JP5058825B2 - 延伸ブロー成形によって容器を形成するプロセス、及びそのプロセスによって形成される容器 - Google Patents

Description

飲料品、食料品、洗濯及び家庭用洗浄製品、シャンプー、及びその他パーソナルケア製品などの消費財は一般に、ボトルなどの様々な形状の容器中に詰められる。ボトルは、輸送中及び使用中の破損を防ぐために一定の機械的特性を備え、更に消費者にあるレベルの美的な魅力を提供する必要がある。消費者には、透明で光沢のある容器が好まれることが多い。

ボトルに非対称の横断面を有することを求められることもある。一体型ハンドルなどの非対称特性は、金型可動部による二次延伸を必要とする場合がある。

１９８９年１２月２０日に公開されたＥＰ−Ａ−０ ３４６ ５１８には、一体型ハンドルを備えた非対称ボトルを製造するための射出延伸ブロー成形プロセスが開示されている。しかしながら、このプロセスでは、ブロー金型の内壁との接触時に、予備成形物の材料の温度をそのガラス転移温度未満に下げる必要がある。

しかしこのプロセスでは、金型の壁との接触時に予備成形物の材料が完全に凝固し、これ以降更なる延伸又は変形が制限される。移動する金型インサートによって製造されたハンドルを備えたものを含む、非対称度の高い容器の製造中には、最大限に延伸するキャビティ領域を完全に充填するために、予備成形物は金型の壁との初接触以降も引き続き延伸する必要がある。この二次延伸は、前記特許では行われない。

本発明のプロセスでは、成形キャビティ内で予備成形物を延伸し、ブロー成形することによって容器を形成し、このプロセスは
（ｉ）前記成形キャビティに予備成形物を挿入し、延伸ロッドで前記予備成形物を延伸する工程、
（ｉｉ）ブロー工程において前記成形キャビティ内で前記予備成形物が伸張するように、前記予備成形物内部の圧力を上昇させる工程、
（ｉｉｉ）金型の内向き可動部によって、伸張する前記予備成形物を変形させるように、前記金型キャビティの内の少なくとも１つの金型部を内向きに移動させる工程、を含み、
前記予備成形物の材料のガラス転移温度（Ｔｇ）が、前記成形キャビティの壁の温度よりも少なくとも１０℃低い。

工程（ｉ）及び（ｉｉ）は任意の順序で行っても、同時に行ってもよい。

本発明は更に、延伸ブロー成形容器であって、熱可塑性ポリオレフィンの壁を備え、前記熱可塑性ポリオレフィンのガラス転移温度が３０℃未満、好ましくは１５℃未満、及びより好ましくは５℃未満であり、容器の非対称度が、少なくとも１．５であることを特徴とする容器、を提供するものである。

本発明のプロセスでは、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）などの熱可塑性のポリオレフィンの予備成形物を使用することが好ましい。特に好ましい予備成形物の材料は、Ｔｇが０℃〜−２５℃であるランダムコポリマーポリプロピレンである。このような予備成形物の材料では、超低温（２〜３℃）から高温（８５℃）までのあらゆる標準的な金型条件を使用でき、更に予備成形物材の冷却及び固結が可能であるが、金型の壁との接触後もＴｇを超える温度が維持され、更なる延伸が可能である。

最も好ましい実施形態では、前記予備成形物の材料は延伸−硬化挙動も示さず、ブロー金型の異なる領域への非対称分布が更に可能である。

本明細書において「延伸ブロー成形」は、予備成形されるパリソンが、押出成形、射出成形、又は圧縮成形によって製造され、ブロー金型への挿入前に、ブロー温度に冷却、室温に冷却して再加熱、又はこれら２つを組み合わせて、最終容器を成形させるプロセスである。本明細書において「延伸ブロー成形容器」は、前記のプロセスによって製造する容器である。

最も一般的な予備成形物の製造プロセスは射出成形であり、それ故このプロセスは「射出延伸ブロー成形」又は「ＩＳＢＭ」と呼ばれる。従来、透明性が高く、光沢のある容器は、射出延伸ブロー成形によってポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で作製されている。しかし、ポリプロピレンにＩＳＢＭを用いると、同一材料で押出ブロー成形した容器と比較して、容器の剛性、落下強度、圧縮強度、光沢、及び透明性を大幅に向上させる。

本明細書において「ガラス転移温度」又は「Ｔｇ」は、ポリマーの非晶質領域が、脆いガラスのような状態から、弾性のある可撓性形態に転換する温度である。

本明細書において「横断面の非対称性」は、ボトルの横断面に関して定義されるものであり、ボトルの所定の底と概ね平行な横断面が、ボトルを立てた状態でボトルの底の上の少なくともある高さにおいて非対称であることである。典型的には、ボトルには、ボトルの底に対して概ね垂直な長軸があり、横断面はこの長軸に対して垂直な平面内にあるボトルの輪郭である。横断面の非対称度は、予備成形物の材料が完成品の最終位置に延伸移動するこの横断面内における最短距離と最長距離との比率として確定される。好ましくは非対称度は少なくとも１．５である。

ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）などの熱可塑性ポリオレフィンから製造する容器は、従来、押出ブロー成形プロセスで製造される。このようなプロセスでは、溶融ポリエチレン及びポリプロピレンのパリソンを外側の金型の形状にブローする。これらの熱可塑性材料の流動性は、成形キャビティ内の固定挿入部の周囲を流れ、一体型ハンドルを形成できる程度である。しかし、ポリエチレンの押出ブロー成形によって作製した容器は、透明性が低く、ポリプロピレン容器は、透明性が低又は中程度であり、一般に衝撃強度は低い。

ＰＥＴに関して、材料の均一分配を抑止する非常に大きな要因は、ガラス転移温度（Ｔｇ）である。ＰＥＴのガラス転移温度は約７０〜７５℃であり、ＰＶＣのガラス転移温度はやや高い８０℃である。この温度は、典型的なブロー温度（約１００〜１１０℃）よりも低く、ブロー金型が保持される典型的な温度（通常５〜２５℃）よりも高い。これらの温度は、材料が金型の壁に接触するとほぼすぐにこの材料のＴｇ未満に落ちることを意味し、材料は完全に凝固し、更に流れることはない。接触以降は限定的な延伸が発生する（表面上のごくわずかな平行なスクラッチとして見られる）が、これは数ミリ程度のものであり、それ以上ではない。高延伸（長軸）よりも先に低延伸領域（短軸）と接触することは不可避であるので、非常に非対称的な容器をブローする場合にはこの凝固状態は不都合であり、材料はこの最初の接触後に著しく更に再分配されることが理想的である。一体型ハンドルを製造する場合、材料は金型の可動部によって分配され、接触後の材料の延伸及び移動が不可欠であるので、ＰＥＴは理想的な材料ではない。

ＰＥＴ又はＰＶＣなどの材料のＴｇは非常に高く、非常に高温の金型を使用する必要があるので、本発明のプロセスでの使用には概して不適切である。本発明では、成形キャビティの壁の温度は６０℃未満であることが好ましい。

対称な予備成形物を製造し、次にその全体を均一に加熱する場合、非対称的な最終ボトルのデザインでは、予備成形物が一部の方向へ他の方向よりも更に延伸する必要があるので、壁の厚さに大きなばらつきが生じる。これらの壁が薄い部分では、最終ボトルの圧縮強度及び衝撃強度が大幅に低減する。

ＰＥＴボトルを使用する際に広く行われている１つの解決策は、予備成形物に選択的再加熱を導入することである。このプロセスでは、材料がひずみ硬化挙動を示す必要がある。ひずみ硬化を示す材料は、特定温度で一定のひずみを与えると、引っ張り係数が急増する。この増加は配向結晶化によるものであり、ＰＥＴでは特に顕著である。結果として、設定した内部圧力の下で（予備成形物を制約する金型を使用せずに）予備成形物をフリーブローすると、予備成形物は硬化する前に一定量伸張し、自然延伸比と呼ばれる比率で停止する。反対に、ひずみ硬化を示さない材料の予備成形物には自然延伸比がないので、壁が薄くなりすぎて破裂するまで伸張を続ける。大部分の高分子材料は、ひずみを与えると、単純に分子配向のために弾性率の増加を示し、一部の予備成形物の形状及び圧力では、自然延伸値を特定できることもある。しかし、これは真のひずみ硬化と混同すべきではなく、結果として生じるフリーブローは非常に不安定である。

選択的加熱において、ブロープロセスで小さく延伸する予備成形物の領域は、大きく延伸する領域よりも多く加熱される。これらの領域において結果として生じる温度の上昇は、材料の延伸に必要な抵抗力を低減させ、自然延伸比も増加させる。従って、ブロー圧力の下で材料は素早く、更に延伸し、これらの部分の壁を薄くし、より大きく延伸する領域に材料を再分配する。結果として得られるボトルは、その外辺部全体の壁の厚さがより均一である。

選択的再加熱は、ＰＥＴの延伸硬化挙動、及び温度によって変化する自然延伸比に依存している。この特性はプロセスの安定性において非常に有効であるが、ポリプロピレンなど、ＩＳＢＭに使用される多くの他の材料では示されない。従って、ＩＳＢＭにおけるＰＰの使用は主として円筒形容器に限定されており、ホモポリマーＰＰで選択的加熱を使用する試みがこれまでに行われてきたが、延伸硬化の欠如は、プロセスを効果的でない、不安定なものにするので、商品化されていない。材料を非対称に分配できる方法が存在しないために、ＰＰのデザインは対称（縦横比１．５未満）である傾向にあった。この比率よりも高いボトルでは、望ましい壁の厚さの分配がなされないからである。

しかし、ＰＥＴが示す自然延伸比の長所は、ごく限られた領域が隣接する他の領域よりも大幅に延伸する場合、例えば一体型ハンドルを備えたボトルなどボトルに非常に高い非対称性が求められる場合には、短所となる。選択的加熱によって達成できる延伸比のばらつきは、必要な延伸の非対称性を達成するには不十分であり、材料はキャビティを充填できずに「ロック」するか、延伸ヘイズを示すか、又は破裂する。

この二次再分配、特に金型部を移動させることを伴うプロセスの場合には、低圧のプリブローとそれに続く高圧の「仕上げ」ブローから成る二段階のブロープロセスを使用することも重要である。予備成形物は、最初のプリブロー圧によって大きく（通常、最終ブロー容積の８０〜９０％まで）伸張できるが、（隅など）高延伸領域は充填しない。結果として、これらの領域では最低限の凝固が発生し、高圧ブローによってキャビティが最終的に充填される前の金型の作動中に、更なる延伸を容易に達成できる。反対に、単一段階のプロセスでは、材料が金型のすべての部分に分配されて凝固し、二次延伸を大幅に低減させる。同様に、単一段階のブロー中の予備成形物の伸張における特定の時点に一致する金型部のタイミング動作は、非常に不確かである。

本発明の特に好ましいプロセスは、２つの工程（第１のブロー工程及び好ましくはその直後に行われる第２のブロー工程）を含む。第１のブロー工程では、成形キャビティ内で内向き可動つめ（moving jaws）が、伸張する予備成形物を部分的に保持し、溶解させる。つめの内向き動作は第１のブロー工程で完了する。第１のブロー工程で予備成形物内に加える圧力は、０．１ＭＰａ（１バール）〜１ＭＰａ（１０バール）、好ましくは０．３ＭＰａ（３バール）〜０．８ＭＰａ（８バール）である。その後予備成形物内部に加える圧力は、第２のブロー工程で増加する。第２のブロー工程において、圧力は１ＭＰａ（１０バール）超、好ましくは最大圧力が１．２ＭＰａ（１２バール）〜２ＭＰａ（２０バール）である。

次に、容器を金型から取り出す。必要に応じて、直火、二次赤外線、音波溶接、レーザー溶接（例えばＣＯ２、Ｎｄ：ＹＡＧ，又は高出力ダイオードレーザー）、超音波、回転、高周波、又は高い効果を得るために添加剤又は充填材を必要とする方法を含むその他の標準的な方法、を使用して、追加の溶接工程が実行される。次にこの溶接部分を機械的鍛造、レーザー切断、又は熱間鍛造など様々な可能な技法で除去する。これは、溶接プロセスに引き続いて、並行して、又はその一部として、行うことができる。

本発明の第１の実施形態では、予備成形物の材料は、金型の壁との接触後に再分配される。

本発明の別の実施形態では、材料の再分配は逆選択的加熱及び／又は非対称の予備成形物によって促進させる。

１）逆選択的加熱：標準的な選択的加熱は、低延伸領域に対応する領域の予備成形物の温度の増加である。金型の壁との接触後に再分配されるＴｇの低い材料は、このプロセスは逆にされて、低延伸領域の温度を低下させるべきである。理論に束縛されるものではないが、このプロセスは恐らく表面効果によって引き起こされる。ブロー温度では、ＰＰなどＴｇの低いオレフィンは溶解温度に非常に近く、予備成形物の表面は柔らかく、軽いべたつき感があり、変形しやすい。温度が僅かに低下することによってこの効果は弱まり、低圧のプリブロー中に金型の壁と接触した時の表面の密着性が低下する。これによって、材料が表面をより容易に滑って移動でき、これらの領域から高延伸領域へと更に分配できる。この滑り効果は、金型の当該表面をテフロン（Teflon）（登録商標）などのスリップ剤でコーティングすることによって更に促進できる。この効果を生じさせるために必要な予備成形物の領域間の温度差は１０℃未満、好ましくは０．５〜２℃である。

２）非対称の予備成形物：選択的加熱が広く用いられているが、ＩＳＢＭ成形での楕円形予備成形物の使用が確立している。調節機能を伴う（ただし選択的加熱機能ではない）一段階のプロセスでは、高延伸領域に対応する薄い部分に非対称の予備成形物を使用する。これは、薄い部分が厚い部分よりも早く冷却され、対応する高重量にもかかわらず、選択的加熱と同様の効果を与えるからである。ただし、標準的な選択的加熱手法が適さない非延伸硬化材では、高延伸領域に対応する厚い部分を作製するための楕円形のコア部を備えた予備成形物が非常に有益である。

Claims (14)

1. 成形キャビティ内で予備成形物を延伸し、ブロー成形することによって容器を形成するプロセスであって、
   （ｉ）前記成形キャビティに予備成形物を挿入し、延伸ロッドで前記予備成形物を延伸する工程、
   （ｉｉ）ブロー工程において前記成形キャビティ内で前記予備成形物が伸張するように、前記予備成形物内部の圧力を上昇させる工程、
   （ｉｉｉ）金型の内向き可動部によって、伸張する前記予備成形物を変形させるように、前記金型キャビティ内の少なくとも１つの金型部を内向きに移動させる工程、
   を含み、
   前記予備成形物の材料のガラス転移温度（Ｔｇ）が、前記成形キャビティの壁の温度よりも少なくとも１０℃低く、
   前記成形キャビティの壁の温度が、６０℃未満であり、
   前記容器の非対称度が、少なくとも１．５であり、
   前記予備成形物の材料が、熱可塑性ポリオレフィンであり、そのガラス転移温度（Ｔｇ）が５℃未満である、ことを特徴とする、プロセス。
2. 前記予備成形物の材料が、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はそのコポリマーから選択された熱可塑性ポリオレフィンである、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記予備成形物の材料が、ポリプロピレンを含むランダムコポリマーであり、前記ランダムコポリマーのＴｇが、０℃〜−２５℃である、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記予備成形物の一部分の温度が、少なくとも他の一部分とは異なっており、この温度差が０．５℃〜１０℃である、請求項１に記載のプロセス。
5. 大きく延伸する前記予備成形物の部分の温度が、小さく延伸する前記予備成形物の部分の温度よりも高い、請求項４に記載のプロセス。
6. 前記予備成形物が小さく延伸する前記金型の表面が、スリップ材でコーティングされている、請求項１に記載のプロセス。
7. 前記予備成形物が、非対称である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. 前記予備成形物の内部、中空横断面が、非円形、好ましくは楕円形である、請求項７に記載のプロセス。
9. 前記容器の非対称度が、少なくとも２である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプロセス。
10. 前記容器が保持用のハンドルを備える、請求項９に記載のプロセス。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のプロセスによって得られる延伸ブロー成形容器であって、熱可塑性ポリオレフィンの壁を備え、前記熱可塑性ポリオレフィンのガラス転移温度が５℃未満であることを特徴とする、容器。
12. 前記熱可塑性ポリオレフィンが、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はそのコポリマーから選択される、請求項１１に記載の容器。
13. 前記熱可塑性ポリオレフィンが、ポリプロピレンを含むランダムコポリマーであり、そのＴｇが、０℃〜−２５℃である、請求項１２に記載の容器。
14. 前記容器が更にハンドルを備える、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の容器。