СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПАКОВКИ ЖИДКОГО ПИЩЕВОГО ПРОДУКТА
METHOD AND DEVICE FOR PACKAGING LIQUID FOOD PRODUCT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области производства контейнеров, изготовленных из полимерного материала, главным образом, полиэстера, в частности, бутылок из полиэстера, предпочтительно из полиэтилентерефталата (ПЭТ), содержащих жидкость, предпочтительно воду, в частности, минеральную.
Уровень техники
Имеющиеся на рынке ПЭТ бутылки в течение многих лет обычно изготавливались выдувным формованием или растягивающим выдувным формованием путем растяжения заготовок из полиэтилентерефталата сжатым воздухом,
Обычно заготовка принимает форму цилиндрической тубы, закрытой на одном из ее концов и открытой на противоположном конце. Открытый конец заготовки соответствует горлышку контейнера. При традиционном способе изготовления контейнеров заготовки перемещают на цилиндрических держателях непрерывной конвейерной ленты, которая транспортирует заготовки через печь, образованную по существу граничащими с каждой стороны прямыми секциями из излучающих нагревательных устройств, чтобы обеспечить температурные условия для обеспечения пластичности перед последующим этапом растягивающего выдувного формования.
Затем нагретую заготовку удаляют и помещают в пресс-форму установки для выдувного формования. Перемещение, осуществляемое, например, манипулятором, согласовывают с перемещением установки для выдувного формования, обычно выполненной в виде вращающейся карусели, которая непрерывно вращается относительно своей вертикальной оси и по периферии несет комплект одинаковых пресс-форм. Заготовку помещают в пресс-форму непосредственно после раскрытия пресс-формы и удаления из нее ранее изготовленного контейнера.
Заготовку заблаговременно нагревают, чтобы она находилась в пресс-форме при температуре выше температуры стеклования (около 100°C) и ее можно было обрабатывать способом растягивающего выдувного формования. Температура заготовки в конце этапа нагревания с учетом охлаждения, которое происходит на пути между участками нагревания и выдувного формования, несколько выше требуемой температуры внутри пресс-формы выдувной установки. Благодаря одновременному наличию нескольких пресс-форм данная выдувная установка может выпускать контейнеры с очень высокой скоростью, примерно от 1000 до 2000 бутылок в час для одной пресс-формы, т.е. примерно несколько десятков тысяч единиц в час для всей установки.
Растягивающее выдувное формование осуществляют растяжением с помощью металлического стержня и подачей сжатого воздуха под давлением от 3 до 40 бар (3×105 Па - 4×106 Па). Воздух подается с помощью нагнетательной насадки, конец которой вводят в отверстие головки заготовки.
Бутылки, изготавливаемые путем ввода сжатого воздуха, имеют сравнительно хороший срок службы. Однако характеристики ПЭТ и присущие ему свойства, в частности, особенности его кристаллизации при растяжении, дают основание считать, что изменением процесса изготовления контейнера можно достичь лучших результатов. В частности, известно, что высокая степень кристаллизации улучшает механическую прочность.
Изобретение направлено на продление среднего срока службы контейнеров при нормальной транспортировке, размещении и потреблении, а также ускорение процесса промышленного производства за счет оптимизации этапов производства и минимизации потерь на линии.
Изобретение применимо предпочтительно к классу полиэстеров, в частности к полиэтилентерефталату.
Раскрытие изобретения
Объектом изобретения является способ подачи заданного объема напитка в термопластичный контейнер, образованный из расположенной в пресс-форме нагретой заготовки, например, по существу цилиндрической формы, включающий в себя этап, на котором впрыскивают по меньшей мере некоторое количество напитка в полость заготовки для содействия ее расширению внутри пресс-формы, которая определяет форму контейнера, и осуществляют продольное перемещение растягивающего стержня в течение заданного периода времени, обеспечивая продольное растяжение нагретой заготовки, при этом в конце заданного периода времени растягивающий стержень становится неподвижным, а объем находящегося в полости напитка превышает 50% от заданного.
Данный способ позволяет улучшить качество получаемых контейнеров. В основном необходимым условием предотвращения разрыва бутылки в пресс-форме является прекращение растяжения, когда поршень, осуществляющий наполнение бутылки, прошел более половины его полного хода.
Предпочтительно в конце заданного периода времени в полости находится объем напитка, составляющий более 75% от заданного.
Полученные данным способом контейнеры имеют значительно лучшие характеристики по сравнению с контейнерами, полученными традиционным способом растягивающего выдувного формования с использованием для их выдувания текучей среды в виде газа. В частности, установлено, что контейнеры данного веса, выполненные из данного материала, имеют больший срок службы. В частности, степень кристаллизации, т.е. масса кристаллизованной фазы по сравнению с массой полимера в материале, полученном способом согласно изобретению, значительно выше.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения перемещение и впрыск управляются программно-управляемым промышленным устройством.
Альтернативно, или в сочетании, перемещением и впрыском управляют с помощью кулачка.
Предпочтительно во время этапа предварительного нагревания заготовку нагревают до температуры, составляющей от 50°С до 130°С или даже от 75°C до 100°C.
Предпочтительно скорость растягивающего стержня, достигаемая во время упомянутого перемещения, составляет от 0,5 до 3,0 м/с или даже от 1 до 2,5 м/с.
Предпочтительно во время этапа впрыска температура напитка составляет от 1°C до 120°C или даже от 10°C до 90°C.
Предпочтительно относительное продольное растяжение заготовки, измеренное между началом и окончанием этапа впрыска, должно составлять от 2 до 5 или от 2,5 до 4.
Кроме того, согласно одному из вариантов осуществления изобретения радиальное относительное растяжение предварительной заготовки, измеренное между началом и окончанием этапа впрыска, составляет от 2 до 7 или даже от 3 до 4,5.
Следует подчеркнуть, что изобретение наиболее успешно используется в случае, когда термопластик выбран из группы, состоящей из полиэтилентерефталатов, полипропиленов, полиэтиленов, поликарбонатов, полистиренов, полимолочных кислот, поливинилхлоридов и их сочетаний.
Предпочтительно способ дополнительно включает в себя этап предварительного ввода газа для содействия расширению заготовки, так что объем заготовки достигает установленной доли, составляющей предпочтительно 70% от заданного объема.
Предпочтительно за этапом предварительного ввода газа следует этап впрыска напитка для содействия расширению заготовки до достижения ею заданного объема.
Это связано с тем, что воздух не способен так же, как напиток, охлаждать расширяющийся термопластик.
Таким образом, данная особенность способа позволяет обеспечить более стабильный процесс и более широкие возможности реализации такого способа.
Предпочтительно пресс-форму предварительно нагревают до температуры, по меньшей мере на 50°С меньшей точки плавления термопластика.
Кроме того, способ согласно изобретению может также включать в себя последующий этап установки на контейнере укупорочного колпачка.
В данном случае этап впрыска по меньшей мере некоторого количества напитка предпочтительно включает впрыск объема напитка, в который предварительно введен газ для создания избыточного давления в горлышке контейнера после установки укупорочного колпачка.
Наконец, согласно изобретению продольное перемещение стержня осуществляют с постоянной скоростью.
Для снижения рисков деформации горлышка заготовки впрыск осуществляют также через насадку с колоколообразной головкой.
Объектом изобретения также является устройство для подачи заданного объема напитка в термопластичный контейнер, образованный из расположенной в пресс-форме нагретой заготовки по существу цилиндрической формы, содержащее средство впрыска по меньшей мере некоторого количества напитка в полость заготовки для содействия ее расширению внутри пресс-формы, которая определяет форму контейнера, средство для продольного перемещения растягивающего стержня в течение заданного периода времени и для продольного растяжения нагретой заготовки, обеспечивающее в конце заданного периода времени неподвижное состояние растягивающего стержня, и средство, обеспечивающее, чтобы в конце упомянутого заданного периода времени объем находящегося в полости напитка составлял больше установленной доли, предпочтительно 50%, от заданного объема.
Предпочтительно данное устройство может содержать средства для осуществления соответствующих этапов способа, отдельно или в сочетании.
Изобретение поясняется чертежами, которые соответствуют примерам его осуществления.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано изменение параметров бутылки для минеральной воды при формовании ее известным способом;
на фиг.2 - шкала степени кристаллизации, используемая для способа согласно изобретению;
на фиг.3 - общая схема устройства;
на фиг.4 - изменение параметров бутылки для минеральной воды при ее формовании согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;
на фиг.5 - другая особенность изобретения.
Осуществление изобретения
Описываемый далее в качестве примера вариант осуществления изобретения относится к способу изготовления ПЭТ бутылок для минеральной воды из нагретой заготовки. Заготовка имеет форму цилиндрической тубы, закрытой на ее нижнем конце. Открытая головка заготовки соответствует сужению или горлышку бутылки, на которое навинчивают укупорочный колпачок.
На фиг.1 показано изменение во времени положения 1 растягивающего стержня и давления 2 воздуха в расширяемой заготовке в соответствии с одним из известных решений.
На данной фигуре по оси «х» отложено время, по оси «у» слева отложено линейное положение растягивающего стержня, а справа - давление воздуха в расширяемой заготовке.
На первой фазе 4 процесса, в частности между 50 мс и 275 мс, растягивающий стержень линейно перемещается приблизительно с постоянной скоростью.
f
На 320 мс после начала процесса (позиция 3) растягивающий стержень достигает своего конечного положения P и дальше не движется.
а
Во время первой части 4а первой фазы процесса давление 2 воздуха в заготовке, первоначально равное атмосферному давлению Р и остающееся таковым до 150 мс от начала процесса, возрастает до величины около 1,4 атм при значении 200 мс после начала процесса.
Во время второй части 4b первой фазы процесса, продолжающейся 100 мс, т.е. до 300 мс после начала процесса, давление остается постоянным.
Во время второй фазы 5 процесса давление быстро растет приблизительно с постоянной скоростью до 450 мс, когда оно достигает величины, равной около 8 атм.
С этого момента давление в расширяющейся заготовке слегка падает, оставаясь все еще на величине порядка 8 атм.
Кроме того, безотносительно к какой-либо научной теории известно, что заготовки из полиэстера являются аморфными и в то же время растяжение вызывает кристаллизацию и экзотермическую реакцию. Выделение тепла является губительным для развития кристаллизации.
Как показано на фиг.2, первое растяжение, осуществленное с помощью растягивающего стержня, вызывает кристаллизацию и выделение тепла, и в этот момент вводят несжимаемую текучую среду, которая поглощает выделенное тепло и смещает точку равновесия кристаллизации, полученной в конечном контейнере, к высоким значениям, предпочтительно между 30 и 35%.
Степень кристаллизации замеряют с помощью колонки для измерения плотности Ллойда-Давенпорта, работающей по следующему принципу. Колонку плотномера наполняют соляным раствором (нитрат кальция), имеющим градиент плотности. Колонка откалибрована с помощью шариков известной плотности между 1,335 и 1,455. Затем в колонку погружают небольшие кусочки контейнера, согласно изобретению, и после определенного времени они стабилизируются на определенной высоте колонки, соответствующей определенной плотности. Измерения выполняют при температуре 23°С. Цифровое табло показывает степень кристаллизации.
Как показано на фиг.3, растягивающий стержень 10 введен в пневматический привод 15. Управление растягивающим стержнем осуществляет двигатель, который обеспечивает его продольное перемещение (показано стрелкой).
Пневматический привод 15 содержит цилиндр 17, управляющий впрыскивающей головкой 18, через которую проходит растягивающий стержень 10. Впрыскивающая головка 18 соединена с горлышком 20 заготовки из ПЭТ, расположенной в пресс-форме (не показана), причем заготовка после расширения принимает форму бутылки для минеральной воды. Форма бутылки определена стенкой пресс-формы. Привод содержит три полости, причем две верхние полости 15а и 15b заполнены сжатым воздухом. Между этими двумя верхними полостями в направлении, параллельном растягивающему стержню (перемещение которого показано стрелкой), скользит стенка 19 поршня. Растягивающий стержень 10 проходит через центр данной стенки 19.
Пневматический привод также имеет боковое входное отверстие 30 для напитка (в данном случае минеральной воды), соединенное с третьей полостью 15с привода, которая является нижней. Напиток подают по трубопроводу 32.
Во входное отверстие для минеральной воды подается жидкость от дальнего конца трубопровода 32 в первый клапан 34, который соединен с входом однокамерного наполняющего цилиндра 40, содержащего поршень 42, управляемый соответствующим двигателем (перемещение которого показано стрелкой). Данный двигатель обеспечивает продольное перемещение поршня в камере наполняющего цилиндра 40.
На трубопроводе 32 имеется второй клапан 36, установленный по потоку после первого клапана 34 и входа наполняющего цилиндра 40. Далее трубопровод 32 входит в нижнюю полость 15с пневматического привода 15.
Через нижнюю полость 15с пневматического привода проходит цилиндр 17 для управления впрыскивающей головкой 18, внутренний объем которого выходит через нижнее выходное отверстие пневматического привода 15 во впрыскивающую головку 18. Управляющий цилиндр имеет боковое отверстие, допускающее перетекание напитка между нижней полостью привода и внутренним пространством управляющего цилиндра.
Растягивающий стержень 10 проходит через управляющий цилиндр 17 управления до наполняющей головки 18 и горлышка 20 заготовки бутылки.
На фиг.4 показано изменение во времени положения 101 растягивающего стержня и положения 102 наполняющего механизма, управляющего подачей минеральной воды в расширенную заготовку.
По горизонтальной оси отложено время, по левой вертикальной оси отложено положение растягивающего стержня, а по правой вертикальной оси отложен объем введенной в расширенную заготовку воды, который пропорционален положению наполняющего механизма.
На первой части процесса, от 0 до 250 мс, растягивающий стержень движется по существу с постоянной скоростью согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.
Однако согласно другому варианту осуществления изобретения во время первой фазы 110 процесса, в частности от 0 до 150 мс, растягивающий стержень, благодаря положительному ускорению, продвигается с увеличивающейся скоростью. Во время второй фазы 115 процесса, от 150 мс до 250 мс, растягивающий стержень продвигается с отрицательным ускорением, при этом скорость падает до нуля при 250 мс. Однако понятно, что для обеспечения нормального и надежного растяжения термопластика изменения скорости должны быть достаточно плавными.
f
На 250 мс после начала процесса (позиция 103) растягивающий стержень достигает своего конечного положения P, после чего он дальше не продвигается.
1
На этот же момент наполняющий механизм ввел в расширенную заготовку объем V минеральной воды. Введенный от начала процесса объем (следовательно, между 0 и 250 мс) непрерывно возрастал при непрерывном росте расхода (рост перемещения наполняющего механизма).
Во время следующих моментов, которые представляют третью фазу 120 процесса, вплоть до 320 мс, общий объем введенной воды постоянен, при этом скорость течения неизменна. Затем объем на периоде 400 мс неожиданно снижается на небольшую долю (около 4%).
2
С данного момента общий введенный объем стабилизируется около величины V, которая после нескольких колебаний, наконец, достигнута, при этом скорость течения вводимой жидкости равна нулю.
2
2
1
1
Через несколько мгновений, начиная от 450 мс после начала процесса (позиция 104), наполняющий механизм достигает конечного положения, из которого он больше не двигается. На этот момент он ввел в расширенную заготовку объем Vминеральной воды. Объем V больше V, но меньше двойного объема V.
При осуществлении способа с использованием описанного устройства температуру заготовки заблаговременно доводят до значения, равного от 50°C до 130°C или даже от 75°C до 100°C. В предпочтительном варианте осуществления изобретения данная величина составляет 85°C.
В целом, на основании того факта, что бутылка не разрывается в пресс-форме, она должна быть высокого качества.
Проведенные испытания показывают, что невозможно отформовать бутылку полностью, если она в конце активного растяжения физически не достигла 50% своего конечного объема
При осуществлении способа с использованием описанного устройства температуру заготовки заблаговременно доводят до значения, равного от 50°C до 130°C или даже от 75°C до 100°C. В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная температура составляет 95°C, а применяемый пластик представляет собой ПЭТ.
Стержень имеет скорость от 0,5 до 3,0 м/с или даже от 1,0 до 5 м/с. В предпочтительном варианте осуществления изобретения данная величина равна 1,6 м/с.
Температуру напитка предварительно доводят до величины от 1°C до 120°C, предпочтительно от 10°C до 90°C. В предпочтительном варианте осуществления изобретения данная величина равна 30°C.
Относительное продольное растяжение термопластика составляет от 2 до 5 или даже от 2,5 до 4. В предпочтительном варианте осуществления изобретения данная величина равна 3,5.
Радиальное относительное растяжение термопластика составляет от 2 до 7 или даже от 3 до 4,5. В предпочтительном варианте осуществления изобретения данная величина равна 4.
Термопластик выбирают из группы, состоящей из полиэтилентерефталатов, полипропиленов, полиэтиленов, поликарбонатов, полистиренов, полимолочных кислот, поливинилхлоридов и их сочетаний. В предпочтительном варианте осуществления изобретения применяют полиэтилентерефталат (ПЭТ).
Температура пресс-формы на по меньшей мере 50°C ниже температуры плавления термопластика, которая для ПЭТ равна 230°C. Предпочтительно температуру поддерживают ниже 100°C. В предпочтительном варианте осуществления изобретения температура пресс-формы равна температуре окружающей среды.
На фиг.5 показан колоколообразный наконечник 500 насадки согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Внутреннее и внешнее давления на каждой стороне по периферии горлышка заготовки (т.е. на внешних поверхностях 510 горлышка и на внутренних поверхностях 520 горлышка) идентичны, благодаря наличию внутри насадки прохода 505, соединяющего объемы с каждой стороны периферии. При наполнении герметизация обеспечена фланцем 530, расположенным на заготовке. Благодаря данному устройству нет риска деформирования горлышка заготовки при впрыске насадкой текучей среды под давлением.
Согласно другому варианту осуществления изобретения наконечник насадки удерживает внешние поверхности 510 горлышка заготовки так, что когда текучую среду впрыскивают под давлением через вершину насадки в полость заготовки, давление, оказываемое на внутренние стенки 520 горлышка заготовки, компенсируется удержанием стенками наконечника колоколообразной насадки. Таким образом, горлышко заготовки, несмотря на высокое давление, не деформируется.
Конечно, изобретение не ограничено представленными и проиллюстрированными с помощью чертежей вариантами его осуществления; кроме того, оно распространяется на все варианты, которые могут быть представлены специалистами в данной области техники в объеме формулы изобретения.