Полимерная композиция и способ получения пластмассовых бутылок в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования
Изобретение относится к полимерной композиции для получения пластмассовых бутылок в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования и способу получения пластмассовых бутылок. Пластмассовую бутылку получают вытяжкой на второй стадии, отделенной во времени и пространстве, после нагревания до температуры от 115°C до 135°C, из заготовки в процессе формования с раздувом и вытяжкой в осевом и радиальном направлениях из заготовки со средней толщиной стенок от 2,1 мм до 2,9 мм. Заготовку получают на первой стадии в процессе литья под давлением или в процессе литья под давлением с дополнительным вспрыском из полимерной композиции. При этом полимерная композиция содержит, по меньшей мере, 60 мас.% полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), имеющего плотность от 0,941 г/см3 до 0,965 г/см3 и первый индекс расплава при 190°C/2,16 кг от 0,1 до 0,9 г/10 мин, до 40% карбоната кальция в качестве наполнителя и до 4% красителя на основе оксида титана и/или сульфида цинка, причем полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) представляет собой моно- или мультимодальный ПЭВП, который имеет второй индекс расплава при 190°C/21,6 кг от 5 г/10 мин до 50 г/10 мин. Полученные пластмассовые бутылки имеют достаточную прочность, а также колебания толщины стенок меньше ±0,5 мм. 2 н. и 8 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к полимерной композиции для получения пластмассовых бутылок в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится также к способу получения пластмассовых бутылок в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования.
Большое число использующихся в настоящее время пластмассовых бутылок и аналогичных пластмассовых емкостей получают в процессе инжекционно-раздувного формования. При таком способе так называемую преформу, которая в большинстве выглядит как удлиненная трубка и имеет на одном продольном конце дно, а на другом продольном конце зону горлышка со сформированным участком резьбы или подобным, вводят в полость выдувной формы и раздувают с помощью избыточного давления вдуваемой среды. При этом преформа дополнительно вытягивается в осевом направлении введенным через горловое отверстие вытягивающим сердечником. После процесса вытягивания/раздува готовые пластмассовые бутылки извлекают из выдувной формы.
Одно- или многослойную преформу перед процессом инжекционно-раздувного формования получают в отдельном процессе литья под давлением или в процессе штамповки выдавливанием пластмассы. В так называемом одностадийном процессе инжекционно-раздувного формования преформу сразу после получения выдувают в форму пластмассовой емкости и вытягивают. Однако намного чаще пластмассовые емкости получают двухстадийным способом, отделенным во времени и пространстве от процесса инжекционно-раздувного формования, и хранят для позднейшего применения. В позднейшем процессе инжекционно-раздувного формования преформы снова нагревают, чтобы получить из них пластмассовые бутылки. Этим способом можно провести оба процесса: литье под давлением и раздув с вытягиванием, вести по отдельности и в оптимальном режиме. В процессе инжекционно-раздувного формования преформу доводят до требуемой температуры, например, инфракрасным облучением, и в процессе пластического формообразования вытягивают в осевом направлении вытягивающим стержнем и формуют с помощью избыточного давления в пресс-форме.
В качестве сырья для получения пластмассовых бутылок в процессе инжекционно-раздувного формования подходят, прежде всего, полипропилен или ПЭТ (полиэтилентерефталат). Полипропилен и ПЭТ многократно испытывались, и их свойства достаточно известны. Однако полипропилен из-за своей низкой жесткости имеет относительно плохие качества при верхней загрузке. Аналогично, характеристики ползучести у ориентированного полипропилена также неудовлетворительные.
Пластмассовые бутылки, которые получают в двухстадийном процессе, из-за обычно применяющегося ПЭТ и из-за своей широкой области применения создают большие трудности с потоком отходов на вторичное использование. А именно, пластмассовые сосуды, которые используются, например, как молочные бутылки, для вмещения косметики или для хранения чистящих средств, должны отделяться при рецикле, так как они нежелательны для прямого контакта с пищевыми продуктами. Но из-за плотности ПЭТ эти бутылки нельзя отделить способом разделения на фракции по плотности.
Поэтому по техническим и экономическим причинам было бы желательно, если бы в процессе инжекционно-раздувного формования было можно перерабатывать и другие подходящие для конкретной задачи полимерные материалы, например ПЭВП (полиэтилен высокой плотности). При этом ПЭВП и при малой толщине стенок имеет относительно высокую жесткость.
В процессе формования с раздувом и в одностадийном процессе инжекционно-раздувного формования применение ПЭВП, известное для процесса экструзионно-выдувного формования, в качестве сырья для получения пластмассовых бутылок уже является распространенной практикой. В двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования с обычными в нем высокими кратностями вытяжки ПЭВП до настоящего времени не применялся, так как недостаточное упрочнение ПЭВП вытяжкой либо совсем не позволяет получать бутылки, либо имеет следствием сильно неравномерный режим процесса получения пластмассовых бутылок или дает бутылки с неравномерным профилем толщины стенок. Эти проблемы в случае ПЭВП встречаются в принципе как при формовании с раздувом, так и в одностадийном процессе инжекционно-раздувного формования. Однако обходятся тем, что при выдувании преформам позволяют расширяться очень мало, чтобы смягчить проблемы с нестабильной толщиной стенок. Поэтому преформы, применяющиеся в процессе инжекционно-раздувного формования и в одностадийном процессе инжекционно-раздувного формования, уже имеют длину, которая лишь незначительно отличается от длины полученных бутылок. Соответственно, кратность продольной вытяжки составляет всего от 1 до 1,8. Кратность вытяжки по диаметру составляет от 1 до максимум 2,2.
Обычно на распределение материала при инжекционно-раздувном формовании можно влиять через вязкость применяемого сырья. Однако вязкотекучие сырьевые материалы, которые можно легко перерабатывать в процессе инжекционно-раздувного формования, очень часто имеют слишком высокую вязкость для процесса литья под давлением. Тем не менее сырьевые материалы, которые будут подходить для двухстадийного процесса инжекционно-раздувного формования, должны отвечать требованиям процесса литья под давлением для получения преформ и требованиям процесса инжекционно-раздувного формования, в котором из преформ получают пластмассовые бутылки.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создать полимерную композицию на основе ПЭВП, которая подходит для двухстадийного процесса инжекционно-раздувного формования. ПЭВП-композиция должна позволять безупречный процесс литья под давлением без растрескивания расплава, а с другой стороны должна позволять достаточное упрочнение вытяжкой в процессе инжекционно-раздувного формования. Далее, нужно разработать двухстадийный способ инжекционно-раздувного формования для обработки полимерной композиции согласно изобретению.
Эти задачи решены, согласно изобретению, полимерной композицией с отличительными признаками, приведенными в пункте 1 формулы изобретения. Изобретение решено также двухстадийным способом инжекционно-раздувного формования для получения пластмассовых бутылок, который имеет технологические этапы, перечисленные в независимом пункте формулы, относящемся к способу. Усовершенствования, а также выгодные и предпочтительные варианты осуществления изобретения являются объектом соответствующих зависимых пунктов.
Полимерная композиция согласно изобретению для получения пластмассовых бутылок в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования имеет в основе по меньшей мере 60% ПЭВП (полиэтилен высокой плотности), который имеет плотность от 0,941 г/см3 до 0,965 г/см3 и первый индекс расплава при 190°C/2,16 кг, измеренный согласно ISO 1133, от 0,1 до 0,9 г/10 мин, причем ПЭВП включает в себя мономодальный или мультимодальный ПЭВП со вторым индексом расплава при 190°C/21,6 кг от 5 г/10 мин до 50 г/10 мин, также измеренный согласно ISO 1133. Предпочтительно, полимерная композиция имеет первый индекс расплава при 190°C/2,16 кг около 0,3 г/10 мин и второй индекс расплава при 190°C/21,6 кг 30 г/10 мин, а также имеет бимодальное распределение.
Полимерная матрица, основанная на би- или мультимодальном ПЭВП, с одной стороны, оптимизирована для процесса литья под давлением (или для процесса штамповки выдавливанием), а с другой стороны, она также очень хорошо подходит для процесса инжекционно-раздувного формования. ПЭВП с выбранной плотностью может по существу без проблем обрабатываться в процессе литья под давлением. При этом, в частности, в процессе литья под давлением вязкость ПЭВП с низким молекулярным весом заботится о том, чтобы предотвратить растрескивание расплава. ПЭВП с более высоким молекулярным весом в основном ответственен за то, чтобы в процессе инжекционно-раздувного формования достигалось достаточное упрочнение пластмассы вытяжкой. Степени усадки, достижимые с полимерной композицией на основе мультимодального ПЭВП, вскоре после литья под давлением по существу соответствуют значениям для ПЭТ. Это позволяет в процессе литья под давлением применять литьевые формы, используемые для обработки ПЭТ. Это же справедливо для процесса инжекционно-раздувного формования, где имеющиеся выдувные формы, использующиеся для обработки ПЭТ, могут применяться и далее. Таким образом, переход с сырья ПЭТ на полимерную композицию на основе ПЭВП не обязательно имеет следствием капиталовложения в оборудование. ПЭВП-композиция согласно изобретению позволяет получить пластмассовые бутылки также в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования и при этом использовать преимущества ПЭВП, например его высокую непроницаемость для водяного пара по сравнению с ПЭТ и, соответственно, с пластмассовыми бутылками, сделанными из ПЭТ. Пластмассовые бутылки из ПЭВП-композиции согласно изобретению имеют при более низком весе значения прочности, сравнимые с прочностью бутылок из ПЭТ. Меньший вес означает меньшее потребление сырья и тем самым меньший расход нефти и сбережение ресурсов, а также снижение выбросов CO2. Это делает применение полимерной композиции согласно изобретению на основе ПЭВП выгодным как с экономической, так и с экологической точки зрения. Полимерная композиция, полученная в основном на основе би- или мультимодального ПЭВП, имеет плотность от 0,941 г/см3 до 0,965 г/см3. Таким образом, пластмассовые бутылки, сделанные из полимерной композиции, можно очень просто отсортировать из потока ПЭТ по их плотности, например, способом всплытия-опускания.
Из экономических соображений в полимерную композицию можно также добавлять до 40% карбоната кальция, чтобы снизить количество необходимого полимерного материала.
Один вариант осуществления изобретения содержит по меньшей мере 90% ПЭВП. Из экономических соображений этот вариант осуществления полимерной композиции может также содержать, в качестве наполнителя, до 10% карбоната кальция, и/или талька, и/или смесь полимеров, подходящих для процесса выдувания. Добавка этого типа наполнителей изменяет плотность и реологические свойства лишь в очень ограниченной степени, так что параметры обработки можно почти не корректировать или нужно корректировать лишь несущественно. Равным образом, добавление наполнителей в указанных количествах лишь в незначительной степени влияет на достижимые значения прочности пластмассовых бутылок, получаемых в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования.
Для получения непрозрачных пластмассовых бутылок в полимерную композицию может добавляться от 0,1% до 4% красителя на основе оксида титана и/или сульфида цинка.
ПЭВП, входящий в полимерную композицию согласно изобретению, включает в себя би- или мультимодальный ПЭВП с первым индексом расплава при 190°C/2,16 кг от 0,1 г/10 мин до 0,9 г/10 мин. Далее, в качестве характеристического действует второй индекс расплава при 190°C/21,6 кг, измеренный согласно ISO 1133, от 5 г/10 мин до 50 г/10 мин. Предпочтительно, полимерная композиция имеет первый индекс расплава при 190°C/2,16 кг около 0,3 г/10 мин и второй индекс расплава при 190°C/21,6 кг 30 г/10 мин, а также имеет бимодальное распределение.
С одной стороны, полимерная матрица на основе ПЭВП оптимизирована для процесса литья под давлением (или для процесса штамповки выдавливанием), а с другой стороны, она также очень хорошо подходит для процесса инжекционно-раздувного формования. При этом, в частности, в процессе литья под давлением вязкость ПЭВП с низким молекулярным весом обеспечивает предотвращение растрескивания расплава. ПЭВП с более высоким молекулярным весом в основном ответственен за то, чтобы в процессе инжекционно-раздувного формования достигалось достаточное упрочнение пластмассы вытяжкой. Степени усадки, достижимые с полимерной композицией на основе мультимодального ПЭВП, вскоре после литья под давлением по существу соответствуют значениям для ПЭТ. Это позволяет в процессе литья под давлением использовать литьевые формы с обработки ПЭТ. Это же справедливо для процесса инжекционно-раздувного формования, где также выдувные формы, имеющиеся для обработки ПЭТ, могут также применяться и дальше. Таким образом, переход с сырья на основе ПЭТ на полимерную композицию на основе ПЭВП не обязательно имеет следствием капиталовложения в оборудование.
В способе согласно изобретению для получения пластмассовых бутылок в двухстадийном процессе инжекционно-раздувного формования сначала в процессе литья под давлением или в процессе штамповки выдавливанием из полимерной композиции получают преформу, из которой на втором, отделенном во времени и/или пространстве, технологическом этапе в процессе инжекционно-раздувного формования получают пластмассовую бутылку. При этом преформу вытягивают, или ориентируют, в осевом и радиальном направлениях. В способе согласно изобретению перерабатывается полимерная композиция, содержащая в основе по меньшей мере 60% ПЭВП с плотностью от 0,941 г/см3 до 0,965 г/см3 или с индексом расплава при 190°C/2,16 кг, измеренным согласно ISO 1133, от 0,1 до 0,9 г/10 мин.
Кроме того, в одном варианте способа предусматривается, чтобы использовались полимерные композиции, модифицированные согласно описанным выше усовершенствованиям.
Применение полимерных композиций согласно изобретению на основе ПЭВП позволяет провести "нормальный" двухстадийный процесс инжекционно-раздувного формования, в котором полученную из сырья преформу вытягивают в достаточной степени по оси и радиусу, чтобы придать образованным пластмассовым бутылкам требуемые значения прочности.
Чтобы при получении преформы избежать чрезмерно высоких давлений литья и больших времен пребывания полимерной композиции в литьевой форме, преформу получают с отверстием впрыска, имеющим диаметр от 2 мм до 5 мм. Давление литья в горячем канале составляет между 200 бар и 2000 бар.
В одном варианте способа получают преформу со средней толщиной стенок от 2,1 мм до 2,9 мм. При этой толщине стенок преформу в процессе инжекционно-раздувного формования можно достаточно быстро и равномерно довести до требуемой температуры обработки, и желательных высоких скоростей обработки можно достичь без снижения качества в том, что касается прочности или соблюдения размеров.
Один вариант изобретения предусматривает нагревание преформы для обработки процесса инжекционно-раздувного формования до температуры от 115°C до 135°C. В частности, более низкие температуры сами по себе для ПЭВП нетипичны. Однако особая полимерная композиция на основе ПЭВП делает возможными эти диапазоны температур, в которых текучесть ПЭВП является особенно регулярной, и в соответствии с этим можно также выдувать пластмассовые емкости более сложной формы при требуемом качестве. При этом оказывается целесообразным, если преформу для дальнейшей переработки в выдувной форме нагревают до температуры обработки примерно 125°C. Это осуществляется, например, с помощью инфракрасного излучения.
Чтобы полученные пластмассовые бутылки достигали как можно более высоких значений верхней нагрузки, один вариант способа предусматривает, чтобы преформа в процессе инжекционно-раздувного формования вытягивалась по оси с кратностью осевой вытяжки от 1,8 до 3,2 и, таким образом, получала высокую прочность.
Без упрочнения вытяжкой слабо вытянутые области бутылки были бы очень толстостенными, а те области бутылки, которые вытянуты очень сильно, были бы очень тонкостенными. Упрочнение вытяжкой выбранного ПЭВП позволяет существенно снизить этот эффект и подтянуть материал из толстых мест бутылки в углы и края. Таким образом, возможно получение овальных бутылок из ПЭВП с отношением ширины к глубине 1-3, что, например, в случае пластмассовых бутылок для косметических приложений или для чистящих средств позволяет получить заметно более овальные бутылки.
Скорость осевого вытягивания выбирается в диапазоне от 0,8 м/с до 2 м/с, чтобы, с одной стороны, достичь как можно более коротких времен цикла для производственного процесса, а с другой стороны, гарантировать, что вытяжной сердечник не проткнет по оси преформу, нагретую до температуры обработки.
Чтобы полученные пластмассовые бутылки имели достаточную прочность и в направлении окружности, в одном варианте изобретения стремятся вытянуть преформу в процессе инжекционно-раздувного формования радиально с кратностью по диаметру от 2,4 до 3,6.
Собственно процесс выдувания в процессе инжекционно-раздувного формования целесообразно осуществлять с давлением предварительного раздува 1 бар - 5 бар и с давлением основного раздува от 5 бар до 15 бар. Это позволяет получить быстрые производственные циклы при одновременно щадящей обработке сырья.
Преформу в процессе инжекционно-раздувного формования выдувают и вытягивают по оси таким образом, чтобы выдутая круглая бутылка имела колебания толщины стенок, которые меньше ±0,5 мм. При таком малом диапазоне колебаний толщину стенок пластмассовых бутылок можно еще больше оптимизировать, не опускаясь ниже допустимых минимальных толщин, которые необходимы для требуемой осевой и радиальной прочности бутылок из ПЭВП. Благодаря этому можно сэкономить сырье. Сниженный расход сырья означает меньшее потребление нефти, сбережение ресурсов, а также снижение выбросов CO2. Все это делает применение полимерной композиции согласно изобретению на основе ПЭВП и оптимизированного для нее двухстадийного процесса инжекционно-раздувного формования желательным как с экономической, так и с экологической точек зрения.
1. Полимерная композиция для получения пластмассовых бутылок двухстадийным формованием с раздувом и вытяжкой из заготовки, которая получена со средней толщиной стенок от 2,1 мм до 2,9 мм на первой стадии в процессе литья под давлением или в процессе литья под давлением с дополнительным вспрыском из полимерной композиции, затем на второй стадии, отделенной во времени и пространстве, после нагревания до температуры от 115°C до 135°C, из заготовки в процессе формования с раздувом и вытяжкой в осевом и радиальном направлениях получена пластмассовая бутылка, при этом полимерная композиция содержит, по меньшей мере, 60 мас.% полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), имеющего плотность от 0,941 г/см3 до 0,965 г/см3 и первый индекс расплава при 190°C/2,16 кг, измеренный согласно ISO 1133, от 0,1 до 0,9 г/10 мин, до 40% карбоната кальция в качестве наполнителя и до 4% красителя на основе оксида титана и/или сульфида цинка, причем полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) представляет собой моно- или мультимодальный ПЭВП, который имеет второй индекс расплава при 190°C/21,6 кг, измеренный согласно ISO 1133, от 5 г/10 мин до 50 г/10 мин.
2. Полимерная композиция по п.1, отличающаяся тем, что доля ПЭВП составляет по меньшей мере 90%.
3. Полимерная композиция по п.2, отличающаяся тем, что она в качестве наполнителя содержит 0-10% карбоната кальция, и/или талька, и/или смеси полимеров, подходящих для процесса выдувания.
4. Полимерная композиция по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что она содержит ПЭВП с первым индексом расплава при 190°C/2,16 кг примерно 0,3 г/10 мин и вторым индексом расплава при 190°C/21,6 кг 30 г/10 мин, а также имеет бимодальное распределение.
5. Способ получения пластмассовой бутылки в двухстадийном процессе формования с раздувом и вытяжкой, в котором на первой стадии в процессе литья под давлением или в процессе литья под давлением с дополнительным впрыском из полимерной композиции получают заготовку, и на второй стадии, отделенной во времени и пространстве, из заготовки в процессе формования с раздувом и вытяжкой получают пластмассовую бутылку, причем заготовку вытягивают в осевом и радиальном направлениях, отличающийся тем, что перерабатывают полимерную композицию на основе, по меньшей мере, одного бимодального ПЭВП по одному из пп.1-4, при этом заготовку получают со средней толщиной стенок от 2,1 мм до 2,9 мм, а перед обработкой полимерной заготовки путем формования с раздувом и вытяжкой на второй стадии ее нагревают до температуры от 115°C до 135°C.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что заготовку получают с точкой впрыска, которая имеет диаметр от 2 мм до 5 мм, и отливают в горячем канале под давлением между 200 бар и 2000 бар.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что заготовку в процессе формования с раздувом и вытяжкой вытягивают по оси с кратностью продольной вытяжки от 1,8 до 3,2.
8. Способ по п.5, отличающийся тем, что скорость осевого вытягивания составляет от 0,8 м/с до 2 м/с.
9. Способ по п.5, отличающийся тем, что заготовку в процессе формования с раздувом и вытяжкой вытягивают радиально с кратностью по диаметрам от 2,4 до 3,6.
10. Способ по п.5, отличающийся тем, что заготовку в процессе формования с раздувом и вытяжкой раздувают и вытягивают по оси таким образом, чтобы раздутая бутылка по своей окружности (за исключением углов и кромок) имела колебания толщины стенок меньше чем ±0,5 мм.
