への液体商品Lの迅速な送出を開始するために、下方向に駆動し始めることができる(駆動相)。この場合も、ピストン状の装置40は、空気圧、機械的圧力および/または液圧などの任意の適切な手段で作動させることができる。一例では、プリフォーム12内の液圧は、約100PSIから600PSIに到達してもよい。液体商品Lは、プリフォーム12を金型キャビティ16の内面34に向かって膨張させる。残った空気については、延伸ロッド26内に画定された通路70を通して排気できる(図5)。図6に示されるように、ピストン状の装置40は、その駆動相を終了することで、新しく形成されたプラスチック容器Cに適切な体積の液体商品Lを完全に送出する。次に、残った空気を排気し続けている間に、延伸ロッド26を金型キャビティ16から後退させることができる。延伸ロッド26は、これが金型キャビティ16から後退する時に所定の体積の液体商品Lを移動させることで、得られるプラスチック容器C内における液体商品Lの所望の充填レベルを達成できるように設計可能である。通常、所望の充填レベルは、プラスチック容器Cの支持リング38のある水準またはその付近に相当する。
あるいは、成形サイクルの間に、[WO2009075791の]液体商品Lを、一定の圧力または異なる圧力で供給することができる。たとえば、プリフォーム12を軸方向に延伸している間に、プラスチック容器Cの最終形状を画定する金型キャビティ16の内面34と実質的に一致するようにプリフォーム12をブロー成形する際に印加される圧力より低い圧力で、液体商品Lを供給すればよい。この低い方の圧力Pは、周囲圧力と同じまたは周囲圧力より高いが、その後の高圧Pより低くてよい。プリフォーム12は、得られるプラスチック容器Cの最終的な長さに近い長さまで、金型キャビティ16内で軸方向に延伸される。プリフォーム12の延伸中または延伸直後に、プリフォーム12は、低い圧力Pで半径方向外側に全体的に膨張する。この低い圧力Pは、約100PSIから150PSIの間の範囲であると好ましい。その後、プリフォーム12が金型半体30、32の内面34に接触することで、得られるプラスチック容器Cが形成されるように、プリフォーム12が高い圧力P下でさらに膨張される。好ましくは、高い圧力Pは、約500PSIから600PSIの範囲であることが好ましい。以上の方法の結果、得られるプラスチック容器Cの基部と接触リングが、外周方向に十分に形成される。
任意に、得られるプラスチック容器Cの形成中に、複数のピストン状の装置を用いてもよい。たとえば、第1のピストン状の装置を用いて低い圧力Pを発生させて最初にプリフォーム12を膨張させ、第2のピストン状の装置を用いて以後の高い圧力Pを発生させ、プリフォーム12が金型半体30、32の内面34に接触することで、得られるプラスチック容器Cが形成されるように、プリフォーム12をさらに膨張させることができる。
[WO2009075791の]図7を参照すると、充填サイクルが終了した状態が示されている。金型半体30、32を分離して、ブローノズル22を後退させることができる。これにより、内容物が充填されたプラスチック容器Cは、蓋締め、ラベル貼り、包装などの成形後の工程に対する準備が整う。この時点で、ピストン状の装置40は、次の充填/形成サイクルに備えて圧力源20の流入口46を介して液体商品Lを引き込むことで、次のサイクルを開始してもよい。具体的には図示していないが、金型ステーション10に、さまざまな構成要素に信号を通信する制御装置を含んでよいことは、理解できよう。このようにして、金型キャビティ16、ブローノズル22、延伸ロッド26、ピストン状の装置40、さまざまな弁などであるがこれらに限定されるものではない構成要素が、制御装置によって通信される信号に従って動作できる。また、制御装置を使用し、所与の用途に従って、これらの構成要素に関連するさまざまなパラメータを調節できることも企図される。
次に、[WO2009075791の]本教示内容により実現されるいくつかの他の利点について、さらに検討する。
[WO2009075791の]1つの利点によると、所望の結果に到達する状態を保ったまま、処理パラメータのいくつかを低くすることができる。たとえば、結晶化率の要件を下げることができるので、プリフォームの調整の要件を減らすことができる。また、金型調整の要件を減らすことができ、金型キャビティ16の内面34で使用する油および/または他の表面処理材料の量を減らすことができる。
[WO2009075791の]一例によると、本明細書で説明する統合されたブロー成形・充填プロセスを使用して、炭酸飲料(すなわちソーダなど)の容器を形成することができる。このような例では、同時に行なわれるブロー成形と内容物充填のプロセスで、液体商品の一部として、あるいはそれに加えて、液体二酸化炭素の溶液を使用することができる。液体二酸化炭素は、気体状の二酸化炭素を含む液体商品でブロー成形する場合に、他の方法では生じ得る発泡を防止する。二酸化炭素は、所与の圧力および温度で液体の形態で存在することができる。
[WO2009075791の]ブロー成形プロセスと内容物充填プロセスの両方を組み合わせて1つの設備(金型ステーション10)にすると、取り扱い部品を削減することができ、よって、得られるプラスチック容器C1つあたりの資本コストの削減につながり得る。また、得られるプラスチック容器Cのブロー成形と内容物の充填を同時に行うプロセスで必要になる空間を、これらのプロセスが別々である場合に必要な空間よりも大幅に少なくできる。これは、インフラ費の削減にもつながり得る。
[WO2009075791の]2つのプロセスを統合して1つの工程にすると、ボトルの製造後でボトルに内容物を充填する前のボトルの取り扱いに伴う労務費および追加の費用(資本とコストの両方)を削減できる。
ブロー成形プロセスと内容物充填プロセスを統合して[WO2009075791の]1つのプロセスにすると、ボトルを輸送する必要がなくなる。ボトルの輸送は本質的に非効率的で費用がかかる。かたやプリフォームの輸送は、はるかに効率的である。一例では、500mlの水が入る空のボトルのトレーラ積載量は、ボトル数で約100,000本である。500mlの水が入るボトルを作るのに必要なプリフォームを積載した同じサイズのトレーラは、約1,000,000個のプリフォームを運搬することになるため、10:1の改善となる。
圧縮空気は、エネルギー伝達の非効率的な手段として知られている。最終製品を使用して容器をブロー成形する液圧を供給するのであれば、容積式ポンプと同等のものがあればよい。このため、これはエネルギーを伝達する上で、はるかに効率的な方法である。
[WO2009075791の]本明細書で説明する例示的な方法では、212°F(100℃)を超える炉にプリフォームを通した直後に、これに内容物を充填して蓋締めすることができる。このようにして、空の容器が汚染の可能性のある環境に曝される機会を大幅に低減する。結果として、無菌充填の費用と複雑さが大幅に低減される。
製品を高温充填するいくつかの例では、包装材は、充填時に曝される高温と製品の冷却によって生じる内部真空に対応するように設計しなければならない。このような状態に対応する設計によって、容器の重量が増す場合がある。液体/液圧ブロー成形では、高温充填プロセスをなくし、その結果、包装材の重量を減らせる可能性がある。
[WO2009075791の]本明細書で説明するプロセスは、当該プロセスの中間作業をなくすことができ、よって、倉庫および/または容器サイロおよび/またはフォークリフトおよび/または製品の損傷などに関連する費用を回避できる場合がある。また、仕掛品の在庫がないので、全体的な運転資本が削減されることもある。
ブロー成形と内容物の充填は時間的に近くなるよう統合されて行なわれるが、それでも(従来の形成方法とそれに続く充填方法のように)2つの別々のプロセスであるままなので、このようなシステムの全体的な効率は、2つの部分それぞれの効率の積になる。それぞれの効率は、ほぼ、機械で部品が動く回数によって決まる。2つのプロセスを統合して1つにすると、移動回数を最小限にすることで、全体としてのプロセス効率を高める機会を提供できる。
果菜汁飲料、茶、ビールなどを含む多くの飲料は、酸素に対する感受性が高く、包装時に保護する必要がある。多くのプラスチックは、包装された製品の消費期限のあいだ内容物を酸素から保護できるだけの十分なバリア性を持たない。容器にさらにバリア性を持たせて酸素の透過を遅らせることで、包装された内容物を保護するのに使用される複数の技術がある。最も一般的な技術の1つは、容器の壁に脱酸素剤を用いることである。このような脱酸素剤を直接プリフォームに成形してもよい。プリフォームの壁は比較的厚いため、脱酸素剤をブロー成形して容器にする前にこれが消費されることはない。しかしながら、ブロー成形されて容器になると、壁の表面積が大きくなり、厚さが小さくなる。したがって、酸素が活性脱除剤に接触して反応するのに移動すべき経路がはるかに短くなる。容器がブロー成形されるとすぐに、脱酸素剤が大幅に消費されはじめることがある。容器の形成と内容物の充填が同時に行われると、脱除剤がその製品の有効な消費期限のあいだを通して製品を保護し、容器が内容物の充填まで空のままである間に消費されることがない。
[WO2009075791の]本明細書で説明する方法は、生物汚染しやすいアイソトニック、果菜汁、茶などの商品の充填用途に特に有用であり得る。特に、上述したようにプリフォームを任意に滅菌することで、最終的な液体が滅菌媒体であることを必要とせずに、無菌プリフォームと、そこから得られる容器を作成することができる。これらの商品は一般に、制御された滅菌環境で充填される。商業的には、一般に、必要な滅菌環境を得るのに2つの方法が使用される。欧州では、これらのタイプの飲料を充填する1つの主な方法は、滅菌充填環境でのものである。この充填作業は、クリーンルームで実行される。充填前に、包装を含む製品の構成要素をすべて滅菌しなければならない。充填後、消費されるまで製品を密封でき、細菌が侵入する可能性が完全に防止される。このプロセスは、導入と操作に費用がかかる。また、細菌汚染物質が作業時の防御手段をくぐり抜け、製品を汚染する危険が常にある。
北米では、汚染物質に影響されやすい飲料を充填する1つの有力な方法は高温充填によるものである。このプロセスでは、存在する細菌がすべて殺菌される温度で、飲料を容器に導入する。容器は、製品が高温である間に密封できる。この技術の1つの欠点は、高温の充填温度と、製品が冷却されるときに容器内で生じる真空に耐えるために、通常は容器を重くする必要があることである。また、ブロー成形プロセスは、熱硬化ブロー成形ではないプロセスよりいくぶん複雑であり、したがって、より費用がかかる。本明細書で説明した本開示は、感受性の高い食品や飲料の充填の費用と複雑さを劇的に低減する機会を提供する。ブロー成形と内容物充填のプロセスを組み合わせることにより、あらゆる生物汚染物質を殺すのに必要な十分な時間、プリフォームを212°F(100℃)より高い温度まで加熱することができる。容器を形成する媒体として滅菌製品を使用した上で、すみやかに密封すれば、このプロセスによって、汚染の可能性が非常に小さく非常に安価な無菌充填プロセスになる。
[WO2009075791の]本明細書で説明するブロー成形と内容物の充填とを同時に行うプロセスは、超軽量容器の形成も容易にすることができる。上述したように、従来の高温充填容器では、容器は通常、真空圧に対応するために適切な肉厚を持つ必要がある。液体商品を入れる前にプリフォーム12を滅菌する(すなわち、図1のように蒸気Sをあてるなど)ことで、従来の高温充填容器よりも肉厚をはるかに薄くすることができる。超軽量容器では、液体自体が容器を構造的に支持することができる。したがって、超軽量容器の壁は極めて柔軟にすることができる。
この技術を適用可能な多くの他のボトル詰め製品がある。乳製品、アルコール飲料、サラダドレッシング、ソース、スプレッド、ケチャップ、シロップ、食用油などの飲食物は、このような方法を使用してボトル詰めすることができる。さらに、本明細書で使用する液体商品Lという用語は、家庭用洗浄剤、洗剤、練り歯磨きなどのパーソナルケア用品といった飲食物以外の商品を含んでもよい。これらの製品の多くは現在、ブロー成形したPET容器入りで販売されているが、押出成形プラスチック容器、ガラス瓶および/または缶入りもある。この技術は、包装材の製造と内容物充填の経済性を劇的に変化させる可能性を有する。
以上の説明の多くは、PET容器の生産に焦点を絞ったものとしたが、他のポリオレフィン材料(たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなど)のみならず、複数の他のプラスチックを、[WO2009075791において]検討した教示内容を用いて処理してもよいことも、企図される。
これらの開示にはいずれも、作業例が提供されておらず、このブロー成形/膨張技術を利用するのに必要なポリエステル樹脂の属性も論じられていない。したがって、従来技術において説明されている技術を改善する特別な特性を有するポリエステルに、需要がある。
本明細書では、キャビティまたは金型を用いて実施される膨張工程を利用して、開口を好ましくは首部の高さに有するプリフォームから、ポリエステル樹脂容器を成形するためのプロセスであって、前記膨張工程の間に、前記プリフォームの開口を介して非圧縮性の流体を射出して前記容器を形成するプロセスにおいて、改良されたポリエステル樹脂は、結晶化可能なポリエステルポリマーを含み、ポリエステルポリマーは、酸部分とグリコール部分とで構成され、酸部分の総モルの少なくとも85%が、テレフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導されたテレフタレートであり、グリコール部分の総モルの少なくとも85%がエチレングリコールから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせた総モルの少なくとも2%がプライマリーコモノマーから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせたモルパーセントが合計で100モル%であることを特徴とするプロセスに対する改良が開示される。
また、本明細書では、プリフォームを金型のキャビティ内に配置し、金型内に位置するプリフォームに圧縮可能な流体をブロー圧力下で導入することによって、金型のキャビティ内でプリフォームを膨張させ、プリフォームを周囲の金型キャビティの形状になるように延伸させることによって、プリフォームからポリエステル樹脂容器を成形するためのプロセスにおいて、
改良されたポリエステル樹脂は、
結晶化可能なポリエステルポリマーを含み、ポリエステルポリマーは、酸部分とグリコール部分とで構成され、酸部分の総モルの少なくとも85%が、テレフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導されたテレフタレートであり、グリコール部分の総モルの少なくとも85%がエチレングリコールから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせた総モルの少なくとも2%がプライマリーコモノマーから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせたモルパーセントが合計で100モル%であり、ブロー圧力は、基準プリフォームを同じ金型キャビティ内に延伸させるのに用いられるブロー圧力よりも10%低く、基準プリフォームは、基準ポリエステルから製造されていることを特徴とするプロセスに対する改良が開示される。
また、いずれかの改良されたプロセスのプライマリーコモノマーは、脂肪族二酸またはそのジメチルエステルからなる群から選択され、セバシン酸、アジピン酸、そのそれぞれのジメチルエステルからなる群から選択されるものであってもよいことも記載されている。
いずれかの改良されたプロセスのプライマリーコモノマーは、結晶化可能なポリエステルのすべての酸部分の1〜10モル%の範囲で存在してもよく、固有粘度が0.50〜0.95dl/gの範囲であってもよい。
さらに、いずれかの改良されたプロセスの結晶化可能なポリエステルは、溶融温度が235〜242℃の範囲であり、ガラス転移温度が60℃から73℃の範囲であることも開示されている。
図1は、金型ステーション内に通されて、任意の滅菌工程に供されて加熱されたプリフォームについてのWO2009075791号の図1に対応する従来技術の概略図であって、WO2009075791の教示内容に従って、ピストン状の装置を含む圧力源が上方向に移動を開始して圧力源に液体を引き入れている状態を示す図である。 図2は、図1に示すシステムについてのWO2009075791の図2に対応する従来技術の概略図であって、金型半体がプリフォームの周りで閉じて、液体が圧力源に蓄積され続けている状態を示す図である。 図3は、図2に示すシステムについてのWO2009075791の図3に対応する従来技術の概略図であって、延伸ロッドがプリフォームの中まで延在して機械的な延伸を開始し、流体が圧力源に蓄積され続けている状態を示す図である。 図4は、図4のシステムについてのWO2009075791号の図4に対応する従来技術の概略図であって、延伸ロッドがプリフォームを延伸し、流体が圧力源の中に完全に蓄積された状態を示す図である。 図5は、図5のシステムについてのWO2009075791号の図5に対応する従来技術の概略図であって、ピストン状の装置が液体を圧力源からプリフォームに押し込むことで、プリフォームを金型キャビティの壁に向かって膨張させている状態を示す図である。 図6は、図6のシステムについてのWO2009075791号の図6に対応する従来技術の概略図であって、ピストン状の装置が十分に作動することで、適切な体積の液体が新たに成形された容器へと完全に送出され、延伸ロッドが後退している状態を示す図である。 図7は、図7のシステムについてのWO2009075791号の図7に対応する従来技術の概略図であって、次のサイクルに備えて、金型半体が分離されてピストン状の装置が液体を圧力源内に引き込み始めた状態を示す図である。 図8は、米国特許出願第20050206045号の1枚の図に対応する、従来技術の概略図である。
本明細書では、ブロー成形用の流体が非圧縮性または液体である場合に、プリフォームのブロー成形プロセスでのポリエステルボトルの製造に用いられると特別な利点を有することが発見された、特別なクラスのポリエステルポリマーについて説明する。たとえば、米国特許第7141190号、米国特許出願第20050206045号およびWO2009/075791号に記載された周知の再加熱ブロー成形プロセスおよび射出ブロー成形プロセスおよび射出延伸ブロー成形プロセス。これらの文書については3つとも、プリフォームを膨張またはブロー成形してボトルの形状にするための液体を利用するさまざまなプロセスを教示する目的で、その内容全体を本明細書に援用する。
発見されているのは、その特別なクラスのポリエステルで、上述したプロセスの改善が認められる点である。
この特別なクラスのポリエステルは液体ブロー成形プロセスにおいて特別な利点を有するため、特別なポリエステルポリマーの有用性のある液体ブロー成形プロセスのさまざまな属性について、以下にて検討する。
また、これらの樹脂が、従来のボトルグレードのポリエステルではなく空気を用いてボトルをブロー成形するよりも必要な圧力がかなり低いことが好都合であることも、見いだされている。
この特別なクラスのポリエステルポリマーは結晶化可能である。結晶化可能という表現は、ポリエステルポリマーが、配向または熱誘導結晶化のいずれかによって半結晶質になり得ることを意味する。どのプラスチックも完全な結晶性ではなく、結晶性の形態は、より正確には半結晶質として説明されることは、周知である。半結晶質は従来技術において周知であり、結晶性の領域の鮮明なフィーチャーと非晶質領域の特徴である拡散されたフィーチャーとを有するX線パターンを呈するポリマーを説明することになっている。また、半結晶質は、純粋な結晶性の状態および非晶質状態とは区別すべきであることも、従来技術において周知である。
有用なポリエステルは、その酸部分の総モルの85%を超える分がテレフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導される結晶化可能なポリエステルであって、ここで、酸部分の総モルは100モル%である。もうひとつの有用なポリエステルは、その酸部分の総モルの90%を超える分がテレフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導され、ここで、酸部分の総モルは100モル%である。
また、結晶化可能なポリエステルは、プライマリーコモノマー含有量が、このプライマリーコモノマーから誘導される酸部分とグリコール部分との総モルの少なくとも2%になる。プライマリーコモノマーは、3つ以上の炭素原子を含有する非環状構造によって接続された官能基を有し、好ましくは、脂肪族二酸、脂肪族二価アルコール(dialcohol)またはそのジメチルエステルからなる群から選択される。飽和ダイマー酸(すなわち、米国New Castle DEに所在するCroda International,PLCから入手可能なPripol 1009F)、セバシン酸またはアジピン酸またはそのそれぞれのジメチルエステルが、好ましいプライマリーコモノマーである。
プライマリーグリコールコモノマーの例としては、ポリオキシエチレングリコール、ポリ(テトラメチレンエーテル)グリコール、ポリプロピレングリコール;1,6ヘキサンジオール、長鎖ダイマージオール(すなわち、米国New Castle DEに所在するCroda International,PLCから入手可能なPripol 2033)があげられる。プライマリーコモノマーの酸またはグリコール部分は、二酸、二価アルコールまたはそれぞれのジメチルエステルの混合物であってもよい。
また、プライマリーコモノマーは、イソプロピレングリコールなど、分枝されていてもよい。
テレフタル酸から誘導される部分とエチレングリコールから誘導される部分とのコモノマーは、合わせて、酸部分の総モルとグリコール部分の総モルとを合わせたものに対して90〜99モルパーセントの範囲で存在すべきであり、酸部分とグリコール部分との合計の99〜96モルパーセントが最も好ましい。
ポリエステルポリマーは、イソフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導されるイソフタレートなど、他の酸およびグリコールコモノマー部分を含有してもよい。いずれの場合も、酸部分の総モル数は、酸部分のモルの100%モル%であり、グリコール部分の総モル数は、グリコール部分のモルの100%である。
エチレングリコールは、グリコールコモノマーであり、ポリマーのグリコールから誘導される部分の総モルの少なくとも85%(モル%)で存在すべきである。
ポリエステルポリマーは、従来技術において周知の従来の酸またはエステル溶融重合プロセスおよび触媒を用いて製造可能である。溶融プロセスの後、固相重合を行ってもよい。いずれにしろ、ポリマーの固有粘度は0.95dl/g未満かつ0.50dl/gを超えるものとすべきであり、0.55を超えると一層好ましく、0.60dl/gを超えるとなお一層好ましい。前の文は、上限と下限を設定するとともに、0.50から0.95dl/g、0.55から0.95dl/g、0.60から0.95dl/gという可能な範囲を規定することを意図している。
このポリエステルポリマーは、DSCによって10℃/分で決定されるその溶融温度をさらに特徴とするものであってもよい。第2の加熱のTm(溶融温度)は、235〜242℃の範囲にすべきであり、236〜241℃が一層好ましく、237〜240℃が最も好ましい。
このポリエステルポリマーは、第2の加熱時にDSCによって10℃/分で測定されるそのガラス転移温度をさらに特徴とするものであってもよい。ガラス転移温度すなわちTgは、好ましくは、60〜73℃の範囲にすべきであり、62〜72℃が一層好ましく、63〜71℃が最も好ましい。
プライマリーコモノマーおよび他のモノマーは、ポリエステルポリマーを上記にて指定した特徴範囲内に維持するように選択すべきである。
ポリエステルポリマーは、延伸のためのエネルギー量がかなり少なく、ポリマーを成形して形を持たせるために、かなり少ないエネルギーですむことを意味する。一例が、結晶化可能なポリエステルポリマーを射出成形したプリフォームからのボトルの成形である。
溶融重合に続いて固相重合を行って、2種類のポリエステルポリマー調製物2バッチを生成した。これらのポリマーは、以下の組成を有していた。
ポリエステルポリマー1の配合成分は、酸部分の総モル100モル%に対して、93モル%のテレフタル酸、2モル%のイソフタル酸、5モル%のアジピン酸あるいは、酸部分およびグリコール部分の総モルの1モル%および2.5モル%であった。エチレングリコール以外のグリコールは添加しなかった。最終製品の酸部分とグリコール部分のモルを分析したところ、酸部分の総モル100モル%およびエチレングリコール97.3モル%およびジエチレングリコール2.7モル%に対して、テレフタル酸から誘導されるテレフタレート部分が93モル%、イソフタル酸から誘導されるイソフタレート部分が2モル%、アジピン酸から誘導されるアジペート部分が5モル%であった。当業者は、ジエチレングリコールが副生物反応であり、in situで形成されることを知っている。
ポリエステルポリマー2の配合成分は、酸部分の総モル100モル%に対して、93モル%のテレフタル酸、2モル%のイソフタル酸、5モル%のセバシン酸であった。エチレングリコール以外のグリコールは添加しなかった。最終製品の酸部分とグリコール部分のモルを分析したところ、酸部分の総モル100モル%およびエチレングリコール部分97.3モル%およびジエチレングリコール部分2.7モル%に対して、テレフタル酸から誘導されるテレフタレート部分が93モル%、イソフタル酸から誘導されるイソフタレート部分が2モル%、セバシン酸から誘導されるセバケート部分が5モル%であった。当業者は、ジエチレングリコールが副生物反応であり、in situで形成されることを知っている。
ポリマー1およびポリマー2は、以下のように特徴付けられた。
Figure 2016530131
本明細書に援用した従来技術のプロセスに説明されているように、これらのポリマーをプリフォームの射出成形に使用して、プリフォームを金型のキャビティに配置し、金型内に位置するプリフォームに液体などの非圧縮性の流体を圧力下で導入することによって金型のキャビティ内でプリフォームを膨張させ、プリフォームを周囲の金型キャビティの形状になるように延伸させた。この液体は、ブロー成形後の容器から取り除いてもよいし、そのままにしておいてもよい。後者の場合は後に、容器内に残っている非圧縮性の流体と一緒に容器が密封される。非圧縮性の流体が容器内に残る場合、このプロセスは、同時ブロー成形/充填と呼ばれる。ブロー成形そのものが、容器内に入れられる内容物で容器を実際に満たすことになるためである。
標準的な基準ポリエステル樹脂を用いた比較例は、結晶性のボトルを製造できず、不合格となった。
また、これらの樹脂を、圧縮空気でもブロー成形し、圧縮空気の圧力が、約2%のIPAで変性させた0.82dl/gのIVポリエチレンテレフタレート樹脂の基準ポリエステル対照樹脂を用いて同じプリフォーム幾何学形状の基準プリフォームから同じ形状の基準ボトルをブロー成形するのに用いた量の少なくとも10%低いことが見いだされた。(すなわち、基準ポリエステル樹脂は、その酸の98モル%がテレフタレート部分であり、その酸の2モル%がイソフタレート単位であって、酸のモル数は合計で100%である。100モル%のエチレングリコールから製造したが、実際の基準ポリエステルは、約97.5モル%のエチレングリコール部分と、プロセスの一部としてin situで生成される2.5モル%のジエチレングリセロール部分とを含むことになり、グリコール部分のモル数が合計100モル%になる。
よって、プリフォームを金型のキャビティ内に配置し、金型内に位置するプリフォームに圧縮可能な流体をブロー圧力下で導入することによって、金型のキャビティ内でプリフォームを膨張させ、プリフォームを周囲の金型キャビティの形状になるように延伸させることによって、上記の樹脂を用いて作られたプリフォームからボトルを成形するためのプロセスであって、ブロー圧力は、基準プリフォームを同じ金型キャビティ内に延伸させるのに用いられるブロー圧力よりも10%低く、基準プリフォームは、基準ポリエステルから製造されている、プロセスがある。基準プリフォームは、基準プリフォームが約2%のIPAで変性された0.82dl/g IVである基準ポリエステルから作られていること以外は、特別なポリエステルから作られたプリフォームと同じ幾何学形状のプリフォームである。
試験方法
固有粘度
0.1グラムのポリマーまたは粉砕ペレットを、25mlの60/40フェノール/テトラクロロエタン溶液に溶解させ、Ubbelohde IB粘度計を用いて30℃±0.05での同じ温度の溶媒に対する溶液の粘度を決定することで、60/40フェノール/テトラクロロエタンに可溶な中程度の分子量で低結晶性のポリ(エチレンテレフタレート)および関連のポリマーの固有粘度を、決定することができる。固有粘度は、Billmeyerの式を用いて相対粘度をもとに算出される。
0.1グラムのポリマーまたは粉砕ペレットを、25mlの50/50トリフルオロ酢酸/ジクロロメタンに溶解させ、Type OC Ubbelohde粘度計を用いて30℃±0.05での同じ温度の溶媒に対する溶液の粘度を決定することで、フェノール/テトラクロロエタンに溶解しない高分子量または高結晶性ポリ(エチレンテレフタレート)および関連のポリマーの固有粘度を決定した。固有粘度は、Billmeyerの式を用いて算出され、60/40フェノール/テトラクロロエタン溶媒を用いた場合の結果と一貫する結果を得るために線形回帰を用いて変換される。線形回帰は、
60/40フェノール/テトラクロロエタン中のIV=50/50トリフルオロ酢酸/ジクロロメタン中の0.8229×IV+0.0124
Hunter L*、a*、B*
色の測定
非晶質樹脂で測定を行った。HunterLab ColorQUEST Sphere Spectrophotometer System、分類された検体ホルダー、緑、灰色、白の校正線、ライトトラップを用いた。HunterLab Spectrocolorimeter積分球センサーは、色と見た目の測定機器である。ランプからの光は積分球によって拡散され、レンズに対する物体を通過(透過率)するか、あるいは物体で反射(反射率)する。レンズは光を集め、これを回折格子に送る。回折格子は、これを成分波長に散乱させる。散乱した光は、シリコンダイオードアレイで反射する。ダイオードからの信号は増幅器を通過してコンバーターに至り、データを得るべく操作される。ソフトウェアによって、スペクトルデータが提供される。

Claims (14)

  1. キャビティまたは金型を用いて実施される膨張工程を利用して、開口を好ましくは首部の高さに有するプリフォームから、ポリエステル樹脂容器を成形するためのプロセスであって、前記膨張工程の間に、前記プリフォームの開口を介して非圧縮性の流体を射出して前記容器を形成するプロセスにおいて、
    改良されたポリエステル樹脂は、
    結晶化可能なポリエステルポリマーを含み、前記ポリエステルポリマーは、酸部分とグリコール部分とで構成され、酸部分の総モルの少なくとも85%が、テレフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導されたテレフタレートであり、グリコール部分の総モルの少なくとも85%がエチレングリコールから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせた総モルの少なくとも2%がプライマリーコモノマーから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせたモルパーセントが合計で100モル%であることを特徴とする、プロセス。
  2. 前記プライマリーコモノマーは、脂肪族二酸またはそのジメチルエステルからなる群から選択される、請求項1に記載のプロセス。
  3. 前記プライマリーコモノマーは、セバシン酸、アジピン酸、そのそれぞれのジメチルエステルからなる群から選択される、請求項1または2のいずれか1項に記載のプロセス。
  4. 前記プライマリーコモノマーは、前記結晶化可能なポリエステルの前記すべての酸部分の1〜10モル%の範囲で存在する、請求項1から3のいずれか1項に記載のプロセス。
  5. 前記結晶化可能なポリエステルは、固有粘度が0.50〜0.95dl/gの範囲である、請求項1から4のいずれか1項に記載のプロセス。
  6. 前記結晶化可能なポリエステルは、溶融温度が235〜242℃の範囲である、請求項1から5のいずれか1項に記載のプロセス。
  7. 前記結晶化可能なポリエステルは、ガラス転移温度が60℃から73℃の範囲である、請求項1から6のいずれか1項に記載のプロセス。
  8. プリフォームを金型のキャビティ内に配置し、前記金型内に位置する前記プリフォームに圧縮可能な流体をブロー圧力下で導入することによって、前記金型の前記キャビティ内で前記プリフォームを膨張させ、前記プリフォームを周囲の金型キャビティの形状になるように延伸させることによって、前記プリフォームからポリエステル樹脂容器を成形するためのプロセスにおいて、
    改良されたポリエステル樹脂は、
    結晶化可能なポリエステルポリマーを含み、前記ポリエステルポリマーは、酸部分とグリコール部分とで構成され、酸部分の総モルの少なくとも85%が、テレフタル酸またはそのジメチルエステルから誘導されたテレフタレートであり、グリコール部分の総モルの少なくとも85%がエチレングリコールから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせた総モルの少なくとも2%がプライマリーコモノマーから誘導され、酸部分とグリコール部分とを合わせたモルパーセントが合計で100モル%であり、
    前記ブロー圧力は、基準プリフォームを同じ金型キャビティ内に延伸させるのに用いられる前記ブロー圧力よりも10%低く、前記基準プリフォームは、基準ポリエステルから製造されていることを特徴とする、プロセス。
  9. 前記プライマリーコモノマーは、脂肪族二酸またはそのジメチルエステルからなる群から選択される、請求項8に記載のプロセス。
  10. 前記プライマリーコモノマーは、セバシン酸、アジピン酸、そのそれぞれのジメチルエステルからなる群から選択される、請求項8または9のいずれか1項に記載のプロセス。
  11. 前記プライマリーコモノマーは、前記結晶化可能なポリエステルのすべての酸部分の1〜10モル%の範囲で存在する、請求項8から10のいずれか1項に記載のプロセス。
  12. 前記結晶化可能なポリエステルは、固有粘度が0.50〜0.95dl/gの範囲である、請求項8から11のいずれか1項に記載のプロセス。
  13. 前記結晶化可能なポリエステルは、溶融温度が235℃から242℃の範囲である、請求項8から12のいずれか1項に記載のプロセス。
  14. 前記結晶化可能なポリエステルは、ガラス転移温度が60℃から73℃の範囲である、請求項8から13のいずれか1項に記載のプロセス。
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