塑料容器的制作方法

发明领域

本发明涉及根据权利要求1的上位概念的由预成型件拉伸吹制的塑料容器、根据权利要求11的用于制造由预成型件制成的塑料容器的方法，以及根据权利要求22的上位概念的共聚酯用于制造预成型件的用途。

现有技术

从现有技术中已知具有整体设计的把手的管和容器(把手容器)，其由塑料制成。为了制造管或把手容器，该塑料必须是可焊接的。因此，管和把手容器通常由hdpe(高密度聚乙烯)制造，因为hdpe可以容易地焊接。然而，hdpe的阻挡性能如此差，尤其是对于氧气而言，以使得这些容器通常不适合包装食品。通过多层结构，hdpe的阻挡性能可以被提升到食品所需的程度，然而，多层结构在塑料再循环过程中是不希望的，因为其使得再循环过程复杂，或在某些情况下使得再循环变得不可能。

在管的情况下使用焊缝，以在管用填充物填充之后密封背离管头部的管端部。在把手瓶的情况下，例如通过吹制成型制造该容器的原型。从吹制成型的容器上切出或冲出抓握通孔，并且该抓握通孔在其周边上被焊接。由此，该容器具有把手，该把手具有焊接且相应密封的抓握通孔。

希望的是，管和把手容器可由pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)制造，因为pet容器由于pet对氧气的良好阻挡性能而制造为单层容器并且可在食品领域中使用。此外，pet容器可以被设计成高度透明的，这通常出于包装时的设计原因是希望的。由pet制成的容器通常被拉伸(形成拉伸结晶或通过拉伸的结晶)，因为它们通常根据拉伸吹制法由预成型件制成。拉伸过程导致材料的部分结晶。然而，拉伸的部分结晶的pet差，因此不可充分可靠地焊接。这尤其适用于“标准”pet。在本专利申请的范围内，具有根据astmd4603的0.72至0.88dl/g的粘度和低于4重量%(重量百分比)的共聚物含量的pet应被理解为“标准”pet。

尽管使用pet特殊形式，例如具有“长链支化”的pet来制造把手容器。然而，这些pet的特殊形式是昂贵的，再循环性受限，仅可在昂贵的特殊机器上进一步加工，并且不总是具有所需的阻挡性能。

拉伸的pet在室温下处于冻结、预加应力的状态，并且在加热到高于玻璃化转变点时收缩。这种移动趋势使得拉伸的pet的焊接变得困难，因为各种移动都干扰焊接过程。因此，必须通过保持装置防止待焊接的部件收缩，以便不能相对彼此并且相对于焊接冲头移动。pet部件的保持导致在焊缝内的“冻结”应力，其可削弱焊缝并且可为应力开裂的起始点。

在pet的玻璃化转变点(tg)和熔点(tm)之间的热处理还导致不希望的进一步结晶现象。结晶表面不良地相互粘附。在tg和tm之间的标准pet的焊接不够强，不足以承受管或把手容器的常见载荷。

在超过tm下焊接时，使pet的拉伸区域更强、更柔韧和更有抵抗力的拉伸结晶的所需性能完全破坏。通过在超过tm下熔化，将可以制造稳定的焊接接头，但是拉伸或拉伸结晶和因此分子定向被取消。这意味着，在超过tm下加热之后，焊缝是无定形或球形结晶的。对于这两种情况而言适用的是，在如此结晶的pet的区域中的焊缝比在低于tm的温度下制成的拉伸pet的焊缝更脆，因此不适合于柔性包装。

发明目的

因此，本发明的目的是展示由共聚酯制成的拉伸吹制的塑料容器，其具有拉伸容器的优点并且尽管如此，其壁仍然能够通过焊接接头而连接，该焊接接头承受塑料容器的常见载荷。这尤其适用于管或把手容器，因为在其制造时通常不可放弃焊接接头。此外，尤其应提供适用于灌装食品并且尽管如此也可良好再循环的管。

描述

通过权利要求1的特征部分中所述的特征，在由预成型件拉伸吹制的塑料容器的情况下实现所提出的目的。扩展方案和/或有利的实施变体是从属权利要求的主题。

本发明的特征在于，所述容器由共聚酯制成，拉伸的容器主体的壁在所述至少一个焊缝的区域中相对于未拉伸的容器颈部的壁具有大于6:1的拉伸比，并且拉伸的容器主体在所述至少一个焊缝的区域中在完成焊接之后相对于未拉伸的容器颈部具有小于0.06g/cm³的密度增加。

在本申请的范围内，拉伸应被理解为是指预成型件的壁的表面朝着容器主体的壁的表面的双轴膨胀。

在本申请的范围内，焊接接头或焊缝应理解为是指将表面不可松开地且在使用热和压力的情况下相互连接的接头。

本发明使得能够通过满足制造材料的特定性能、在焊缝区域中的特定拉伸比以及在焊缝区域中的特定密度增加而使由预成型件拉伸吹制的塑料容器上的开口可利用焊缝令人惊讶地良好且牢固地连接。通过使拉伸的容器主体在焊接区域中的密度增加保持为低于0.06g/cm³，结晶保持为低于40%。密度随着结晶而成比例地增加，因此可以用作结晶的量度。通过预成型件的拉伸和此外通过焊接时或焊缝制造时的球形结晶而实现密度增加或结晶增加。在遵循所要求保护的密度增加时，焊缝足够柔性并且不脆。如果由拉伸引起的结晶量度不变得太高，则所要求保护的高拉伸比不会导致脆的焊缝。为了获得稳定的塑料容器，追求高拉伸比。容器主体的材料可良好地焊接，并且焊缝通过用于检验柔性和稳定性的常见载荷测试。由共聚酯制成的塑料容器不需要另外的阻挡层以具有足够的氧气阻挡。因此，该容器可良好地再循环，因为它由单一类型的共聚酯构成。

在本发明的一个特别优选的实施方案中，共聚酯是具有4重量%至10重量%的共聚物含量的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)，其中共聚物是间苯二甲酸、二乙二醇、呋喃二甲酸、丙二醇或丁二醇。通过4重量%至10重量%的共聚物含量的比例，虽然大于6:1的拉伸比非常高，但结晶量度可保持为低于20%。所述容器具有pet的良好氧气阻挡，可以是透明的，可以单一类型再循环，并且其材料可以良好焊接。该材料可以在低于熔点时非常好地焊接，由此在焊接期间在焊缝区域中不丧失pet由拉伸获得的定向。

在本发明的另一个特别优选的实施方案中，共聚酯是具有低于5重量%的共聚物含量的聚呋喃二甲酸乙二醇酯(pef)，其中共聚物是对苯二甲酸、间苯二甲酸、二乙二醇、丙二醇、螺二醇或丁二醇。在pef的情况下，发现低于5重量%的共聚物含量也是可能的，因为pef缓慢结晶。因此，在具有降低的聚合物含量的pef的情况下，低于20%的结晶是可能的，尽管拉伸比大于6:1。所述容器具有pef的所有优点，特别是良好的可再循环性和由可再生原料制造的可能性。此外，该容器的材料可以在低于熔点时非常好地焊接。

已证明有利的是，拉伸的容器主体在至少一个焊缝的区域中在焊接前相对于未拉伸的容器颈部具有小于0.03g/cm³的密度增加。所要求保护的密度增加对应于低于20%的结晶。在密度增加小于0.03g/cm³的情况下，共聚酯可以在低于熔点时非常好地焊接。受控的密度增加可以通过共聚物含量，尤其pet或pef的共聚物含量来控制。

要注意的是，结晶度的明确测定是困难的并且取决于所选择的测量方法。用于测定聚合物中结晶度的最常用方法是密度测定、量热法(dsc)、x射线衍射、红外光谱或核磁共振谱。因此，对于本申请的目的而言应适用的是，0.03g/cm³的密度增加对应于20%的结晶度，并且0.06g/cm³的密度增加对应于40%的结晶度。

本发明的特征还优选在于，所述容器是具有管颈部和与管颈部相对的管端部的管，其中出口布置在管颈部的区域中，并且第二开口布置在管端部的区域中，并且第二开口通过焊缝密封。本发明使得管能够由基于pet或pef的共聚酯制成，并且尽管如此仍然具有稳定的焊缝，该焊缝通过常见的载荷测试。所述管适合于包装食品，因为pet或pef具有良好的氧气阻挡并且可以良好地再循环，因为pet或pef是单一类型的并且所述管材料不含另一阻挡层。

在本发明的另一个优选实施方案中，所述容器具有被设计具有抓握通孔的整体把手，其中焊缝界定所述抓握通孔，这通过该焊缝将邻接所述抓握通孔的第一和第二壁端部相互连接来实现。本发明使得能够由优选基于pet或pef的共聚酯制造把手容器，该把手容器在抓握通孔周围具有稳定和致密的焊缝。该把手容器适合于包装食品，例如奶或果汁，因为pet或pef具有良好的氧气阻挡，并且可以非常好地再循环，因为pet或pef是单一类型的，并且容器材料不含另一阻挡层。

也可能的是，所述塑料容器和尤其是把手容器是透明的并且由此随时可识别料位。

适宜的是，在5mm的长度下，焊缝承受至少100n的拉力，其中该拉力基本垂直于焊缝定向。焊缝的这种强度使得焊缝能够是足够稳定的，以便尤其在管或把手容器中封闭和密封开口。焊缝是可承受机械载荷的并且在使用该容器期间既不变脆也不会渗漏。

本发明的特征还优选在于，所述容器为了简化再循环过程而被设计为单层形式。由于pet或pef具有良好的氧气阻挡，因此该容器优选不含充当阻挡层或子层的其它层。该容器是单一类型的且本身可简化地再循环。

适宜的是，用于制造该容器的pet或pef在至少30%的比例上是生物基制成的。由此，该塑料容器可以至少一部分地由可再生原料制成。对于使用pef制造，这可以是例如果糖或葡萄糖。替代地，也可以是至少30%的再生物比例。

在本发明的另一个优选实施方案中，所述容器的第二开口在高于共聚物的玻璃化转变温度(tg)和低于其熔点(tm)的温度范围中封闭以形成焊缝。在该温度范围中选择焊接温度导致足够稳定的焊缝，因为壁密度在焊接之前在焊缝区域中低于0.03g/cm³，因此不形成过强结晶。可以避免高于tm的焊接温度，这带来很大的优点，即不丧失由拉伸获得的材料性能。此外，在高于tm下加热之后，焊缝以无定形或球形形式冷却。对于两种情况而言适用的是，如此结晶的pet比拉伸的pet更脆，并且因此不适合于柔性包装。

本发明的另一个方面涉及用于制造由预成型件制成的塑料容器的方法，其中所述预成型件由共聚酯制成并且在拉伸吹制法中拉伸。该方法具有以下制造步骤：

-对预成型件进行拉伸吹制，其中至少在制造焊缝的区域中使预成型件的壁相对于未拉伸状态分别增大至至少6倍，并且使壁的密度在拉伸区域中增大最高0.03g/cm³，

-将拉伸的壁彼此压在一起，和

-在所述共聚酯的玻璃化转变温度与熔点之间的焊接温度下焊接所述壁以形成焊缝。通过遵循低于0.03g/cm³的密度增加和tg与tm之间的焊接温度，可以制造稳定的焊缝，甚至在大于6:1的拉伸比下。

通过焊接使壁的密度在焊缝区域内增大最高0.06g/cm³，确保了焊缝不脆或易碎。因此，焊接参数，如温度、保持时间、加热速度和冷却速度应这样选择，以使得在焊缝区域中不超过所要求保护的密度增加。

已经证明有利的是，在容器上设计具有抓握通孔的整体把手，并且焊缝界定该抓握通孔，这通过该焊缝将邻接所述抓握通孔的壁相互连接来实现。由此，可由优选基于pet或pef的共聚酯制造把手容器。该把手容器可用于灌装食品，因为它具有足够的氧气阻挡。

在本发明的另一个优选实施方案中，在彼此压在一起和焊接之前，分离出或切出容器的一部分，由此形成开口，并且该开口在共聚酯的玻璃化转变温度与其熔点之间的焊接温度下封闭以形成焊缝。由此，该容器可通过开口填充并且可以在填充之后通过焊缝封闭。用于贯通抓握或握住容器的其它开口也可以在其周边上被焊接，由此该容器在切出开口之后又密封。

被证明有利的是，将壁保持在焊接温度的焊接时间为1至6秒。由此，壁被加热足够长的时间，以便牢固地相互粘附并且以便制造足够稳定且柔性的焊缝。

优选的是，将壁在第一和第二焊接夹具之间相互焊接，其中作用到壁上的挤压力为50和50000n/cm2。通过挤压力的该范围可以在壁之间制造足够牢固的粘附，其中避免了削弱焊缝的密度增加。

关于焊接过程的另一参数是，优选在冷却温度下打开焊接夹具，该冷却温度低于玻璃化转变温度。根据现有技术，迄今还没有成功地制造用于连接这种容器的壁的足够牢固的焊缝。

优选的是，所述共聚酯是具有4重量%至10重量%的共聚物含量的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。通过该组成，在基于pet的共聚酯的情况下在拉伸后的密度增加可以保持为小于0.03g/cm³，或结晶可以保持为低于20%，尽管壁相对于未拉伸状态拉伸至超过6倍。这些参数导致焊接的壁足够牢固地相互粘附。

优选的是，所述共聚酯是具有低于5重量%的共聚物含量的聚呋喃二甲酸乙二醇酯(pef)。通过该组成，在基于pef的共聚酯的情况下在拉伸后的密度增加可以保持为小于0.03g/cm³，或结晶可以保持为低于20%，尽管壁相对于未拉伸状态拉伸至超过6倍。这些参数导致焊接的壁足够牢固地相互粘附。

有利地，为了制造管，预成型件在相应的吹制模具中拉伸吹制，在脱模之后切出与管颈部相对的封闭的管端部，该管任选地通过在切出管端部时产生的第二开口用填充物填充，并且第二开口通过焊接来封闭。由此以令人惊讶的方式实现了管的制造，尽管其开口根据现有技术不可焊接，因为管在标准方法中拉伸吹制并且由优选基于pet或pef的共聚酯制成。该管适用于灌装食品，因为其具有足够的氧气阻挡并且可以单一类型再循环，因为其不含附加的阻挡层。

本发明的另一方面涉及用于在根据上述说明由共聚酯制成的一个塑料容器或由共聚酯制成的多个塑料容器的拉伸的壁之间制造接头的方法。涉及壁焊接的上述参数和涉及该容器或共聚酯的上述性能使得能够制造用于连接拉伸的壁的足够稳定的焊缝。

本发明的再一方面涉及共聚酯用于制造预成型件的用途，以便由该预成型件在拉伸吹制法中制造容器，其中该容器具有容器主体和连接到其上的具有出口的容器颈部，并且其中该容器具有通过焊缝封闭的第二开口。

本发明的特征在于，所述共聚酯是具有4重量%至10重量%的共聚物含量的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)，或所述共聚酯是具有低于5重量%的共聚物含量的聚呋喃二甲酸乙二醇酯(pef)。该共聚酯的这些组成使得密度增加在完成拉伸吹制法之后保持为小于0.03g/cm³，由此结晶可以保持为低，并且壁相应地可良好地相互焊接。

在本发明的一个特别优选的实施方案中，所述容器的表面在所述至少一个焊缝的区域中相对于预成型件的表面具有大于6:1的拉伸比，并且该容器主体在所述至少一个焊缝的区域中在焊接之后相对于预成型件主体具有小于0.06g/cm³的密度增加。这种低密度增加导致在焊缝区域中的结晶保持为低于40%，并且焊缝不易碎或不脆，而是第二开口足够致密且牢固地封闭。

在本发明的另一个优选实施方案中，所述共聚酯是具有4重量%至10重量%的共聚物含量的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)，其中该共聚物是间苯二甲酸、二乙二醇、呋喃二甲酸、丙二醇或丁二醇。

在本发明的另一个优选实施方案中，所述共聚酯是具有低于5重量%的共聚物含量的聚呋喃二甲酸乙二醇酯(pef)，其中该共聚物是对苯二甲酸、间苯二甲酸或二乙二醇、丙二醇、螺二醇或丁二醇。

所述共聚物的选择可以用于使该容器具有其用途所需的特定材料性能。该容器的壁保持可焊接，这通过遵循所要求保护的共聚物含量来实现。

其它优点和特征由下面参照示意图的本发明的两个实施例的描述得出。在非真实比例的图中：

图1示出了由预成型件制造管的4个方法阶段；

图2示出了由预成型件制造具有把手的塑料容器的图；

图3示出了用于确定塑料容器上的焊缝的抗拉强度的第一个样品类型的图，以及

图4示出了用于确定在塑料容器上的焊缝的抗拉强度的第二个样品类型的图。

本发明涉及塑料容器。该塑料容器优选是管11或具有被设计为整体的把手15的容器(把手容器13)。该容器具有至少一个焊缝17并且由预成型件19拉伸吹制。塑料容器(管11、把手容器13)包括容器主体21和连接到容器主体21上的容器颈部23。该容器主体21具有壁25，该壁包围空腔27。该容器颈部包围出口29。通过出口29可以取出灌装在塑料容器中的填充物。

本发明令人惊讶地实现了，所述容器的第一和第二壁端部39a、39b或第二开口40可足够牢固地焊接，从而焊缝17通过预定的强度测试。尽管该容器由预成型件19根据标准拉伸吹制法制成并且由共聚酯组成。由此，可以由优选由pet或pef构成的预成型件将管11或把手容器13拉伸吹制，其壁端部必须被焊接或第二开口必须被焊接。

在标准拉伸法中，将预成型件19装入吹制模具31中，其中容器颈部23保留在吹制模具31的外部。预成型件19具有预成型件主体20和预成型件颈部22。预成型件通常在装入吹制模具31中之前被加热到必要的加工温度。通过出口29，吹气喷枪移入预成型件19中，该吹气喷枪将预成型件19在轴向方向上以一定程度拉伸。然后，用通过吹气喷枪吹入的气体将预成型件吹制，并且进一步在径向和轴向上拉伸，直至壁25抵靠吹制模具31。在所制造的容器冷却之后，可以将其从吹制模具31中取出。容器颈部31也可以具有外螺纹33，由此可以将具有对应内螺纹的封闭帽拧到容器颈部23上。

为了能够通过焊缝17连接壁端部39a、39b或为了能够通过焊缝17封闭第二开口40，该容器的拉伸吹制材料必须具有特定性能。否则，焊缝17不能满足尤其对灌装食品的容器所提出的强度要求。

第一和第二壁端部可在共聚酯的玻璃化转变温度tg与其熔点tm之间焊接。在低于玻璃化转变温度时，不能制造焊接接头，因为这些温度太低。在高于熔点时，通过拉伸预成型件19达到的强度性能丧失。这包括丧失的拉伸结晶。此外，焊缝17在超过tm时加热之后以无定形或球状结晶的形式冷却。对于这两种情况而言适用的是，如此结晶的pet比拉伸的pet更脆，并且因此不适合于柔性包装。拉伸结晶应理解为是指拉伸可以使分子彼此靠近，以使得它们可以彼此建立分子间的相互作用。这些相互作用建立了分子之间的粘附，这使得容器更牢固、更柔韧和更能承受载荷。在高于玻璃化转变温度时，共聚酯的焊接是可能的，因为由于产生的链移动性，在该温度范围内可以在部分结晶区之间形成分子纠缠或与分子的粘附。

如果所述容器主体的壁相对于预成型件主体20的壁拉伸至至少6倍，则共聚酯在上述温度范围内的焊接导致足够牢固的焊缝17。应理解的是，这种拉伸比必须特别存在于焊缝17的区域中。

为了使焊缝17在冷却后具有足够的稳定性，在焊接前在焊缝17的区域中的拉伸结晶不允许超过20%。与下面定义的焊接条件组合，可以防止焊缝的材料具有超过40%的结晶并且不脆。这可以通过该共聚酯中的共聚物比例具有特定值来实现。在pet的情况下已经发现，4重量%至10重量%的共聚物比例特别适合于将结晶(结晶度)保持为低。在pef的情况下，低于5重量%的共聚物比例是特别合适的。

因为0%和100%的结晶是理想化的，在本申请的范围内，代替结晶而列举密度增加的值而不是结晶，因为提高的结晶伴随着提高的密度。在此，将预成型件主体20的密度与容器主体21或未拉伸的容器颈部23的密度进行比较。20%的结晶对应于相对于预成型件主体20或未拉伸的容器颈部23的0.03g/cm³的容器主体密度增加。即，没有容器颈部23的容器主体21的密度相对于没有预成型件颈部23的预成型件主体20的密度增加0.03g/cm³。40%的结晶(焊缝材料低于该值)对应于相对于预成型件主体20或未拉伸的容器颈部23的0.06g/cm³的密度增加。

为了确定最佳的焊接条件以便制造耐用且不脆的焊缝17，从拉伸的容器主体21的壁25上切出壁样品35。样品35在其相对的端部具有12mm的宽度。在样品35的中间，宽度逐渐减小到5mm。样品35因此具有一种骨骼形状。在样品的中间，将其横向于纵向延伸彼此切开。将两个所产生的样品部分利用焊缝17再次连接。改变用于制造焊缝的参数，以优化焊缝17的强度。除了焊接时间ts的持续时间、焊接温度ts和冷却温度tc的大小之外，焊缝种类也变化。在图3中示出了对接形状（stossförmig）的焊缝17，而在图4中示出了搭接的焊缝17。对接形式的焊缝具有最大的剥离载荷，并且搭接的焊缝具有最大的剪切载荷。

在制造焊缝17之后，对壁样品35进行抗拉试验，其中将端部夹紧在抗拉装置中。在此，焊缝相对于抗拉方向以90度+/-5度定向。当其承受100n拉力时，对接形式的和搭接的焊缝17都足够牢固。从抗拉装置以100mm/min的纵向速度向壁样品施加拉力。

如上面已经进一步阐述的那样，焊接温度ts产生焊缝17的足够强度，该焊接温度处于玻璃化转变温度tg与其熔点tm之间。对于共聚物pet，该温度范围为170℃至220℃。对于pef和共聚pef，该温度范围为120℃至210℃。对于其中焊接夹具通过密封温度ts焊接第一和第二壁端部的密封时间ts，3s被证明是最佳的。其中焊接夹具再次打开的冷却温度tc低于tg。焊接夹具在第一和第二壁端部上的挤压力优选为50至50000n/cm²。

在图1中示出了由预成型件19制造管11。将预成型件装入吹制模具中，其中预成型件颈部22保持在吹制模具的外部。在对所制造的塑料容器如上所述进行拉伸、吹制以及取出之后，容器具有底部或管端部37，其不再必需。管端部37被切掉并且因此也可以被理解为“丧失的”管端部。在此形成第一和第二壁端部39a、39b，它们通过焊缝17持久地相互连接，或第二开口40通过焊缝17封闭。通常，管11可以在通过焊缝17封闭之前用填充物填充。丧失的管端部通常在企业内部再循环。

焊缝17根据上述焊接参数制造。载荷测试已经表明，焊缝17承受住将管11从2m的高度以焊缝落下。在焊缝17通过具有30mm直径的管进行20次弯曲之后，焊缝17始终仍然是密封的。焊缝的弯折也不导致焊缝的渗漏。因此，这种管11满足了现有技术的管必须满足的载荷要求。

在图2中示出了由预成型件19制造把手容器13。在如上所述根据标准拉伸吹制法制造容器之后，在容器中切割或冲压出抓握通孔41。在此，形成第一和第二壁端部，它们包围所述抓握通孔或第二开口。为了使把手容器沿着该抓握通孔重新密封，第一和第二壁端部必须相互焊接以形成焊缝17，或第二开口必须封闭。为了使焊缝17足够稳定，在遵循上述焊接参数的情况下制造该焊缝。

图例：

11塑料容器、管

13塑料容器、把手容器

15把手

17焊缝

19预成型件

20预成型件主体

21容器主体

22预成型件颈部

23容器颈部、管颈部

25容器的壁

27空腔

29出口

31吹制模具

33外螺纹

35壁样品

37底部，管端部

39a、39b第一和第二壁端部

40第二开口

41抓握通孔。