JP3953521B2 - 熱可塑性樹脂製パリソンを製造する方法及び製造設備の改良 - Google Patents

Description

この発明は、高温の液体、あるいは炭酸飽和された液体、すなわちＣＯ₂ガス（二酸化炭素）を含む液体、若しくは炭酸飽和された高温の液体を充填するための熱可塑性樹脂製容器、特にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリプロピレン（ＰＰ）製容器を工業的スケールで製造する方法及び製造設備に関する。
そのような容器を製造する技術および装置を包含する産業分野においては、製造方法および製造設備に関して多くの開発や改良が行われてきた。例えば、上述したような容器を、信頼できて、コストに見合うとともに、応用に富む方法で、また、品質レベルを高めつつ、且つ競争力を有する大規模生産で製造することができるようにしてきた。
一般にそのような製造方法は、大きく二つのタイプに、すなわち、１ステージ方式と、２ステージ方式とに分類することができる。本発明は、前記両方式による製造方法、及びそれぞれの方式を用いた製造設備により製造されるパリソンに関する。
１ステージ方式の製造方法では、いわゆるプリフォーム、またはパリソンを成形し、（適当な温度まで冷却させた後に、）前記パリソンを射出成形型あるいは押出ダイから調整ステーションへ搬送することができる。パリソンは、この調整ステーションで好ましい分子配向が得られる温度に均一に保たれる。その後、このプリフォームまたはパリソンは、ブロー成形型へ搬送され、そこで最終的に所望の形状に成形される。
１ステージ方式の製造方法に固有の問題は、パリソンが射出成形型または押出ダイから搬送される際に、パリソンの肉厚の断面部に不均一な熱分布が発生することである。そこで、関連するサイクルタイムを最適化するために、パリソンを射出成形型から取り出す際の時間および温度に関して、多くの製造方法が特許されてきた。
２ステージ方式の製造方法では、ブロー成形されるボトルは、互いに相当間隔をおいた二つの独立した工程で製造される。製造工程全体が互いに空間的にも時間的にも相当離れて実施されること自体が、実質的にこの方式の特徴ともいえる。つまり、この方式を用いた場合、技術性、生産性、および市場性などの観点から、柔軟な対処ができるというメリットがある。
個々のパリソンは、上記製造方法の第一の工程で成形される。通常、このパリソンは、元の場所に保存されるか、あるいは最終ユーザまたは加工業者のもとへ輸送されるかの経路をたどる。
上記製造方法の第二の工程において、パリソンは所望の温度に再調整される。そして、その直後にブロー成形されて所望の最終製品、すなわちボトルが形成されるのである。
上述したような柔軟性の大きさのほかにも、２ステージ方式を実施することによりかなりのスケール−メリットが期待できる。つまり、同一の製造業者が、同一かつ単一の製造設備において、様々なタイプのボトルを製造する基となるパリソンを成形することができるからである。
しかし、この２ステージ方式にも特有の大きな欠点がある。第二の工程において、パリソンを十分に再調整、すなわち、ブロー成形することのできる適温に再加熱する必要が生じるため、相当量のエネルギーを消費することである。
上記１ステージ方式および２ステージ方式による中空プラスチックボトルの製造方法および製造設備では、熱可塑性樹脂の流動物、特にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を連続的に押し出して、複数の型に流し込むことでパリソンを製造する。しかし、実際には、パリソンの成形工程を、後続のブロー成形の方法や、製造されたボトルの使用方法と切り離して考えることはできない。また、パリソンの配向度および製造設備の生産性あるいは生産能力といった因子も考慮に入れなければならない。
パリソンは、射出工程である程度配向されるので、実際に配向度および配向の種類を制御するのはかなり困難である。そこで、最も好ましい条件の温度分布の下で射出工程を実施する。
パリソンの配向度は、配向が決定づけられる直前の温度に依存するといわれる。また、温度制御された環境のなかにパリソンを一定時間放置して、前記配向直前の温度を制御する、いわゆる「調整処理」（conditioning treatment）という方法も当業者によく知られている。したがって、この方法については、ここではこれ以上説明しない。
パリソンは、射出成形型から取り出される時点で、ある程度冷却されているが、その温度は、引き続き実施されるストレッチブロー成形の工程に適したものでなければならない。
そこで、パリソンを所望の強度に到達させるために、これを冷却しなければならない。そして、１ステージ方式においては、パリソンの冷却時間は、パリソンを型から取り出すのに問題が生じない範囲内で最短に設定される。
一般にパリソン成形工程は、次の四つの工程を含むことが知られている。また、その実施順序は以下の通りである。
１）機械射出成形型締めステップ
２）樹脂注入ステップ
３）加圧後保持ステップ
４）冷却ステップ
上記のうち、はじめの三つのステップは、成形部材を成形するにあたり、正確かつ厳密に時間およびその他の動作パラメータを決める必要があるという点で、変動し得ないものである。一方、冷却ステップは、実際に射出成形型から取り出されるパリソンの温度を決定する。
いうまでもなく、冷却時間が長くなれば、型から取り出されるパリソンの温度は、それだけ低く抑えられる。逆に、冷却時間が短すぎると、パリソンの温度は高いままで、射出成形型から取り出すときに問題が発生する可能性がある。
調整工程、ブロー成形工程およびそれに伴う部材の搬送時間等、最終製品を得るために実施しなければならない製造工程に要する時間の中で、一般にこの冷却時間が最も長くかかるといわれる。
様々な製造工程は、同一のサイクルタイム（Ｔ_C）に同期しなければならず、このサイクルタイムは、最も長くかかる工程の作動時間に応じて決定されるので、成形工程がその最短時間を事実上決定することになる。そして、その最短サイクルタイムは、上述した技術的な理由から、それ以上短縮することはできない。
パリソンが射出成形型の中に滞留する時間をできる限りかつ所望の長さに短縮することにより、その成形型を空にし、次の成形工程で使用することができるので、それに対応して成形工程にかかる時間は短縮される。したがって、上述したように、サイクルタイムが短縮されるとともに、製造設備全体の生産性が向上する。
また、ボトルの基本重量を軽減させるという最近の開発の結果、延伸比は増大することになった。そのため、パリソンの肉厚は、少量ないし中程度の炭酸を含む飲料を充填する容器に使用する場合、約１０ないし約１５％、また、炭酸を大量に含む飲料を充填する容器の場合、約１５ないし約２０％程度増加した。
これは、特に高濃度のＣＯ₂を含む液体用のボトルを生産する場合に、マシンサイクルを増大させるに至ったが、その影響は、本願出願人が出願したイタリア特許出願第ＰＮ９５Ａ００００４８号による調整ステーションの開発によって緩和された。
１ステージ方式の装置のサイクルタイムは、成形工程の最終段階までにパリソンが特定の温度プロフィールに達するのに必要な時間に支配されるので、主にパリソンの肉厚に依存することになる。サイクルタイムは次の式から概算される。
サイクルタイム＝１２×（パリソンの肉厚（ｍｍ）／３．４２９）²＋３
式中、３は射出成形型の機械操作時間であり、単位は秒である。
例えば、平均的な２リットルのボトルにおいて、液体を低炭酸のものから高炭酸のものに変えた場合、パリソンの肉厚は３．９ｍｍから４．６ｍｍに増加する。
上記の例において、平均肉厚が３．９ｍｍおよび４．６ｍｍである二つのパリソンのサイクルタイムは、同一の延伸比の場合、それぞれ以下の通りである。
サイクルタイム（３．９）＝１２×（３．９／３．４２９）²＋３＝１８．５秒
ボトルの重量は５２ｇである。
サイクルタイム（４．６）＝１２×（４．６／３．４２９）²＋３＝２４．６秒
ボトルの重量は４５．５ｇである。
したがって、サイクルタイムは約３３％延長されたことになる。しかし、重量を１５％軽減し、また延伸比を１０から１５に増加させることで、４．６ｍｍのパリソンのサイクルタイムは２４．６秒から約２０秒に、つまり約５秒間短縮される。
いずれにしても、延伸比を上記のように釣り合わせたにもかかわらず（実際、そのように釣り合いをとることによって、１ステージ方式の方が２ステージ方式よりも有利であることが示されるのだが、）従来の重量および延伸比の場合に要する時間と比較して、やはりマシンサイクルは、１０％以上延長されてしまう。
そこで、従来の重量および延伸比を維持しながらマシンサイクルの時間を短縮させる必要が生じてくる。
装置の生産性を向上させるために、Ｅｍｅｒｙ Ｖａｌｙｉ氏が米国特許第４，３８２，９０５号により提案した解決策がある。それは、パリソンの内面温度がその樹脂の結晶化速度が最も大きくなる温度よりも低くなった時点でパリソンを取り出す、というものである。そして、温度分布パターンが均一にならない内に、配向に好適な平均温度に達していない段階でパリソンを型から取りだした後、速やかに射出成形型と調整型との間に設けられた保持型へパリソンを搬送することで、配向に適した平均温度に達するまで、パリソンのエンタルピーを放出させ続ける。上記特許明細書中、保持型の保持温度は、パリソンの内面温度よりも実質的に低い温度に維持されている。
しかし、Ｖａｌｙｉ氏による上記特許には、いくつかの明らかな欠点がある。それらを以下に列記する。
−射出成形型は、急速に冷却される。しかし、そのために、成形される樹脂は、非常に望ましくない、均一にはほど遠い状態で硬化されることになる。そして、可能な限り均一な条件下に置かれるべきパリソンは、基本的に均一性を欠いて成形されてしまう。また、射出成形型を急速に冷却させること自体、困難であることは言うまでもない。
−保持型は、熱調整も、温度制御もされないので、作動中、それらの温度は不規則に変動することがある。そして、パリソンの配向度および延伸性は、その温度に相当依存するので、製造工程全体は制御不可能な状態となる。
そのような欠点は、構造上の性質に関わるだけでなく、製造工程にも関係するので、上記に引用したような方法および製造設備の実用化を、実際的に現時点まで妨げてきた。
追加した第８Ａページを参照。
そこで、本発明の主な目的を以下に示す。
ａ）熱的に安定な熱可塑性樹脂からなるパリソンを１ステージ方式または２ステージ方式で製造する方法を提供する。ここで、樹脂を注入し、所望の硬化温度まで冷却する工程の後半部分を、パリソンを適当な冷却カップへ搬送することで実現する。この冷却カップは、パリソンの外面をカップの内壁と接触させることでパリソンを所望の温度にまで冷却するものである。その間、パリソンの内部空間は加圧され、それによりパリソンが外方へ変形することで、所望の圧力下で、カップと確実に接触させかつ所望の時間保持される。
ｂ）上述したような方法を実施する１ステージ方式または２ステージ方式の製造設備を提供する。
本発明の上記目的およびこれ以外の目的は、以下の詳細な説明を読み、理解することにより、当業者にとって容易にかつ明確に分かるものである。
本発明のその他の実施例は、従属クレームに規定されている。
限定を意図しない本発明の実施例を、添付の図面及び表を参照して以下に詳細に示す。
−図１は、本発明にかかるパリソンおよびボトルを成形するステーションおよび工程の配置を概略的に示した図である。
プラスチック容器の製造方法にあっては、特開平５−１８５４９３号公報および特開昭５７−１０３８２１号公報により、プリフォームを射出成形型から取り出した後に、「温調ポット５０」または「温度調整ポット２」と呼ばれる適当なキャビティに収容し冷却することが知られている。
しかし、その設置位置の直後にブロー成形型が設けられていることから、このキャビティ（ポット）は、基本的に温度調整ステーションとして機能することを特に目的としていることが分かる。
すなわち、射出成形工程に最も時間がかかることは周知であるから、前記ポットは、射出成形にかかる時間、ひいてはサイクルタイムの短縮について、何ら重要な効果を奏するものではない。実際のところ、前記ポットは、プリフォームの冷却機能と、温度調整機能とを同じ一つの装置（ポット）にまとめたものであって、周知のように、これらの機能の内のごく一部がオーバーラップしているに過ぎない。
したがって、射出成形時間全体がサイクルタイムの長さを決定しているのであって、各射出成形型からプリフォームを取出し、適当な冷却および温度調節ポットに移すことにより射出成形工程の一部（冷却工程）を実施しても、射出成形時間全体は短縮されるものでない。
−図２は、本発明にかかるパリソンを収容するカップの断面図である。
−表Ａは、製造工程中、様々な工程あるいはステージにおいて、パリソンが次々に位置する異なった地点で、選択したサイクルタイムの関数としてその表面温度を検知して示した表である。
−図３は、選択したサイクルタイムにおけるパリソンの外面温度を表す曲線を示した線図である。この曲線は、表Ａに示した数値をグラフ化したものである。
−図４は、射出成形型から取り出されたパリソンを異なる温度下に置くための様々な成形工程におけるパリソンの外面温度を表す曲線を、選択したサイクルタイム毎に示した線図である。
本発明にかかる１ステージ方式のステーションは、図１に示すように、ステーションＡと、調整ステーションＣと、ブロー成形ステーションＤと、本発明によってカバーされる主題である冷却ステーションＨとを含む。ステーションＡにおいて、パリソンは押し出され、適当な多数個取型Ｂ中で射出成形される。調整ステーションＣは、加熱ステーションＣ１と、温度安定化ステーションＣ２とを含む。追加された冷却ステーションＨは、射出成形ステーションＡと調整ステーションＣとの間に連結される。
冷却ステーションＨは、パリソン２が一時的に投入される冷却カップ１を複数備える。このカップ１の内壁３は、収容されるほとんどのパリソンの外面に適合するように形成される。パリソンのネック部４は、カップの外に出されたままなので、冷却されることはない。
そのようなステーションは、さらに開閉装置５を備える。開閉装置５は、パリソンの開口部６に取り付けられ、圧力作動されることで、よりスピーディーな開閉を可能にする。
開閉装置は、加圧気体をパリソンの内部空間に吹き込む通気孔７をそれぞれ内蔵しており、気体は所望の時間、一般にほんの数秒程度、内部空間内に保持される。
装置の動作は次のようになる。まず、パリソン２は、射出成形型から取り出されたすぐ後に、図に示すように、冷却カップ１に投入され静置される。その直後に、開閉装置５が降ろされてパリソンの開口部６に装着され、加圧気体が通気孔７から内部に吹き込まれる。この加圧気体は、加圧空気であってもよい。
内部ガスの圧力を２ないし４バールの範囲内の適当な値に設定することによって、最良の結果を得ることができる。この加圧気体の作用と、まだ完全に硬化していないパリソンの延伸性とを利用して、パリソンの外面とカップの内壁３とが互いに密着する程度に、パリソンの円筒状の壁を膨張させる。カップ自体は冷却されているので、射出成形されたばかりで比較的高い温度のパリソンの外面を熱伝導により急速に冷却させることができる。したがって、パリソンがそれぞれの射出成形型から取り出されるまでに、パリソンを急速に冷却させる工程を実施し、終了させることができるので、直ちに新たなパリソンを成形することができ、つまり、次のサイクルを実施することができるのである。
上述したパリソンの開口部を開閉する手段や、加圧気体を吹き込む手段のみならず、製造工程中でパリソンを操作する手段は、当業者にはよく知られているので、これ以上実施例をあげて説明する必要はないであろう。
より好適かつ有効にカップの温度を制御し、そして何よりも、カップの過剰な加熱を防ぐために、好ましくは、カップを何らかの形で強制的に冷却するのがよいであろう。そこで、中実構造のカップに複数の冷却用流路１０を形成するのが望ましい。そして、予め設定した温度に制御可能な適当な媒体、例えば単純には水が、この冷却用流路内を流れるようにしたので、それぞれのカップの内壁３の温度が各パリソンに所定の温度降下を起こさせるのに要する値に達することが可能になっている。
本発明の結果をいくつかの手法で確かめることができる。一つの手法は、図３に示すようなもので、同一の試験用パリソンを使用して４つのサイクルタイムそれぞれに対する４組のパラメータ（外側表面温度、時間、％）を縦軸にとる。この４組のデータは、それぞれ表Ａの２行目以降の４つの縦列データを表したものである。この結果は、ＡＫＺＯ Ｄ０４ ３００という材料を用いて、重量３４ｇ、平均肉厚４．６ｍｍとして筒状に成形された一般的なパリソンを使用して得られたもので、棒グラフとして表した。
測定の結果と、これをもとに作成された線図とから、従来の条件下では、図中、点“Ｐ”として表わしたブロー成形の最適温度１１４℃に１９．５秒のサイクルタイムで到達したことが分かる。しかし、本発明の教示するところより、パリソンを外部から約１２秒間冷却することで、わずか１５秒のサイクルタイムで点“Ｑ”（１１６℃）に到達することができた。
したがって、サーマルカメラによる温度測定が正確であるとするならば、サイクルタイムは、従来の工程における約２０秒から、本発明による約１５秒に、つまり、計算上２５％まで短縮されたことになる。
次に、パリソンの熱的挙動に対する本発明の効果を図４に示した。図中、４つの実曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、様々な製造工程におけるパリソンの表面温度の変化を、射出成形型より取り出されたときの異なる４つのパリソンの温度、すなわち、１１８℃、１２４℃、１３３℃、１３６℃について表したものである。
一方、破線で示された曲線Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１は、パリソンが本発明により強制的に冷却された場合の温度変化を対応させて表したものである。
最終工程のブロー成形型に取り込まれる際、パリソンの最適温度は、１１５℃付近であるとされる。線図の実曲線を見ると、射出成形型から取り出された時点での温度が高くなれば、パリソンの最終温度は、それと比例して最適温度である１１５℃から離れた値をとる。
本発明によってパリソンを強制的かつ急速に冷却することで、パリソンの温度は、線図の破線曲線で示したように、従来の方法に従った場合と比べて相当急速に低下する。したがって、パリソンを射出成形型からかなり高温で、例えば例示したように１３６℃で取り出したとしても、引き続いて急速かつ強制的に冷却されるので、最終的にパリソンの温度は、理想的な１１６℃に低下される。これは、ブロー成形工程に最適の１１４℃に非常に近い値である。
また、パリソンを射出成形型から高温で取り出すことで、パリソンの一つの型の中での滞在時間を短縮することができる。またそれにより、製造のサイクルタイムを短縮することができるので、結果的に製造設備全体の生産性を向上させることができる。

Claims (3)

1. プラスチック材料製中空体に連続的にブロー成形されるようにした、配向された熱可塑性樹脂製パリソン（２）を、１ステージ方式または２ステージ方式で製造する方法であって、
   −溶融樹脂を複数の多数個取射出成形型（Ｂ）に注入する工程と、
   −前記多数個取射出成形型の各々のキャビティで形成されたパリソンの内面温度が、使用されている特定の熱可塑性樹脂の結晶化速度が最も大きくなる温度よりも低くなるまで、それぞれの前記パリソン（２）を硬化させる工程と、
   −前記パリソン（２）を前記多数個取射出成形型から取り出して、配向に適した平均温度に達する前に、冷却カップ（１）に搬送する工程と、
   −前記パリソン（２）をそれぞれの前記カップ（１）に挿入した後に、前記パリソンの開口部（６）を閉止し、前記パリソンの内部空間に加圧気体を吹き込んでその加圧気体を前記内部空間内に保持することにより、予め設定した時間の間、前記パリソンの外面をそれぞれの前記カップの内壁（３）に密接させて、前記各冷却カップ内のパリソンを冷却する工程と
   を備え、
   前記冷却カップ（１）は、そのカップの中実な部分に設けられた流路を流れる媒体によって冷却されており、
   前記カップ内でのパリソン（２）の滞在時間は、マシンサイクルタイムから、前記パリソンをそれぞれの前記多数個取射出成形型から取り出す時間と前記パリソンを前記多数個取射出成形型から前記冷却カップへそれぞれ搬送するのに必要な時間との和を減算した時間に等しい
   ことを特徴とする方法。
2. 加圧気体は、２ないし４バールの間で一定の圧力を保ちつつ、前記パリソンの内部空間内に封入されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. プラスチック材料製中空体に連続的にブロー成形されるようになっている、配向された熱可塑性樹脂パリソンを製造する生産設備であって、
   −溶融樹脂を注入し、複数のパリソン（２）を次々に硬化成形するための複数の多数個取射出成形型（Ｂ）と、
   −前記多数個取射出成形型（Ｂ）から取り出された前記パリソンを収容する複数の冷却カップ（１）と、
   −前記パリソン（２）を前記多数個取射出成形型から前記冷却カップへ搬送するための搬送手段と、
   −前記冷却カップ内にそれぞれのパリソンが配置された状態で、それぞれの前記パリソン（２）の内部空間内に加圧気体を吹き込んで、その加圧気体を前記内部空間内に保持する装置と
   を備え、
   前記冷却カップは、前記多数個取射出成形型（Ｂ）を備えた射出ステーション（Ａ）と、調整ステーション（Ｃ）との間に設置された冷却ステーション（Ｈ）に設けられている
   ことを特徴とする生産設備。

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