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Die Erfindung betrifft einen thermoplastischen
Behälter, der mit einem Deckel abgedichtet bzw. verschlossen
ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen
thermoplastischen Behälter, der mit erhitzten Produkten gefüllt und mit
einem Deckel verschlossen werden kann ohne unannehmbare
Verformung beim Abkühlen.
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Es ist aus der U.K.-Beschreibung Nr. 1 367 338
bekannt, becherförmige oder kappenförmige Gegenstände aus einer
Bahn oder einem Blatt aus einem thermoplastischen Material
wie beispielsweise Polypropylen herzustellen. Solche
Gegenstände können auch aus Blöcken oder Barren aus den gleichen
Materialien gebildet werden. Das Verfahren umfaßt das
Einführen eines dünnen Blattes oder eines Blockes aus dem
thermoplastischen Material im Festphasenzustand, d.h. unter dem
kristallinen Schmelzpunkt, zwischen einen Formungsstopfen und
eine hohle Form, die eine Endöffnung hat, das Bewegen des
Formungsstopfens in die Formöffnung mit dem Blatt, um den
gedehnten oder gestreckten Teil des Blattes in die Form zu
tragen, und das Einführen eines Druckfluids in den gedehnten
oder gestreckten Teil des Blattes, um den Gegenstand in der
Form zu formen. Das obige Verfahren ist besonders geeignet
zum Herstellen von becherförmigen oder kappenförmigen
Gegenständen aus Polypropylen und es wird mit beträchtlichem
wirtschaftlichen Erfolg angewendet.
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Es ist bekannt, daß nach dem Füllen und
Verschließen eines nachgiebigen Körpers wie beispielsweise eines
thermoplastischen Behälters, der aus einem solchen becherförmigen
oder kappenförmigen Gegenstand hergestellt worden ist, ein
Bestreben für seine Seitenwände besteht, sich unter gewissen
Bedingungen nach innen zu verformen oder zu vertiefen. Diese
Verformung der Seitenwände ergibt sich aus dem
Druckunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des
Behälters, und diese Abweichungen können durch verschiedene
physikalische oder chemische Bedingungen hervorgerufen werden.
Beim Verpacken von Nahrungsmitteln werden verschiedene
Materialien
einschließlich Fluiden, wie Säfte, Sirupe, Salatöle
u. dgl., oftmals auf höhere Temperaturen gebracht, bevor sie
in thermoplastische Behälter eingebracht werden. Es ist
gefunden worden, daß eine bemerkenswerte Tendenz für solche
Behälter besteht, sich gemäß obiger Beschreibung nach innen zu
verzerren bzw. zu verformen. Wenn beispielsweise heißgefüllte
Behälter abkühlen gelassen werden, nimmt der Innendruck
allmählich ab, wodurch der äußere Atmosphärendruck bewirkt, daß
die Behälterwände sich nach innen vertiefen oder in anderer
Weise teilweise zusammenfallen. Dieser Umstand macht die
Behälter für den Letztverbraucher unannehmbar.
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Abgesehen von den Problemen, die solchen
heißgefüllten Behältern zugeordnet sind, gibt es andere zugehörige
Verpackungssituationen, bei denen chemische Reaktionen
merkbare Verringerungen in den Druckunterschieden des Behälters
hervorrufen, was zu einer Bildung von Vertiefungen oder einer
Verformung der Seitenwände führt. Wenn beispielsweise
Schmieröl oder Motorenöl in einem Kunststoffbehälter verpackt
und verschlossen wird, finden chemische Reaktionen statt
zwischen den verschiedenen Kohlenwasserstoffbestandteilen und
irgendeinem Restsauerstoff, beispielsweise Luft, wodurch
bewirkt wird, daß der Gesamtdruck in dem Behälter sich
verringert. Mit diesem Druckabfall ergibt sich eine
Einwärtsverformung der Seitenwände, um die Verringerung des Innendrucks
auszugleichen. Auch hier sind, wie die heißgefüllten
Behälter, die Behälter für den Letztverbraucher unannehmbar.
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Abgesehen von einem unerwünschten Aussehen verliert
der Behälter an Knickfestigkeit und Seitenwandsymmetrie, was
ein Problem darstellt beim Stapeln der Behälter für Lagerung,
Ausstellung u. dgl. Da die Verringerung des Drucks nicht
immer praktisch vermieden werden kann, schafft die vorliegende
Erfindung eine Behälter/Deckel-Konfiguration, bei welcher ein
Teil des Deckels des Behälters ausreichende Biegsamkeit hat,
um eine Verformung beim Abkühlen zu verhindern, während
gleichzeitig eine wirksame Sauerstoffsperre geschaffen ist,
um den Behälterinhalt gegenüber der Atmosphäre zu schützen.
Die Erfindung betrifft einen Behälter, der mit
einem Deckel abgedichtet ist, wobei jeder aus einem Laminat aus
Propylenäthylencopolymer und, als Sauerstoffsperrenmaterial,
aus Äthylenvinylalkoholcopolymer gebildet ist und wobei der
Deckel einen Flansch, der an dem Behälter angebracht ist, und
einen ausgenommenen mittleren Teil aufweist, der einen
Biegebereich umfaßt, welcher nahe der Außenkante des mittleren
Teils mit einer erhabenen Rippe versehen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke des Biegebereiches kleiner ist als
diejenige des Restes des Deckels und höchstens 15 x 10&supmin;&sup6; m
beträgt, wodurch ein Druckunterschied zwischen dem
Behälterinhalt und der Atmosphäre von 4,82 kPa ein Biegen des
mittleren Teils des Deckels hervorruft, welches ausreichend ist,
wenigstens 6 x 10&supmin;³ l des Kopfraumes in dem Behälter zu
verdrängen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in
den Fig. 1 bis 4 dargestellt.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht des Deckels gemäß der
Erfindung, welche darstellt, wie der Deckel sich biegt, um
ein Paneellieren bzw. Bilden von Vertiefungen zu verhindern.
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Fig. 2 stellt die Position des mittleren Teils des
Deckels vor und nach dem Abkühlen der Flüssigkeit in dem
Behälter dar.
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Fig. 3 stellt einen Deckel dar, der gemäß der
Erfindung ausgeführt ist und eine Tülle umfaßt.
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Fig. 4 stellt einen Deckel dar, der gemäß der
Erfindung ausgeführt ist und eine andere Art einer Tülle
umfaßt.
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Es sind drei Hauptmerkmale eines Deckels vorhanden,
welche die Funktionalität des Deckels als Verschluß für einen
thermoplastischen Behälter beeinflussen. Diese sind
Abdichtbarkeit, Sauerstoffsperre, wenn dies für die Anwendung
erforderlich ist, und Ansprechen auf Vakuum oder Unterdruck, d.h.
die Fähigkeit des Deckels, ein Paneellieren, d.h. Bildung von
Vertiefungen, zu vermeiden.
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Abdichtbarkeit bedeutet einfach, daß die
Materialien des Deckels mit dem thermoplastischen Behälter
verträglich
sind und an dem thermoplastischen Behälter abgedichtet,
vorzugsweise hermetisch abgedichtet, werden können. Bei
vielen Anwendungen sind heutzutage die Behälter aus Polypropylen
gebildet. Daher ist das für die äußere Lage des Deckels
ausgewählte Material ein Propylenpolymer wie beispielsweise ein
Copolymer aus Propylen und Äthylen, weil diese Copolymere
einen niedrigeren Biegemodul (0,91 GPa) als homopolymeres
Polypropylen (1,26 GPa) haben.
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Viele Anwendungen erfordern, daß der Behälter und
der Deckel ausgezeichnete Sauerstoffsperreneigenschaften
haben. Für viele regalstabile Lebensmittelprodukte beträgt die
maximal zulässige Menge an Sauerstoffübertragung 10 bis 40
Teile je Million O&sub2; je Jahr oder 0,003 ml je Deckel und je
Tag. Daher ist ein Sauerstoffsperrenmaterial in dem Deckel
gemäß der Erfindung vorhanden, welches ein Copolymer aus
Äthylen und Vinylalkohol ist.
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Wie oben angegeben, umfaßt die Erfindung einen
thermoplastischen Deckel, der dazu vorgesehen ist, als ein
Verschluß für Behälter verwendet zu werden, die heiß
eingefüllte Produkte enthalten wie beispielsweise Saft oder
Apfelmus. Bei einer Ausführungsform umfaßt der Deckel eine
Gießtülle, die über das Niveau des ausgenommenen mittleren Teils
erhöht ist und eine abdichtbare Öffnung hat, um Zugang zu dem
Inhalt des Behälters zu ermöglichen. Wenn diese Ausführung
verwendet wird, kann weniger Kopfraum verdrängt werden, da
der ausgenommene Abschnitt des Behälters kleiner ist als er
wäre, wenn keine Tülle vorhanden wäre.
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Der Unterdruck bzw. das Vakuum in dem Behälter wird
hervorgerufen durch die Kondensation der heißen Gase in dem
Kopfraum nach dem Heißeinfüllen. Da die Wände des Behälters
aus relativ biegsamem thermoplastischen Material gebildet
sind, bewirkt der Unterdruck bzw. das Vakuum in dem Behälter,
daß die Seiten des Behälters sich ausbuckeln bzw.
paneellieren. Da der innere Unterdruck in dem Behälter proportional zu
dem Kopfraumvolumen ist, ist ersichtlich, daß das
Paneellieren bzw. Ausbuckeln verringert werden kann durch Verringerung
des Kopfraumes.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird die
Verringerung des Ausmaßes des Kopfraumes auf zwei Weisen erzielt. Als
erstes ist der mittlere Teil des Deckels ausgenommen bzw. mit
einer Ausnehmung versehen, um den inneren Kopfraum zu
verringern. Zusätzlich ist in dem Deckel ein Biegebereich
verringerter Dicke gebildet. Der Biegebereich ist gegenüber den
Kräften, die durch den inneren Unterdruck hervorgerufen
werden, weniger widerstandsfähig als die Seiten des Behälters.
Daher wird der Biegebereich des Deckels nach innen gezogen,
um einen gewissen Teil des Kopfraumes in dem Behälter zu
verdrängen, bevor die Wände des Behälters beginnen zu
paneellieren.
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Der Deckel gemäß der Erfindung verbiegt sich beim
Ansprechen auf einen Druckunterschied derart, daß ein
Paneellieren des Behälters vermieden ist. Der Mechanismus, durch
welchen der Deckel sich bewegt, ist eine Kombination aus
Balgen und Membran, die in dem Deckel gebildet ist. Aus Fig. 1
ist ersichtlich, daß der Deckel 10 einen Biegebereich 12 hat,
der eine erhabene Rippe 14 nahe der Außenkante des oberen
oder mittleren Teils 16 des Deckels 10 aufweist. Der
Biegebereich 12 ist dünner als der übrige Teil bzw. der Rest des
Deckels 10 und er ist nicht dicker als 15 x 10&supmin;&sup6; m, so daß er
schwach genug ist zu ermöglichen, daß der obere Teil 16 unter
der Wirkung des Unterdrucks in dem Behälter und des
Außendrucks nach innen gezogen wird, so daß ein gewisser Anteil
des Kopfraumes verdrängt wird, d.h. wenigstens 6 x 10&supmin;³ l bei
einem Druckdifferential von 4,2 kPa. Die strichpunktierten
Linien in Fig. 1 zeigen, wie der obere Teil 16 des Deckels 10
sich von dem Flansch 18 des Deckels 10 wegbiegt als Folge der
Wirkung des Unterdrucks in dem Behälter. Fig. 2 zeigt einen
Deckel, der auf einem Becher abgedichtet angebracht ist,
welcher heiße Flüssigkeit enthält, und sie zeigt das
Positionieren des oberen Teils 16 des Deckels 10, während die
Flüssigkeit noch heiß ist und nachdem die Flüssigkeit abgekühlt ist.
Es ist ersichtlich, daß der Kopfraum in dem Behälter nach
Abkühlung der Flüssigkeit stark verkleinert ist. Fig. 3 zeigt
einen Deckel 10, der eine Gießtülle 22 umfaßt. Es ist
ersichtlich,
daß die Rippe 14 sich rund um die Außenkante des
oberen Teils 16 des Deckels 10 erstreckt mit der Ausnahme an
der Tülle 22, wo sie sich rund um deren Innenseitenkante
erstreckt. Bei einer Ausführungsform, die in Fig. 4 dargestellt
ist, endet die Rippe 14 an der Gießtülle 22.
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Die Balgenwirkung ist hier erforderlich, obwohl der
Kopfraum durch das Ausnehmen des oberen Teils des Deckels
verringert ist. Ein gewisser Kopfraum muß in dem Behälter
vorgesehen sein, so daß der flüssige Inhalt des Behälters vor
dem Verschließen nicht verschüttet oder verspritzt wird. Ein
bis zum Rand gefüllter Behälter läuft während des Transports
zum Verschließbereich einer Füllmaschine über. Der Überlauf
verunreinigt den Verschließbereich und zerstört die
Integrität des Verschlusses. Die Balgenwirkung des Deckels gemäß der
Erfindung kann, wenn er richtig gestaltet ist,
Paneellierungseffekte des restlichen Kopfraumes vermeiden.
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Um ein Paneellieren zu vermeiden, muß ausreichende
Verdrängung des Kopfraumes des Behälters vorhanden sein, um
den inneren Unterdruck zu verringern derart, daß die Wände
des Behälters keine Vertiefungen bzw. keinen
Paneellierungseffekt zeigen. Das Ausmaß der erreichbaren Verdrängung ist
proportional zu der Fähigkeit des Deckels, sich nach innen zu
biegen. Die Biegefähigkeit des Deckels steht in Beziehung zu
der Steifheit des Deckels, die ihrerseits in Beziehung zu den
gewählten Materialien und der Dicke des Deckels steht sowie
zu der Dicke des Biegebereiches. Alle diese Faktoren müssen
richtig kombiniert werden, um einen Deckel zu schaffen, der
ausreichende Verdrängung des Kopfraumes in dem Behälter
schafft, um ein Paneellieren zu verhindern.
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Die speziellen oben angegebenen Zahlen gehören zu
Standardkunststoffbechern eines Durchmessers von 75 x 10&supmin;³ m,
die heutzutage in der Industrie üblicherweise verwendet
werden. Solche Behälter haben allgemein eine Wanddicke von nicht
kleiner als 4 x 10&supmin;&sup5; m.
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Allgemein erfordert ein steiferer Behälter weniger
Verdrängung und in solchen Fällen könnte der Biegebereich
weniger biegsam sein, d.h. dicker sein oder aus einem weniger
biegsamen Material gebildet sein. Für ihren größten Teil
betrifft die Diskussion Polypropylenpolymerbehälter, die
Äthylenvinylalkoholcopolymere als Sperrenlage verwenden.
Jedoch können auch Polystyrolbehälter verwendet werden, die aus
Laminaten aus Polystyrol mit Äthylenvinylalkoholcopolymeren
und Polyäthylen bestehen. Diese Laminate sind weicher als
Polypropylen zufolge des weicheren Polyäthylens. Demgemäß müßte
der Biegebereich des Deckels dünner sein, um die Verdrängung
von mehr Kopfraum bei gleichem Druck zu ermöglichen. Der
Gesamtbiegemodul würde wahrscheinlich kleiner sein als
derjenige des Polypropylenlaminats (1,40 GPa). Weiterhin könnten
Polycarbonatlaminate verwendet werden. Diese sind viel
steifer als Polypropylen (10 x). Wenn solche Materialen verwendet
werden um den Behälter herzustellen, könnte der Biegebereich
des Deckels dicker sein und immer noch richtig wirken, da in
dieser Situation weniger Kopfraumverdrängung erforderlich
ist. Weiterhin könnte ein steiferes Material als die
willkürlich hier diskutierten Copolymere in dem Deckel verwendet
werden.
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Das Material des Deckels selbst darf nicht zu steif
sein, weil sonst der Biegebereich unzureichend biegsam ist,
um ein Paneellieren zu verhindern. Materialien mit einem
Biegemodul von höher als 1,26 GPa sind zu steif und ermöglichen
den Behältern ein Paneellieren. Materialien, die
üblicherweise bei Verpackungsanwendungen mit Sperren verwendet
werden, sind Äthylenvinylalkoholcopolymere und Polypropylen. Die
ersteren haben einen Biegemodul von etwa 1,95 GPa und die
letzteren von etwa 1,40 GPa, welcher auch der angenäherte
Modul eines
Polypropylenäthylenvinylalkoholcopolymer/Polypropylen-Laminats ist. Es ist deutlich, daß die Kombination
dieser beiden Materialen in einem Laminat für die vorliegende
Anwendung zu steif sein würde. Es ist jedoch gefunden worden,
daß Äthylenvinylalkoholcopolymere verwendet werden können in
Kombination mit Copolymeren von Propylen und einer geringen
Menge von Äthylen, welches einen Biegemodul im Bereich von
0,91 GPa hat. Wenn diese Materialien in einem Laminat
kombiniert werden, kann der Biegemodul des Gesamtlaminats 1,26 GPa
oder geringer sein, insbesondere, wenn die Menge an
Äthylenvinylalkoholcopolymeren, die in dem Laminat verwendet
wird, 5 bis 20 Gew.% beträgt.
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Die Gesamtdicke des Deckels selbst ausschließlich
des Biegebereichs, ist weiterhin ein wesentlicher
Gesichtspunkt, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu
erzielen. Wenn die Deckeldicke zu groß ist, ist der Deckel nicht
ausreichend biegsam, um sich nach innen abzubiegen, um
Paneellieren zu vermeiden. Wenn weiterhin der Deckel zu dünn
ist, ist er unannehmbar bei Anwendungen mit Sauerstoffsperre.
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Die Dicke des Deckels steht offensichtlich in
Beziehung zu der Dicke der Bahn oder des Blattes, aus welchem
er gebildet ist. Wenn beispielsweise der oben beschriebene
Thermoformungsprozeß verwendet wird, kann die Dicke der Bahn
oder des Blattes, aus welchem der Deckel gebildet wird, nicht
größer als 48 x 10&supmin;&sup6; m sein. Der Biegebereich des Deckels muß
dann dünner sein.
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Die Leistung bzw. das Verhalten von
thermoplastischen Deckeln wurde wie folgt getestet: Blätter wurden
geformt aus einem Copolymer aus Propylen und 2 % Äthylen (MFI
2) auf der Außenseite und einer Lage aus
Äthylenvinylalkoholcopolymer auf der Innenseite, wobei das
Äthylenvinylalkoholcopolymer 10 % des Gesamtgewichts des Blattes aufweist.
Deckel wurden geformt durch Druckformung, wobei das
Polypropylenkompositionsblatt auf seinen Schmelzpunkt erhitzt und
dann zwischen einem Formungshohlraum und einem hohlen
Druckkasten angeordnet wurde. Druckluft wurde an den hohlen
Druckkasten angelegt und hindurchtreten gelassen, um das Blatt in
den Formungshohlraum zu strecken bzw. zu dehnen. Die
Deckelausbiegung wurde gemessen durch Induzieren eines Unterdrucks
oder Vakuums an dem Deckel und Messen der Verschiebung des
Deckels für eine Vielzahl von Druckunterschieden. Die
Verschiebung bei einem Druckunterschied von 4,82 kPa für eine
Biegebereichdicke von 38 bzw. 48 x 10&supmin;&sup6; m betrug 7,8 bzw. 6 x
10&supmin;³ l. Bei Wiederholung dieser Tests mit Deckeln aus
Polypropylenhomopolymer und Äthylenpropylencopolymer umfassend 2
Gew.% Äthylen und einer Dicke des Biegebereiches von
38 x 10&supmin;&sup6; bzw. 48 x 10&supmin;&sup6; m wurde bei einem Druckunterschied
von 4,82 kPa eine Verschiebung von 6 bzw. 11,5 x 10&supmin;³ l
gefunden.