УПАКОВКА ДЛЯ ГОРЯЧЕГО НАПОЛНЕНИЯ
PACKAGE FOR HOT FILLING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к упаковке из полиэтилентерефталата (ПЭТ) для горячего наполнения, а также к способу наполнения такой упаковки. Способ, в частности, применяют для разлива продукта при температуре более 80°С в ПЭТ бутылки, изготовление которых не включало в себя способы раздува, предназначенные для получения термостойких изделий, обычно обозначаемых буквами «HR» (от английского «Heat Resistant»).
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Бутылки из полиэтилентерефталата (ПЭТ) имеют многочисленные области применения благодаря своим превосходным характеристикам: стойкости, легкости, прозрачности, органолептическим свойствам. Эти бутылки изготавливают с высокой скоростью путем двуосной вытяжки заготовки в форме.
В контексте настоящего изобретения под «горячим наполнением» следует понимать наполнение, при котором температура жидкости выше комнатной температуры, обычно выше 80°С.
Под «холодным наполнением» понимается наполнение при комнатной температуре или температуре ниже комнатной.
Для изготовления ПЭТ бутылок для холодного наполнения применяют способ раздува заготовки в полости формы. Заготовка, изготовленная посредством литья под давлением, имеет форму трубки, один конец которой заделан, а другой конец образует горлышко. После нагрева этой заготовки с помощью инфракрасного излучения до температуры от 95 до 120°С аморфный ПЭТ размягчают и подвергают деформации путем раздува в полости формы. При раздуве заготовку подвергают двуосной деформации с помощью совместного действия штока вытяжки и воздуха, подаваемого в заготовку под давлением и приводящего к раздуву. Формы охлаждают водой для отвода тепла от ПЭТ путем контакта, что приводит к затвердеванию бутылки с сохранением ее геометрии. Полученные бутылки называют двуосно ориентированными, поскольку в процессе изготовления они подвергаются двуосной вытяжке. Ориентированные такие образом макромолекулярные цепи обеспечивают превосходные механические и оптические свойства при комнатной температуре. Недостатком этой двуосной ориентации является ее обратимый характер, и стремление материала вернуться в исходное состояние при повышении температуры; это явление называют памятью формы.
Кроме того, хотя эти бутылки имеют многочисленные преимущества, их недостатком является деформация при температуре выше 60°С. Разлив в эти бутылки продукта, имеющего высокую температуру от 85 до 95°С, вызывает деформации, делающие указанные бутылки непригодными к употреблению. В предшествующем уровне техники описано несколько способов, позволяющих устранить указанный недостаток и обеспечить горячее наполнение ПЭТ бутылок.
Наиболее обычным решением, позволяющим разливать горячую жидкость в ПЭТ бутылки, является совместное применение способа раздува термостойких бутылок и особой конструкции бутылки.
Способы получения термостойких изделий, обычно обозначаемых буквами «HR», позволяют повысить термостойкость бутылок. Так, существует первый способ получения HR изделий, называемый одноступенчатым, который позволяет обеспечить температуры наполнения от 80 до 88°С. Второй способ получения HR изделий, называемый двухступенчатым, позволяет разливать жидкости при температурах от 88 до 95°С.
Одновременно с применением способа изготовления HR бутылок необходимо применять другую конструкцию бутылки. При разливе бутылки должны оказывать сопротивление вакууму, создаваемому в результате охлаждения жидкости в бутылке, запечатанной горячим способом. Охлаждение вызывает двойное сжатие, т.е. сжатие жидкости и сжатие воздуха, заключенного в бутылке. Кроме того, бутылки для горячего наполнения содержат компенсационные вставки, позволяющие компенсировать изменение объема, и более жесткие части, позволяющие исключить неконтролируемую деформацию бутылки. Эти конструкции требуют увеличения толщины стенки бутылки и приводят к получению бутылок, вес которых может в два раза превышать вес бутылки для холодного наполнения.
Способы, применяемые для изготовления HR бутылок, предназначенных для горячего наполнения, также включают в себя раздув заготовки в полости формы, но с более сложными характеристиками. Действительно, заготовку нагревают до более высокой температуры, чем при раздуве контейнера для холодного наполнения. Повышенная температура раздува позволяет свести к минимуму память формы ПЭТ и ослабить часть напряжений, вызванных раздувом. При способе получения HR изделий, называемом одноступенчатым, бутылку подвергают термической обработке, когда она входит в контакт со стенками формы. Повышенная температура стенки формы приводит к увеличению кристаллизации двуосно ориентированных цепей ПЭТ и, таким образом, к повышению его термостойкости. Циркуляция воздуха внутри бутылки позволяет отвести тепло от ПЭТ и, таким образом, отвердить стенки бутылки до ее выемки из формы. Способ получения HR изделий, называемый двухступенчатым, позволяет получить более высокую термостойкость, но за счет последовательности более сложных этапов. Действительно, первый этап включает в себя раздув заготовки, объем которой значительно больше, чем объем бутылки; эту заготовку, имеющую высокий уровень кристаллизации, затем усаживают путем нагрева до температуры, превышающей температуру стеклования; в конце концов, усевшую заготовку раздувают в полости формы в соответствии с размерами бутылки, подлежащей изготовлению. Бутылка имеет высокий уровень кристаллизации, что позволяет осуществлять наполнение при температурах от 88 до 95°С.
Однако бутылки, прошедшие термическую обработку, позволяющую разливать жидкость при высокой температуре, имеют несколько недостатков.
Первый недостаток связан со снижением скорости производства бутылок, поскольку способ термофиксации замедляет цикл раздува.
Способы получения HR изделий, являются более сложными, чем обычный способ раздува и, следовательно, более трудными для внедрения и применения.
Второй недостаток связан с весом и, следовательно, стоимостью указанных бутылок. Как уже было сказано, добавление материала обеспечивает стойкость к вакууму, создаваемому в упаковке, и к высокой температуре наполнения. Однако при таком решении применяют излишек материала, не являющийся необходимым для хорошей сохранности продукта. Кроме того, компенсационные вставки портят внешний вид упаковки, что делает ее менее привлекательной для потребителя.
Заявка на патент FR 2887238 предлагает частично устранить указанные недостатки путем изготовления бутылок с тонкими стенками, пригодных для горячего наполнения. Эти бутылки изготавливают описанным выше одноступенчатым или двухступенчатым способом, применяемым для раздува HR изделий, и, следовательно, они имеют свойства, обеспечивающие возможность горячего наполнения без усадки упаковки. Бутылки, предложенные в заявке FR 2887238, обладают многочисленными преимуществами, поскольку они не содержат усадочных вставок, и их вес снижен по сравнению с упаковкой, применяемой специалистами в данной области техники; этот вес практически равен весу контейнеров той же емкости, применяемых для содержания минеральной воды. Упаковка имеет цилиндрическую форму, необязательно имеет канавки для придания жесткости тулову, и легкое дно, такое же, как у упаковки для негазированной минеральной воды, но упрочненное. Эту упаковку наполняют горячим способом на разливочной машине известного типа, причем температура жидкости в зависимости от предлагаемого применения составляет от 60 до 95°С и поддерживается на этом уровне. После горячего запечатывания и охлаждения в бутылке образуется вакуум, который создает значительную деформацию тулова бутылки. Способ в соответствии с заявкой FR 2887238 состоит в уменьшении объема бутылки путем обеспечения усадки с помощью нагрева стенок бутылки, когда температура жидкости ниже температуры стеклования ПЭТ приблизительно на величину, составляющую от 40 до 50°С. Несмотря на многочисленные преимущества, предлагаемые заявкой на патент FR2887238, имеется также ряд недостатков.
Первый недостаток связан с изготовлением этих бутылок, требующим для получения упаковки, имеющей достаточную термостойкость, применения одноступенчатого или двухступенчатого способа раздува для получения HR изделий. Как уже было сказано, такие способы изготовления являются сложными и, следовательно, более трудными в эксплуатации. Это сказывается на стоимости полученной упаковки.
Вторым недостатком предложенного способа является трудность уменьшения объема упаковки с помощью нагрева, учитывая, что указанная упаковка изготовлена способом раздува для получения HR изделий, повышающим ее термостойкость.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает устранить перечисленные недостатки с помощью новой упаковки и нового способа ее изготовления и горячего наполнения.
В соответствии с настоящим изобретением ПЭТ упаковка для горячего наполнения изготовлена обычным способом раздува, т.е. способом, обычно применяемым для получения упаковки для наполнения при низкой температуре. В соответствии с изобретением упаковку раздувают в «холодной» форме, в отличие от способов раздува для получения термостойких (англ. «Heat Resistant») изделий, обычно обозначаемых буквами «HR», состоящих в раздуве упаковки в форме при высокой температуре.
Способ наполнения включает в себя дополнительный этап по сравнению с обычно применяемым горячим наполнением. Этот этап состоит в усадке стенок упаковки с помощью высокоинтенсивного источника тепла.
Эта упаковка отличается от упаковок для горячего наполнения отсутствием компенсационных вставок, лепестковым или звездообразным дном, малым весом, низкой средней плотностью и пространственным распределением плотности.
В частности, настоящее изобретение позволяет изготовить легкую упаковку, пригодность которой для горячего наполнения обеспечивается не способом раздува HR изделий, а неожиданным сочетанием ряда факторов, среди которых геометрия упаковки, ее состав и способ изготовления и наполнения.
Вес упаковки в соответствии с настоящим изобретением практически равен весу упаковки, например, бутылки, предназначенной для содержания жидкости, разливаемой холодным способом. Кроме того, следует заметить, что упаковка в соответствии с изобретением спроектирована таким образом, чтобы иметь стойкость к давлению, а не к разрежению, как предлагалось в известном уровне техники. Предпочтительно дно упаковки спроектировано таким образом, чтобы оказывать сопротивление положительному давлению в упаковке.
Настоящее изобретение также относится к способу горячего наполнения упаковки, такой как ПЭТ бутылка, которая не изготовлена способом получения HR изделий, и пригодность которой к горячему наполнению является следствием сочетания конструкции бутылки и способа ее изготовления. Способ наполнения включает в себя также этап усадки упаковки под действием интенсивного источника тепла при полном или частичном охлаждении жидкости, разлитой горячим способом.
СВЕДЕНИЯ. ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Лучше понять настоящее изобретение помогут приведенные ниже примеры, описывающие изготовление ПЭТ бутылки для горячего наполнения, изготовленной из заготовки способом обычного раздува, а не способом получения HR изделий. Бутылка обладает повышенной термостойкостью в результате неожиданного совместного действия геометрии бутылки, способа изготовления и наполнения, и применяемого полимера.
В отличие от решений, известных из предшествующего уровня техники, предлагающих повышение степени кристаллизации ПЭТ упаковки для повышения ее термостойкости, в соответствии с настоящим изобретением предлагается применение упаковки, более низкий уровень кристаллизации которой не позволяет сам по себе обеспечить стойкость к температуре наполнения. Термостойкость упаковки обеспечивается совместным действием уровня кристаллизации, геометрии упаковки и способа раздува и наполнения. Изобретение представляет значительный интерес, поскольку оно позволяет исключить одноступенчатые или двухступенчатые способы изготовления HR изделий, применяемые для повышения уровня кристаллизации упаковки. Эти способы включают в себя сложные этапы, снижающие скорость производства упаковки и оказывающие заметное влияние на стоимость полученной упаковки.
Как уже было сказано, подробные примеры настоящего изобретения описывают ПЭТ бутылки, но следует понимать, что предмет изобретения не ограничен этим типом изделий. Предметом настоящего изобретения могут являться также другие типы упаковки, например, из ПЭТ или подобных полимеров. Бутылка содержит горлышко, в основном цилиндрическое тулово и дно. Вес бутылки аналогичен весу бутылки той же емкости для минеральной воды или газированного напитка.
Толщина горлышка уменьшена по сравнению с горлышками бутылок, изготовленных способом получения HR изделий. Например, особенно подходящим является горлышко бутылки для газированного напитка.
Тулово бутылки имеет обычно цилиндрическую форму, малую толщину и может содержать ребра, придающие жесткость. Бутылка не содержит элементов, характерных для ПЭТ бутылок для горячего наполнения, таких как вставки, пояс, утолщение плеча. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения цилиндрическое тулово, однако, содержит зону вытяжки, предназначенную для устранения вакуума в бутылке после частичного или полного охлаждения. Зона вытяжки предпочтительно является локализованной. Способ наполнения включает в себя этап интенсивного нагрева зоны вытяжки, в результате которого устраняется вакуум в бутылке. Под действием высокой температуры зона вытяжки усаживается и вызывает уменьшение объема бутылки.
Предпочтительно бутылка содержит дно, обладающее особыми характеристиками. В отличие от предложений предшествующего уровня техники можно применять только дно, имеющее высокую стойкость к давлению. Неожиданно было обнаружено, что лепестковое дно, применяемое для контейнеров для газированных напитков, мало деформируется под действием температуры. Также можно применять звездообразное дно, обладающее достаточной стойкостью к давлению.
Бутылки изготавливают обычным способом раздува без этапа кристаллизации после вытяжки в полости формы. Однако для получения бутылки, которая не деформируется под действием температуры наполнения, необходимо особое регулирование способа раздува.
Этот способ включает в себя первый этап, состоящий в нагреве заготовки до максимально допустимой температуры, близкой к температуре кристаллизации. Предпочтительно заготовку нагревают до температуры более 110°С. Применяют термоусадочные сорта ПЭТ, известные специалистам в данной области техники для изготовления бутылок. Эти сорта обычно являются продуктами с высокой молекулярной массой, или сополимерами ПЭТ. Особенно целесообразно применение сополимеров ПЭТ, полученных из терефталевой и изофталевой кислот.
Заготовку вытягивают и раздувают в полости формы соответствующей геометрии, стенки которой охлаждают для отвода тепла, передаваемого путем контакта, что приводит к затвердеванию стенок бутылки. В отличие от способа получения HR изделий, при котором форму нагревают до температуры, обычно составляющей от 115 до 140°С для повышения уровня кристаллизации боковых стенок бутылки, настоящее изобретение позволяет применять обычный способ раздува, состоящий в применении форм, охлажденных или только доведенных до температуры ниже температуры стеклования ПЭТ (приблизительно 65°С). Часть формы, формирующую дно бутылки, предпочтительно охлаждают до температуры ниже 20°С.
Неожиданно было обнаружено, что чем ниже температура части формы, формирующей дно, тем меньше деформация дна бутылки под действием температуры. Этот неожиданный результат противоречит существующему способу, состоящему в повышении температуры формы для повышения уровня кристаллизации и ослабления напряжений в полимерных цепях.
Бутылки изготавливают с высокой скоростью, так же, как бутылки, предназначенные для содержания минеральной воды или газированных напитков.
Многослойные ПЭТ бутылки, изготовленные и наполненные способом в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно применяют для содержания продуктов, чувствительных к кислороду и разлитых горячими, таких как соки плодов. Бутылки изготавливают из многослойной заготовки, раздутой в форме, температура которой ниже 65°С.Бутылка имеет геометрию, подобную геометрии однослойной бутылки в соответствии с настоящим изобретением. Бутылка не содержит элементов, характерных для ПЭТ бутылок для горячего наполнения, таких как вставки, пояс, утолщение плеча. Однако в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения цилиндрическое тулово содержит зону вытяжки, предназначенную для устранения вакуума в бутылке после частичного или полного охлаждения жидкости.
Горячее наполнение однослойных или многослойных бутылок можно осуществлять сразу после раздува бутылок или через промежутки времени разной продолжительности. Предпочтительным является немедленное наполнение, поскольку сухие бутылки обладают лучшей термостойкостью. Однако по причинам, связанным с логистикой, бутылки обычно наполняют после более или менее продолжительного хранения, в процессе которого влажность стенки бутылки приходит в равновесие с влажностью воздуха. Это увеличение влажности слегка понижает термостойкость бутылки.
Наполнение бутылки отличается от горячего наполнения наличием этапа усадки зоны вытяжки, т.е. этапа, позволяющего устранить вакуум, созданный в бутылке после охлаждения.
Обычно наполнение осуществляется под действием силы тяжести, причем горячая жидкость попадает непосредственно в упаковку. В зависимости от продуктов температура наполнения составляет от 80 до 95°С.
Когда горячая жидкость попадает в бутылку, стенка упаковки быстро нагревается без каких-либо заметных деформаций бутылки. Затем упаковку герметично запечатывают крышкой. Повышение температуры воздуха, заключенного в пространстве верхней части, приводит к созданию в бутылке после запечатывания небольшого давления.
Дно сконструировано таким образом, чтобы обладать стойкостью к давлению и не деформироваться, несмотря на повышенную температуру жидкости в бутылке.
Стенки бутылки стерилизуют с помощью температуры продукта в течение приблизительно 3 минут. Стерилизация включает в себя переворачивание бутылки для обеспечения стерилизации внутренней поверхности крышки и горлышка.
Затем бутылку быстро охлаждают путем опрыскивания холодной водой ее наружной стенки. При охлаждении жидкость и пространство верхней части упаковки сжимаются, создавая разрежение в бутылке. Под действием отрицательного давления боковые стенки бутылки малой толщины деформируются, сминаясь. Предпочтительно в конструкции бутылки предусмотрены упругие зоны, которые деформируются, сминаясь под действием отрицательного давления, и более жесткие не деформирующиеся зоны. Таким образом, деформация бутылки локализуется в ограниченной зоне. Было обнаружено, что упругая зона предпочтительно имеет геометрию цилиндра с овальным или круглым сечением.
Когда температура жидкости, содержащейся в бутылке, опускается ниже 50°С, бутылку в зоне вытяжки нагревают до высокой температуры. Нагрев зоны вытяжки приводит к уменьшению объема бутылки в результате усадки зоны вытяжки. Уменьшение объема бутылки в результате усадки компенсирует изменение объема жидкости и устраняет разрежение внутри упаковки.
В отличие от предложенного в предшествующем уровне техники этот нагрев трудно осуществить с помощью излучения, поскольку подача энергии является недостаточно быстрой, чтобы исключить значительный повторный нагрев жидкости.
Этап усадки требует интенсивной подачи энергии в течение очень короткого времени. Было обнаружено, что бутылку можно нагревать с помощью прямого огня, что обеспечивает быструю и воспроизводимую усадку зоны вытяжки. Поскольку внутренняя поверхность стенки бутылки контактирует с холодной жидкостью, наружную поверхность можно приводить в непосредственный контакт с огнем при очень высокой температуре в течение очень короткого времени. Также можно применять нагрев горячим воздухом.
По сравнению с предшествующим уровнем техники, было обнаружено, что бутылку следует нагревать симметрично, в противном случае бутылка теряет вертикальность, и ее окончательная геометрия не является воспроизводимой. Предпочтительно на этапе усадки бутылку вращают перед двумя источниками тепла, расположенными симметрично относительно оси вращения. Предпочтительно расстояние между стенкой бутылки и источником тепла является постоянным.
Перед этапом усадки геометрия зоны вытяжки предпочтительно образует равномерную выпуклую поверхность по окружности бутылки. Выпуклая поверхность имеет несколько преимуществ по сравнению с цилиндрической, конической или вогнутой поверхностью. Было обнаружено, что усадка выпуклой поверхности стабилизирует способ усадки и обеспечивает высокую воспроизводимость геометрии готовой бутылки. При невыпуклой зоне вытяжки в ряде случаев наблюдалась значительная разница в перпендикулярности между осью горлышка и дном бутылки.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается применение упаковки, более низкий уровень кристаллизации которой сам по себе не позволяет обеспечить стойкость к температуре наполнения. Термостойкость упаковки обеспечивается совместным действием уровня кристаллизации, геометрии упаковки и способа раздува и наполнения. Бутылка содержит зону вытяжки, уровень кристаллизации которой на 2% выше, чем уровень кристаллизации любой другой части бутылки, за исключением горлышка, если последнее кристаллизуется. Таким образом, бутылка имеет более плотную или более кристаллическую зону в зоне вытяжки. Эта зона обычно распределяется по окружности бутылки, таким образом, образуя кольцо более высокой плотности на боковой стенке бутылки.
Изобретение было описано в отношении бутылки, содержащей некристаллическое горлышко. Специалистам в данной области техники известно множество способов повышения термостойкости горлышка при высокой температуре наполнения для исключения его деформации. Применяемые для этого способы легко сочетаются с настоящим изобретением. Однако, против всяких ожиданий, было обнаружено, что геометрию более легкого горлышка, применяемого в настоящее время для упаковки для газированных напитков, можно успешно применять в соответствии с настоящим изобретением.
Бутылку, полученную способом изготовления и горячего наполнения, отличает от известных бутылок для горячего наполнения:
- малый вес;
- отсутствие компенсационных вставок;
- дно, стойкое к давлению;
- горлышко, которое может иметь уменьшенный вес;
- зона вытяжки, образующая кольцо повышенной кристалличности;
- положительное внутреннее давление после наполнения.
Положительное внутреннее давление после наполнения имеет многочисленные преимущества и, в частности, при хранении бутылок. Действительно, несмотря на низкий вес, эти бутылки обладают повышенной стойкостью к вертикальному сжатию, благодаря положительному давлению в упаковке. Следовательно, высота штабеля бутылок может быть увеличена. Положительное давление в бутылке после наполнения также проявляется при открывании бутылки потребителем. В бутылках, описанных в предшествующем уровне техники, после наполнения создается разрежение, и при открывании уровень жидкости в них понижается, тогда как уровень жидкости в бутылке, полученной в соответствии с настоящим изобретением, при открывании не изменяется или слегка повышается.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример
Бутылка емкостью 500 мл весит 24 грамма. Бутылка имеет лепестковое дно, тулово имеет цилиндрическую верхнюю зону малой толщины и выпуклую нижнюю зону вытяжки. Эта бутылка получена путем раздува в форме при температуре 12°С заготовки, нагретой до 100°С. Для формовки заготовок применен сополимер ПЭТ на основе терефталевой и изофталевой кислот (Cleartuf P85HF от компании M&G Polimeri, Италия). Бутылку хранили в течение 3 дней перед наполнением. Бутылку прополаскивали и наполняли при температуре 85°С в соответствии с протоколом наполнения, применяемым в производстве. После охлаждения бутылки верхняя зона деформировалась под действием разрежения в бутылке. Деформация верхней зоны привела к уменьшению объема бутылки, практически равному 3,5%. Затем выпуклую зону вытяжки нагревали прямым огнем в течение от 1 до 5 секунд, предпочтительно в течение 3 секунд. На этапе усадки бутылку вращали перед двумя диаметрально противоположными источниками огня. После усадки разрежение в бутылке было устранено; верхняя зона восстановила исходную геометрию, а исходно выпуклая зона вытяжки образовала цилиндрическую поверхность. Бутылка содержит зону вытяжки, имеющую уровень кристаллизации более 34%, тогда как уровень кристаллизации других частей бутылки меньше или равен 32%. Таким образом, бутылка имеет более плотную или более кристаллическую зону в зоне вытяжки. Эта зона обычно распределена по окружности бутылки, таким образом образуя кольцо повышенной плотности на боковой стенке бутылки.