JP6456388B2 - プラスチック材料製の容器のためのプリフォーム - Google Patents

Description

本発明は、例えばブロー成形によって飲料用の小型の容器を作製するために用いられる、ＰＥＴなどのプラスチック材料製または他の適切な材料製のプリフォームに関する。

費用対効果のため、ＰＥＴ容器製造者が従う方針とは、主に使い捨てであるという、容器そのものの技術的特徴を維持しながら、同時に、重量、したがって、使用する樹脂の量をできるだけ減らすことである。そうするために、必然的にますます軽いプリフォーム（中間の半完成品）が作製され、その重量はブロー成形された最終容器の重量に相当するはずである。

飲料市場の大半を占める小型の容器、すなわち、例えば、容量１リットル未満のボトル、特に、容量２５から１００ｃｌ、つまり０．２５から１リットル（Ｌ）の、小さいサイズのボトルの性能には、設計者らによって特に注意が払われる。具体的には、空の完成容器の最終重量が６から１５ｇになるようなサイズを有し、ＣＯ_２を収容せず、窒素を添加した水用ボトルにも添加しない水用ボトルにも、容器を形成する様々なゾーンに沿うように構造強度の限界まで延伸しなければならない熱可塑性材料をほとんど有さないという、満足させるのが難しい課題がある。このような容器の設計において不可欠な優先事項が、全体として、本体の壁が非常に薄い、このカテゴリーのブロー成形容器の技術的性能によって構成される。このような性能には、例えば：軸方向の負荷強度、窒素が添加されている場合は破裂強度、および径方向の変形強度が含まれる。

最終容器およびその細部全ての適切な図面と、ブロー成形中のプラスチック材料の正確な分布を保証しなければならない、容器がブロー成形される初期プリフォームの注意深い設計とが、少量の熱可塑性材料で十分な設計性能を実現するために必要である。様々なゾーンにおける材料の特定の伸長に関する制限事項を満足させるために少量の材料をプリフォームに分布させなければならないので、最終容器、特に小型ボトルのための最終容器の正しい結果のために、プリフォームの設計も重要であることが明らかである。これが行われないと、容器の質が不良になるか、または材料の消費が過剰になる。これは、小型のボトル、すなわち、体積１００ｃｌ未満、重量１６ｇ未満のボトルの場合は、最終製品の質は、壁厚の分布、特定セグメントの軸方向長さ、および壁の特定部分のテーパ角度など、プリフォームの設計パラメータまたはパラメータの組み合わせの影響を非常に受けやすいことを意味する。この種の容器については、このようなパラメータの変動は小さくても非常に重要である。さらに、これらのパラメータは、製造コスト、具体的にはブロー成形工程に関連する製造コストに有意に影響を及ぼす。

ＰＥＴ製造技術では、ブロー成形されるプリフォームの形状と、ブロー成形された最終容器との間の理想的な精密なサイズ比は、最終容器の技術的性能が最高になるように考慮しなければならないことが知られている。具体的には、超えてはならないサイズ比がある：
− 軸方向延伸比（ＡＳＲ）が３から３．４（限界値を含む）；
− フープ延伸比（ＨＳＲ）が３．８から４．４（限界値を含む）；
− 総延伸比（ＴＳＲ）が１１．４から１５．０（限界値を含む）であり、ここでＴＳＲ＝ＡＳＲ×ＨＳＲである。

したがって、５０ｃｌもしくは７５ｃｌまたは同様の容量を有する、炭酸ガスなしの水用の容器を生産するために、必要なＰＥＴの量はボトル１つにつき約６〜１０ｇである。その容器は、炭酸ガスなしの水用の容器である結果、非常に薄いボトル壁でもボトルが受けるストレスに耐えるのに十分であり、他の熱可塑性材料に対して非常に薄い厚さに達するまで延伸されるＰＥＴの特性を利用する。このような少量のＰＥＴの制限事項があると、ネックのサイズが、射出成形または射出圧縮成形の時点で既に最終容器のサイズであり、ブロー成形中に本体の残りの部分の延伸には関係しないことを考慮すると、使用される材料が少量なので、作製されるプリフォームは必ず、直径の狭い非常に小型で短い本体を有さなければならない；さらに、前述の延伸比は考慮される必要があるが、材料はこのような範囲の局限のゾーンで働く傾向があり、過度な延伸（最終製品の白濁を引き起こす）、材料分布の不良（ネックリングより下でありボトル底部の中央にあるゾーンで樹脂が望ましくない特定の厚さになること）、およびプリフォームをブロー成形するためのエネルギー消費の増大など、様々なタイプの瑕疵を製品に与えるリスクが大きくなる。

さらに、利用できる材料が少量になる結果、プリフォーム本体の直径が小さくなると、ブロー成形ロッドはその十分な剛性を保証するために所与の直径を超えて小さくすることができないので、延伸−ブロー成形が難しくなる。実際に、ロッドの外径とプリフォームの内径との差が小さ過ぎる場合は、プリフォーム表面がロッドに貼り付いて、完成品が不合格になる。

材料の量を等しい状態で内径を小さくしないために、ネックリングより下のプリフォーム壁はより薄くすべきであるが、この解決策は、現在の機械および型のせいで技術的に限界があり、このことにより、通常、本体の壁厚が２ｍｍ未満のプリフォームを射出することができない。

実際に、従来のＰＥＴ射出技術により、プリフォームのための以下のサイズ比（極値）を得ることが可能である：
ａ）Ｌ＜１００ｍｍのときはＬ／ｔ＜４５であり、
ｂ）Ｌが１００ｍｍ以上のときはＬ／ｔ＜５０であり、
ここで、Ｌはｍｍで表すプリフォームの全長であり、ｔはｍｍで表すプリフォームの厚さである。

射出によって壁厚２ｍｍ未満のプリフォームを得ようとすることは、射出成形型のキャビティ内で発達しＰＥＴ自体の流れを妨害する摩擦力が高いので特に難しい。

こうした摩擦力に打ち勝つために、工程のいくつかの典型的なパラメータは、所与の限度内で調節しなければならず、典型的には：
− 粘性を低下させるために所与の限度内で溶融ＰＥＴの温度を上昇させること。しかし、このことは、不利な点として、プラスチック材料の腐食（ｄｅｃａｙ）が進み、ボトルに収容された水の味を悪くするアセトアルデヒドを生成させること；時間サイクルを長くし機械の生産性を低下させる、冷却時間が長くなること；ばりを形成し型割り線を強調する傾向が強まること；を意味する。
− 射出圧力を上昇させること。しかし、このことは、機械的な点から、プレスベッドを閉じる力を含む、稼働中の全ての力が増大し、その結果、型も機械も摩耗および機械故障が増大することを意味する。製品の観点から、ばりを形成し型割り線を強調する傾向が強まる。最後に、化学的観点から、非常に望ましくないアセトアルデヒドの生成が大幅に増加し、その存在は最終容器にも見られる。

このタイプの産業では、容器生産サイクルのより良いエネルギーバランスを絶え間なく探すことが非常に重要であるが、このようなサイズの小さいプリフォームを扱うことは、プリフォームから最終容器までの経過中により高い延伸比を扱うことを必要とし、エネルギー消費が高くなることを意味する。

このように、前述の欠点を克服できる革新的なプリフォームを作製する必要性が考えられる。

本発明の主な目的は、エネルギー利用がより少ない高品質の容器の最適なブロー成形を保証するような形状を有する、ブロー成形または延伸−ブロー成形によって容器、具体的には、小型のＰＥＴボトルを作製するための、プラスチック材料製のプリフォームを提供することである。

本発明の別の非常に重要な目的は、射出成形型ではなく射出−圧縮成形型によって製造するための、最適により軽量に作製されるプリフォームを得ることである。

したがって、本発明は、最終体積１ｌ以下、重量１６ｇ未満のボトルを延伸−ブロー成形動作によって生産するように適合されたＰＥＴ製のプリフォームであって、プリフォームは長手方向軸を画定し、その第１の端部に円筒形のネックを備え、
− キャップをネジ留めするための、ネジ山付き端部分と、
− 前記ネジ山付き端部分の下の、ネックリングと、
− 第１の所定の外径、および同じゾーンではブロー成形後のボトルの厚さと実質的に等しい厚さｔ_１の壁を有する、第１の円筒形の連結セグメントと、
− ブロー成形動作の前に加熱されることが意図された、プリフォーム本体と
を順に画定し、
プリフォーム本体は、
− 長手方向軸に関して第１の角度だけテーパ状になる外壁、および長手方向軸に関して第２の角度だけテーパ状になる内壁を有し、長手方向軸上に投影される所定の長さＨ_３を有する、第２の連結セグメントと、
− 前記第１の外径より小さい第２の外径および第１の厚さｔ_１より大きい第２の所定の厚さｔ_２を有する、円筒形セグメントと、
− プリフォームの第２の端部を閉じる、底部と
を画定する、
プリフォームにおいて、
− 第２の厚さｔ_２は１．９ｍｍ未満であり、
− 第１の角度は６から１７°であり、
− 第２の角度は９から２１°であり、
− 長さＨ_３は１０から２０ｍｍである
ことを特徴とする、プリフォーム
を作製することによって前述の目的を達成する。

有利なことに、既知のプリフォームに対して、特定のサイズのパラメータの革新的な組み合わせによって決定される本発明のプリフォームの形状により以下のことが可能になる：
− 適切な材料特性を従来技術と同等に維持しながら、既知の技術では重量１０から２０ｇであるボトルの最終容器の総重量を５から１０グラムさらに減らすこと；
− 最適の設計プロセスの変化の影響をあまり受けずに良好なボトルの結果を得るように、ブロー成形のプロセスウィンドウがより広い、すなわち、パラメータの変動性の範囲がより広いこと；
− 延伸ロッドとプリフォーム本体の内側との間の干渉または接触のリスクが低くなること；
− ブロー成形前にプリフォームがとらなければならない温度がより低いので成形機の効率が高くなること；
− 真珠光沢および型割り線を大幅に低減させることによって最終容器の質が良くなること；
− 容器を生産するためのエネルギー消費が低くなること。

従属請求項は本発明の好ましい実施形態を説明する。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照しながら非限定的な例によって示される、プラスチック材料製のプリフォームの好ましいが排他的ではない実施形態の詳細な説明の点から、より明らかになるであろう。

本発明によるプリフォームの側面図である。 図１のプリフォームの断面図である。 図２の断面の部分拡大図である。

図中の同じ参照番号は同じ要素を特定する。

全体が参照番号１で示されている熱可塑性材料製のプリフォームの第１の実施形態が、図面を参照しながら示される。本明細書では以下に、図面に示されたプリフォームの配置に対してのみ、「上（ｕｐ）」および「下（ｄｏｗｎ）」ならびに「上側（ｕｐｐｅｒ）」および「下側（ｌｏｗｅｒ）」と記載する。これは本発明のより良い理解のためであり、本発明を全く限定するものではない。

例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製の、またはＰＥＴと同様の特性を有する任意の他の適切な熱可塑性材料製のプリフォーム１は、長手方向軸Ｘを画定し、ネック２を備える。ネック２は管状の円筒形部分３の上部で終端し、円筒形部分３はネジ山付き密閉キャップによってシールされるのに適している。その密閉キャップは、一般に知られるように、密閉キャップそのものと不正開封防止リングとから構成され、そのリングは切り込みの入った一連の接続継ぎ目によってキャップにつながっている。このような継ぎ目の機能は、キャップを完全にシールすることおよびボトルキャップの不正開封の可能性を無くすことを保証することである。

円筒形の管状セグメント３は、ねじ山付きキャップがネジ留めされるネジ山付き端部分８と、環状リッジまたはネックリング９とを備える。ネックリング９は、当業者にはよく知られているように、適切な手段、例えば、それ自体が当業者には広く知られているグリッパを用いて取り扱うために把持および載置を保証する機能を有する。ネックリング９はさらに、長手方向のガイド上を摺動できるような形状になっており、そのガイドは、容器生産システムの下流に進む間にボトルを支持および保持するためにボトルのネックを両側で支持する。

ネジ山付き端部分８のネジ山は、ネックの終端縁部を密閉キャップに設けられた環状の着座部に挿入して流体の放出または導入の場合に最適のシーリングを確保することが可能になるように、ネック２の開口端から所定の距離の位置で始まる。

ネックリング９の下に円筒形部分１０が配置される。円筒形部分１０の機能は、上側部分でブロー成形型の厚さと嵌まり合うことと、ボトルがやはり長手方向の前進ガイドおよび搬送ガイド上を摺動可能になるように隙間を残すように環状リッジ９と協働することである。そのガイドは、ブロー成形後の容器製造システムの下流に配置することができる。

より詳細には、この円筒形部分１０は、実質的に円錐台の形状である移行セグメント５を有する状態で、ネックリング９と連結セクションの平面１１との間に設けられる。

ネックリング９の下面と連結セクションの平面１１との間を測定した円筒形部分１０の高さは、ブロー成形型の上側壁の厚さとシステム内で用いられる搬送ガイドの厚さとを足したものより大きい。円筒形部分１０の内径ｄ_１は、ネジ山付き端部分８の内径ｄ_２以下である。

ネック２、ネックリング９および円筒形セグメント１０は、プリフォームのうちの、プリフォーム射出成形型の出口で既に最終ボトルに対応する最終サイズを呈しブロー成形中にそのサイズおよび形状を変化させない部分である。このようにして、円筒形セグメント１０のうちの連結セクションの平面１１に近い方の下側部分が加熱および軟化されるときにも、プリフォームを取り扱うことができることが保証される。

円筒形セグメント１０のゾーンでは、プリフォームは、容器のブロー成形を可能にする設計温度まで加熱しなければならない本体と、温度が周囲温度とほぼ等しいままのネックリング２の上側部分との間の境界ゾーンを有する。ブロー成形動作中は、円筒形パート１０より下のプリフォーム本体は、約４０バールに達することがある高圧空気の影響によって変形される。この圧力は、実質的に線１１から始まってプリフォームの下側端部までプリフォーム本体を変形し、したがって、容器またはボトルのいずれかの形状になるまでプリフォームの本体４の壁を長くかつ薄くする。このブロー成形動作では、この円筒形セグメント１０が存在することにより、確実に、熱は、できるだけ剛性を維持しなければならないネックリングおよびネックにあまり伝達されることはなく、ネックリングより下のプリフォームを囲繞するブロー成形型の上側壁にプリフォームの壁が沿うことを可能にしなければならず、そうすることで、プリフォームの壁には、図１から図３に示す位置から、本体４のゾーンがネック２の直径よりずっと大きい直径まで拡張したボトルの最終形状になるようなヒンジ様の動きを実行させる。このような円筒形パートの温度が、ネックの剛性が犠牲にされるような決まったレベルを超えるほど上昇することを妨げるように注意が払われるので、円筒形パート１０の壁厚は大幅に減少することも伸長することもない。具体的には、連結セクション１１は、移行セグメント５および管状の円筒形セグメント３の下側端部の境界を定める円形の線上に位置決めされる。円筒形セグメント３は外径（ｄ_１＋２ｔ_１）を有し、ここで、ｔ_１は円筒形部分１０の厚さであり、ｔ_２、アルファ角度、ベータ角度、およびＨ_３の値を固定したことによって幾何学的に明白に決まる。前記移行セグメント５は、内径および外径がそれぞれ環状部分１０の内径ｄ_１および外径（ｄ_１＋２ｔ_１）に対して徐々に小さくなりながら下向きに延在する。その下側端部では、移行セグメント５は内径ｄ_４および外径ｄ_５を有する。

上記で言及したように、良好な質の最終製品、すなわちボトルを実現するために、小型のボトルの場合、プリフォームの設計パラメータを注意深く選択することが非常に重要になる。有利には、最適のブロー成形を保証するためにプリフォームが有さなければならない特徴を、図３の断面図を参照しながら次に説明する：
− 移行セグメント５の外面２１と環状部分１０の外面の延長部分２０との間の、軸Ｘを含む断面上に画定される角度αは、６から１７°であり、
− 移行セグメント５の内面２２と環状部分１０の外面の延長部分２０との間の、前記断面上に画定される角度βは、９から２１°であり、
− 軸Ｘに沿った移行セグメント５の長さＨ_３は１０と２０ｍｍとの間になるように構成される。

以下のサイズを有するプリフォームがさらに有利である：
第２の厚さｔ_２は１．２から１．９ｍｍであり、第１の角度（α）は６°から１３．５°であり、第２の角度（β）は９°から１６°であり、長さＨ_３は１４から２０ｍｍである。

また、以下のサイズを有するプリフォームがさらに有利である：第２の厚さｔ_２は１．４から１．７ｍｍであり、第１の角度（α）は６°から１０°であり、第２の角度（β）は９°から１３°であり、長さＨ_３は１４から１８．５ｍｍである。

この２つの角度αおよびβならびに長さＨ_３を特別に選択することは、良好な材料の分布を伴うより効果的な加熱を実現することを可能にするので、特に小型のボトルにとって有利であることが分かっている。実際に、この角度はプリフォームの対称軸Ｘほど傾斜していないため、ネックリング９より下のゾーンにおいてプリフォーム２の側面に沿って配置される加熱ランプ（図示しないが、当業者にはよく知られている）は、従来技術のプリフォームよりプリフォームの表面に近くなる。それとは異なり、従来技術では、本体のうちネックリングより下の部分がよりテーパ状であり、したがって、ランプから離れている。プリフォームの表面に近くないと、本体を等しい温度にするようにプリフォームを加熱するために、加熱ランプの出力を上昇させる必要が生じることになり、エネルギーの浪費が大きくなる。このように、本発明のプリフォーム本体のネックリング５より下のゾーンの形状を選択することにより、加熱ランプの出力、具体的には、ネックリングの最も近くにあるランプの出力を低下させることが可能になり、できるだけ剛性を維持しなければならない円筒形のゾーン１０およびネックリング９に過剰に熱を伝達するリスクが低下する。実際に、本体のゾーン５のテーパ状態を本発明のために選択することにより、プリフォーム２の加熱動作において２０％のエネルギーを削減できることが分かっている。

さらなる利点は、プリフォーム本体４の厚さｔ_２が１．９ｍｍ以下であり、好ましくは１．４から１．９ｍｍであることである。この厚さｔ_２の選択は、必要な範囲内の延伸比を保証するので有利であることが分かっている。

より詳細には、プリフォーム本体４は、連結セグメント５が終端する、ネックリング９から遠位にある線と、底部６が終端する、ネックリング９の近位にある線との間に構成される。プリフォーム本体４の壁厚ｔ_２は一定であり、具体的には、下に向かうほどテーパ状になる連結セグメント５のうちネックリング９から遠位にある方の端部の厚さと比べると、最大厚さでもある。

プリフォーム２の本体の壁厚を１．９ｍｍ未満にすることは、現在では射出圧縮システムおよび射出成形型によって実現され、この厚さによりプリフォーム本体の他の部分について上記で説明したサイズにすることが可能になる（従来の射出成形型では実現が難しい）。その射出成形型は、ＡＬＤとして知られる技術を用いて、１つまたは複数の合金ナノ層で被覆される。合金ナノ層により、例えば、型の壁にＰＥＴが貼り付くことを軽減し、したがって、こうした壁厚の値を実現することができる。

軸Ｘに沿って測定したプリフォーム２の本体４の底部６の長さＨ_４は必ず、プリフォームのために用いられる材料の量から導き出され、その量は必ず、得る必要がある完成品容器の設計に従って定められる。底部６のゾーンの厚さは、好ましくは、厚さｔ_２に等しく、移行セグメント５の下側端部の内径ｄ_４よりわずかに小さい内径ｄ_５と、移行セグメント５の下側端部の外径ｄ_５よりわずかに小さい外径ｄ_５＋２ｔ_２が選択される。

本発明によるプリフォームを選択することは、本明細書で説明する理由から、ブロー成形サイクルにおいてエネルギー削減も保証する。本体のサイズ、長さおよび直径がより大きく材料の重量が等しいプリフォームを扱うことにより、ＰＥＴの前述の実現可能な範囲内に残りながらより小さい延伸比でブロー成形することが可能になる。延伸比がより小さいと、材料があまり冷却されず安定性がより高い状態で、プリフォーム本体の壁が速くブロー成形型の内壁に達することが可能になる。したがって、最終ボトルの壁はより薄くなり、用いられる加熱エネルギーは、急速に冷却されるゾーン、すなわち、スプルゾーンまたはボトル型の底部の中央のゾーンにおいても等しくなり、これらのゾーンでは、一般に、従来技術のボトルではＰＥＴの不要な蓄積が見られる。この利点により、同じ構造の特徴を有する同じサイズのボトルを得るための使用する材料を少なくすることができ、これは１０％に達することがある材料の削減に相当する。必要な場合は、最終容器の構造の特徴のわずかな腐食（ｄｅｃａｙ）を考慮に入れることによって、さらに３０％を超える材料を削減することが可能である。より低い延伸比およびより薄いプリフォーム壁を扱うことは、第２のブロー成形段階で用いられる圧力が低くなることも意味し、その圧力は、２６から３２バールである代わりに、本発明によるプリフォームの場合は１６から２０バールである。

出力がより大きいランプを使用すると、円筒形パート１０のうちネックリング９から最も遠いゾーンを加熱して、材料がより低温のネックリングより下のゾーンを作り出すことになり、したがって、材料の淀みが大きくなり、そうなると、ボトルの肩部分でも型の壁に沿って材料の分布が不良になる。ネックリングより下のゾーンに残る材料が多すぎると、ボトル型の底部のプロフィルに沿って分布する材料が少なくなり、底部が薄くなり過ぎ、ボトル単体の重量に耐えるのに、さらに様々な高さに積まれるボトルの重量に耐えるのにあまり適さなくなるという不利点が生じる。その代わりに、円筒形パート１０のゾーンに出力の小さい加熱ランプを使用することも、このゾーンがより良好に加熱され、したがって、連結セクションの平面１１のゾーンでより良好な可塑化を実現して、ブロー成形の結果を改善し、ネックから最も遠い位置に配置されたボトルのゾーンでもより良好な材料の分布を実現するという有利な点を有する。

エネルギー削減に対する別の寄与は、延伸ロッドが直径のより大きいプリフォーム本体に挿入され、したがって、不良の不合格品を増やすプリフォームの内壁との干渉が生じることで場合によっては貼り付くというリスクが低下することである。

Claims (2)

1. 体積１Ｌ未満、重量１６ｇ未満のＰＥＴボトルを延伸−ブロー成形動作によって生産するためのプラスチック材料製のプリフォームであって、前記プリフォームは、長手方向軸（Ｘ）を画定し、前記プリフォームの第１の端部に円筒形のネック（３）を備え、
   − キャップをネジ留めするための、ネジ山付き端部分（８）と、
   − 前記ネジ山付き端部分（８）の下の、ネックリング（９）と、
   − 第１の所定の外径、および前記ＰＥＴボトルにおける第１の円筒形の連結セグメントの壁の厚さと実質的に等しい第１の厚さ（ｔ_１）を有する壁を有する、第１の円筒形の連結セグメント（１０）と、
   − 前記ブロー成形動作の前に加熱されることが意図された、プリフォーム本体と
   を順に画定し、
   前記プリフォーム本体は、
   − 前記長手方向軸（Ｘ）に関して第１の角度（α）だけテーパ状になる外壁（２１）、および前記長手方向軸（Ｘ）に関して第２の角度（β）だけテーパ状になる内壁（２２）を有し、前記長手方向軸（Ｘ）上に所定の長さ（Ｈ_３）を有する、第２の連結セグメント（５）と、
   − 前記第１の外径より小さい第２の外径および前記第１の厚さ（ｔ_１）より大きい第２の厚さ（ｔ_２）を有する、円筒形セグメント（４）と、
   − 前記プリフォーム（２）の第２の端部を閉じる底部（６）と
   を画定し、
   前記第１の角度（α）は６から１０°である、
   前記プリフォームにおいて、
   − 前記第２の厚さ（ｔ_２）は１．４から１．７ｍｍであり、
   − 前記第２の角度（β）は９から１３°であり、
   − 前記長さ（Ｈ_３）は１４から１８．５ｍｍである
   ことを特徴とする、プリフォーム。
2. 総重量が５から１０ｇである、請求項１に記載のプリフォーム。

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