Brevet FR3091484A1 — publié le 20200710

Description Titre de l'invention : "Procédé de décontamination de l'intérieur d'une préforme par émission d'un faisceau laser UV depuis l'extérieur de la préforme" Domaine technique de l'invention 100011 L'invention concerne un procédé de décontamination de l'intérieur d'une préforme comportant une étape d'irradiation au moyen d'un faisceau laser ultraviolet. Arrière-plan technique [0002] Dans le domaine (les emballages agro-alimentaires, il est connu de réaliser un traitement (le décontamination pour aseptiser ou stériliser au moins l'intérieur d'un récipient destiné à recevoir des denrées alimentaires. [0003] Les traitements de décontamination appliqués ont pour but de détruire, ou au moins de réduire, la présence d'organismes microbiologiques ou micro-organismes, tels qu'en particulier les germes, les bactéries, les spores, les moisissures, etc. afin de permettre la conservation des denrées. [0004] Par récipient, on entend un corps creux tel que par exemple une bouteille, un flacon, un pot, etc., qui sont autant de récipients obtenus par transformation d'une préforme en matière thermoplastique qui est le plus souvent préalablement fabriquée par injection dans un moule. [0005] Des matières thermoplastiques, le PET (Polyéthylène Téréphtalate) est le plus com- munément utilisé pour ces applications. [0006] De manière connue, la préforme est successivement conditionnée thermiquement dans un four afin d'en ramollir la matière constitutive puis transformée en un récipient par soufflage dans un moule au moyen d'au moins un fluide sous pression, avec ou sans étirage. [0007] En variante, la préforme injectée est directement transformée en récipient sans requérir alors de conditionnement thermique préalable. [0008] Dans l'état de la technique, la décontamination d'une préforme est notamment réalisée par "voie chimique" au moyen d'un produit stérilisant tel que du peroxyde d'hydrogène (1-1202) ou autre produit présentant des propriétés bactéricide, virucidc, fongicide, etc. analogues. [0009] Bien que de tels procédés de décontamination par voie chimique donnent sa- tisfaction, on recherche cependant des solutions alternatives qui, sans produit stérilisant, soient en particulier plus respectueuses de l'environnement, tout en conservant des niveaux de décontamination équivalents. [0010] Une solution alternative possible consiste à réaliser la décontamination par ir- 2 radiation de la face interne de la préforme au moyen d'une source émettant un rayonnement ultraviolet, dit 1JY. [0011] En effet, une telle décontamination par irradiation présente l'avantage de ne né- cessiter l'emploi d'aucun produit chimique appliqué sur la préforme à décontaminer et ceci au bénéfice notamment d'une absence ultérieure d'éventuelles traces résiduelles dans le récipient final obtenu à partir de la préforme. [0012] L'effet germicide recherché est notamment très efficace par exposition de la surface à un rayonnement UVc dont la longueur d'onde est comprise entre 230 et 300 nm. L'irradiation de germes par des un rayonnement UVc provoque en effet une réaction photochimique qui dégrade les molécules ADN des germes, bloquant ainsi leur processus de reproduction. [0013] La décontamination par irradiation au moyen d'un rayonnement ultraviolet n'a cependant été jusqu'alors mise en oeuvre que pour traiter l'extérieur de la préforme. [0014] L'une des raisons constituant un obstacle à l'utilisation de rayonnement ultraviolet pour décontaminer l'intérieur d'une préforme tient au fait que les matières thermoplastiques comme le PET absorbent le rayonnement ultraviolet, notamment les UVc. Ceci empêche les rayonnements UV émis depuis l'extérieur de traverser la paroi de la préforme pour atteindre sa face interne. [0015] De plus, une exposition trop importante d'une face de la préforme à un rayonnement UV risque de provoquer un échauffement local et une dégradation de la préforme. [0016] On a déjà proposé de décontaminer l'intérieur d'une préforme au moyen d'une source de rayonnement ultraviolet non cohérente, telle qu'une lampe à UV. Cependant, un tel procédé présente une efficacité limitée car l'intensité du rayonnement UV émis perd diminue avec le carré de la distance parcourue du fait de la diffusion du rayonnement UV dans toutes les directions. Résumé de l'invention [0017] L'invention propose un procédé de décontamination d'une face interne d'une préforme en matériau thermoplastique ouverte par une ouverture, notamment d'une préforme en PET, comportant une étape d'irradiation avec au moins un faisceau laser ultraviolet émis selon un axe déterminé par un émetteur laser d'un dispositif laser. [0018] Le procédé est caractérisé en ce que, pendant toute la durée de l'étape d'irradiation, le faisceau laser est émis selon son axe rectiligne depuis l'extérieur de la préforme jusqu'à la face interne de la préforme en pénétrant par son ouverture. [0019] Selon d'autres caractéristiques du procédé : [0020] - la préforme présente une forme axisymétrique d'axe principal déterminé passant au centre de son ouverture, l'axe du faisceau laser étant incliné d'un angle déterminé par rapport à l'axe principal de la préforme ; 3 100211 - l'angle déterminé entre faxe du faisceau laser et faxe principal de la préforme est compris entre 0° et 25°, par exemple environ 2° ; [0022] - la préforme tourne relativement au faisceau laser autour de son axe principal pour permettre au faisceau laser de balayer la totalité de la face interne, par exemple à une vitesse de l'ordre de 10 tours par seconde ; [0023] - durant l'étape d'irradiation, la préforme est déplacée axialement selon son axe principal par rapport à l'émetteur laser ; [0024] - le faisceau laser présente une section d'environ 100 mm2 ; [0025] - le faisceau laser est émis dans le domaine de l'ultraviolet avec une longueur d'onde comprise entre 230 et 300 nm, plus particulièrement entre 240 nm et 260 nm, par exemple 248 nm ; [0026] - le dispositif laser est un laser à excimere, notamment un laser à exciplexe, par exemple un laser à fluorure de krypton ; [0027] - le faisceau laser est émis par impulsions à une fréquence déterminée, par exemple la fréquence est comprise entre 50 Hz et 300 Hz, plus particulièrement la fréquence est par exemple comprise entre 100 Hz et et 200 Hz ; [0028] - chaque impulsion délivre une densité d'énergie inférieure ou égale à 20 tnJ/cm2, par exemple d'environ 15 mJ/cm2 ; [0029] - le nombre d'impulsions émise durant la totalité de l'étape d'irradiation de la face interne est comprise entre 50 et 300 impulsions, de préférence entre 100 et 200 impulsions ; [0030] - le procédé comporte en plus de l'étape d'irradiation, une étape de chauffage du corps de la préforme, par exemple à une température supérieure ou égale à une température de transition du matériau la constituant. [0031] L'invention concerne aussi une installation de décontamination pour la mise en oeuvre du procédé réalisé selon les enseignements de l'invention, caractérisée en ce qu'il comporte : [0032] - une base ; [0033] - un support destiné à porter une préforme, le support étant monté sur la base ; [0034] - un dispositif laser ultraviolet comportant un émetteur laser qui est porté par la base. [0035] Selon une autre caractéristique de l'installation, la base est mobile pour permettre le transport des préformes pendant l'étape d'irradiation. Brève description des figures [0036] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : [0037] [fig.l] La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une préforme destinée à être dé- contaminée durant le procédé réalisé selon les enseignements de l'invention ; [0038] [fig.2] La figure 2 est une vue en coupe axiale qui représente la préforme de la figure 1 durant le procédé de décontamination réalisé selon les enseignements de l'invention. [0039] [fig.3] La figure 3 est un schéma-bloc qui représente les deux étapes du procédé de décontamination réalisé selon les enseignements de l'invention. Description détaillée de l'invention [0040] On a représenté à la ligure 1, à titre non limitatif, un exemple d'une préforme 10 en matière thermoplastique. La préforme 10 est ici réalisée en polyéthylène téréphtalate (PET). [0041] Une telle préforme est généralement obtenue par injection de matière plastique et présente des caractéristiques (dimensions, répartition de la matière, etc.) qui sont déterminées par le récipient final à obtenir, en particulier sa forme ou encore sa contenance. [0042] La préforme 10 présente une forme axisymétrique d'axe "A" principal représenté ver- ticalement à la figure 1. La préforme comporte notamment un corps 12 tubulaire fermé à une extrémité inférieure par un fond 14 et qui débouche vers le haut par une ouverture 16 supérieure délimitée radialcment par un col 18. L'axe "A" principal de la préforme 10 passe au milieu du col 18. [0043] Lc col 18 de la préforme 10 présente sa forme définitive à l'issue de la fabrication par injection de la préforme 10 et correspond au col du récipient final. Un bord 20 d'extrémité supérieure libre du col 18, aussi appelé buvant, délimite circonférentiellement l'ouverture 16 circulaire constituant le seul accès à l'intérieur de la préforme 10. [0044] Dans l'exemple représenté à la figure 1, le col 18 comporte une collerette 22 qui s'étend radialement en saillie vers l'extérieur. [0045] Lc corps 12 est délimité par une paroi tubulaire qui présente une face interne 24 située à l'intérieur de la préforme 10 et une face externe 26 située à l'extérieur. [0046] La préforme présente par exemple une ouverture 16 de diamètre interne d'environ 20 mm et une hauteur totale d'environ 90 mm. L'épaisseur de la paroi délimitant le corps 12 est par exemple d'environ 3 mm. Ces valeurs sont indiquées à titre d'exemple non limitatif, les préformes pouvant présenter des dimensions différentes tout en gardant des proportions globalement identiques. [0047] L'invention propose un procédé de décontamination de la face interne 24 de la préforme 10 comportant une étape "El" d'irradiation de la face interne 24 avec au moins un faisceau 28 laser ultraviolet émis selon un axe "B" déterminé par un émetteur 30 laser relié à un dispositif 29 laser, comportant notamment une cavité laser dans laquelle le rayonnement laser est créé. Le faisceau 28 laser est délivré par l'émetteur 30 laser qui présente une face 31 de sortie qui permet au faisceau 28 laser de sortir à l'air libre en ligne droite selon son axe "B" rectiligne. [0048] L'émetteur 30 laser forme une source de rayonnement électromagnétique mono- chromatique dont le spectre d'émission s'étend pour l'essentiel dans le domaine des ultraviolets de type C (UVc) dont la longueur d'onde est comprise entre 230 nm et 300 nm. La longueur d'onde est particulièrement efficace pour un usage de décontamination lorsqu'elle est comprise entre 240 nm et 260 nm, par exemple 248 nm. [0049] En théorie, une source monochromatique est une source idéale émettant une onde si- nusoïdale de fréquence unique. En d'autres termes, son spectre en fréquence est constitué d'une seule raie de largeur spectrale nulle (Dirac). [0050] Dans la pratique, une telle source n'existe pas, une source réelle ayant un spectre d'émission en fréquence qui s'étend sur une bande de largeur spectrale faible mais non nulle, centrée sur une fréquence principale où l'intensité du rayonnement est maximale. Pour les besoins de la présente demande, on considère comme monochromatique une telle source réelle. [0051] L'avantage d'un rayonnement monochromatique est que, bien choisi, il peut être concentré sur une longueur d'onde particulièrement efficace pour exterminer les germes présents dans la préforme 10. [0052] En outre, le faisceau 28 laser est formé d'un rayonnement lumineux cohérent et di- rectionnel qui conserve une grande énergie même en s'éloignant de l'émetteur 30. [0053] Il s'agit ici d'un dispositif 29 laser faisant partie de la famille des lasers à excimère. Il s'agit plus particulièrement d'un laser à exciplexe, par exemple d'un laser à fluorure de krypton (KrF) qui émet un faisceau 28 laser dont la longueur d'onde est de 248 nm. [0054] La section du faisceau 28 laser doit présenter des dimensions adaptées aux di- mensions de la préforme 10. A cet effet, le faisceau 28 laser est ici calibré par interposition d'un diaphragme 32 comportant un trou 34 de passage du faisceau 28 laser présentant les dimensions voulues. Ainsi, le faisceau 28 laser, après passage dans le trou 34, présente une section calibrée, par exemple de 100 mm2 La section peut présenter un contour de forme circulaire carré ou de toute autre forme adaptée au traitement. [0055] Comme représenté à la figure 2, pendant toute la durée de l'étape "El" d'irradiation, le faisceau 28 laser est émis selon son axe "B" rectiligne depuis l'extérieur de la préforme 10 jusqu'à la face interne 24 de la préforme 10 en se déplaçant en ligne droite et en pénétrant dans la préforme 10 uniquement par son ouverture 16. [0056] A cet effet, l'émetteur 30 laser est agencé à l'extérieur de la préforme 10 pendant toute la durée de l'étape "El" d'irradiation. [0057] Dans le mode de réalisation représenté aux figures, le faisceau 28 laser se déplace en ligne droite selon son axe "B" depuis la face 31 de sortie jusqu'à la face interne 24 de la 6 préforme 10 sans être guidé. [0058] En variante non représentée de l'invention, l'émetteur 30 laser est équipé de moyens de guidage de la direction d'émission du faisceau 28 laser, tels que des éléments optiques ou des miroirs. Ces moyens de guidage sont considérés comme faisant parti de l'émetteur 30 laser et ils sont donc aussi agencés à l'extérieur de la préforme 10. [0059] On a représenté à la figure 2 un exemple d'installation de décontamination dans lequel la préforme 10 est destinée à être portée par un support 36, généralement à proximité de sa collerette 22. Il s'agit par exemple d'une pince qui serre radialement la préforme 10 à proximité de sa collerette 22 ou encore d'une encoche dans laquelle le corps 12 de la préforme 10 est reçue de manière à reposer par sa collerette 22 sur le pourtour de l'encoche. [0060] Le support 36 est monté sur une base 38. Le support 36 est destiné à maintenir l'axe "A" principal de la préforme 10 dans une orientation déterminée, ici verticale, par rapport à la hase 38. [0061] La hase 38 est par exemple un élément mobile permettant le transport des préformes pendant l'étape "El " d'irradiation. 11 s'agit par exemple d'une roue de transfert. [0062] Selon une variante de l'invention, la hase 38 est par exemple fixe par rapport au sol. [0063] L'émetteur 30 laser est porté par la hase 38. Il est agencé de manière à ce que le faisceau 28 laser soit émis selon son axe "B" en direction de la face interne 24 de la préforme 10 en pénétrant à l'intérieur de la préforme 10 par son ouverture 16, de préférence sans toucher le col 18, ni le bord 20. [0064] L'émetteur 30 est agencé de manière que l'axe "B" du faisceau 28 laser soit incliné d'un angle u par rapport à l'axe "A" principal de la préforme 10 pour décontaminer la face interne 24 de la préforme 10. [0065] La valeur de cet angle u est particulièrement importante car en cas de valeur trop basse ou trop élevée, la face interne du fond 14 de la préforme se retrouve surexposée au rayonnement UVc, soit directement, soit par réflexion sur la face interne 24 du corps 12 du faisceau 28 laser. Or, lorsque le matériau plastique est surexposé au rayonnement UVc, sa surface s'en trouve dégradée, et la préforme 10 n'est plus utilisable. [0066] Par ailleurs, il n'est pas possible de remédier à ce problème en diminuant la puissance du faisceau 28 laser puisque la face interne 24 de la préforme 10 serait alors insuffisamment irradiée, et la décontamination ne serait alors pas suffisante. [0067] Ce sont les raisons pour lesquelles on a considéré que l'usage d'un rayon laser émis depuis l'extérieur de la préforme 10 n'était pas possible pour un usage de décontamination. [0068] Or, l'inventeur a constaté que, de manière surprenante, en sélectionnant un angle u entre l'axe "B" du faisceau 28 laser et l'axe "A" principal de la préforme compris entre 7 0° et 25°, par exemple entre 1' et 5', plus particulièrement d'environ 2°, on pouvait obtenir l'effet de décontamination recherché de la face interne 24 du corps 12 et du fond 14 sans provoquer de dégradation de la face interne 24 de la préforme 10. [0069] Pour obtenir une décontamination de l'ensemble de la face interne 24 de la préforme 10, la préforme est mise en rotation autour de son axe "A" principal relativement au faisceau 28 laser pour permettre au faisceau 28 laser de balayer la totalité de la face interne 24. Ainsi, l'angle a formé entre l'axe "B" du faisceau 28 laser et l'axe "A" principal de la préforme 10 demeure sensiblement constant durant la totalité de l'étape "El" d'irradiation. [0070] En variante non représentée de l'invention, l'émetteur est mobile par rapport à la préforme de manière que l'angle a varie de manière commandée durant le procédé de décontamination. [0071] Par exemple la préforme 10 tourne avec une vitesse rotation continue et constante de l'ordre de 10 tours par seconde. Une telle vitesse de rotation permet de garantir un niveau d'exposition suffisant pour décontaminer l'ensemble de la face interne 24 de la préforme 10 sans en dégrader le matériau thermoplastique. [0072] La préforme 10 est par exemple mise en rotation par friction de la face externe 26 du corps 12 avec au moins un galet moteur 40. Lorsque la préforme est tenue par une pince, des mors de la pince comportent par exemple des galets 42 de guidage qui permettent de tenir fermement la préforme 10 tout en permettant sa rotation. [0073] En variante non représentée de l'invention, par inversion mécanique, l'émetteur 30 laser comporte des moyens pour permettre la rotation du faisceau 28 laser autour de l'axe "A" principal de la préforme 10. [0074] Selon une variante de l'invention, durant l'étape "El" d'irradiation, la préforme 10 est déplacée axialement selon son axe "A" principal par rapport à l'émetteur. Ainsi, le point d'application du faisceau 28 laser sur la face interne 24 est susceptible de bouger en formant une spirale. Ceci est notamment requis pour des préformes dont la longueur est grande par rapport à la section du faisceau 28 laser. [0075] L'amplitude maximale du déplacement axial est délimitée entre une position enfoncée dans laquelle le faisceau 28 laser est à proximité d'une première extrémité d'un diamètre du bord 20 du col 18 jusqu'à une position retirée dans laquelle le faisceau 28 laser est agencée à l'extrémité opposée dudit diamètre. Le déplacement est réalisé sans jamais toucher le bord 20, et tout en conservant son angle a déterminé avec l'axe "A" principal de la préforme 10 durant son déplacement. [0076] Pour réaliser ce mouvement de translation axial, le support 36 est par exemple monté mobile sur un chariot motorisé par rapport à la base 38. [0077] Durant l'étape "El" d'irradiation, le faisceau 28 laser est émis par impulsions. Chaque impulsion dure par exemple entre 20 ns et 30 ns, par exemple 22 ns ou 25 ns. Les im- 8 pulsions sont émises à une fréquence déterminée, par exemple la fréquence est comprise entre 50 Hz et 300 Hz, plus particulièrement, la fréquence est par exemple comprise entre 100 Hz et 200 Hz. [0078] Le dispositif 29 laser est configure de manière à cc que chaque impulsion délivre une densité d'énergie inférieure ou égale à 20 mJ/cm2, de préférence de l'ordre de 15 m:1/cm2, afin de ne pas endommager le matériau thermoplastique. [0079] Par exemple, l'émetteur 30 laser émet entre 50 et 300 impulsions, de préférence entre 100 et 200 impulsions, durant la totalité de l'étape "El" d'irradiation de la face interne 24 de la préforme 10. [0080] On a constaté que l'utilisation d'un tel faisceau 28 laser permettait d'obtenir un taux de décontamination suffisant indépendamment de la distance à laquelle se trouve l'émetteur 30 laser du fait des propriétés avantageuses du faisceau 28 laser par rapport à une lampe à UV classique. [0081] Avantageusement le procédé de décontamination présente, en plus de l'étape "El " d'irradiation, une étape "EO" de chauffage du corps 12 de la préforme 10. On a en effet constaté l'effet cumulée de l'étape "El " d'irradiation et de l'étape "EO" de chauffage du matériau thermoplastique, par exemple au-delà de sa température de transition vitreuse, permettait d'améliorer le taux de décontamination de la préforme 10. L'étape "E0" de chauffage précède par exemple l'étape "El " d'irradiation comme cela est représenté à la figure 3. [0082] En variante non représentée de l'invention, l'étape "EO de chauffage est réalisée après l'étape "El" d'irradiation. [0083] L'invention permet ainsi de décontaminer l'intérieur de la préforme 10 sans faire usage de produits chimiques, et en limitant la quantité d'énergie utilisée. [0084] L'invention permet en outre de conserver l'intégrité du matériau constituant la préforme. 9