Напитки, которые потребляются охлажденными, — газировка, фруктовые соки, изотоники и чаи — часто разливаются в горячем состоянии. Горячий розлив позволяет уничтожить микроорганизмы, вредные как для продукта, так и для здоровья потребителя. Поэтому напитки традиционно разливаются в стеклянную тару. Однако в последнее время все чаще для этих целей используются ПЭТ-бутылки. Они более легкие и упругие и больше соответствуют современному стилю потребления "на ходу". Основание для роста этого рынка — научная технология. 

При нагреве до +60º C ПЭТ размягчается и теряет форму. Кроме того, бутылка подвергается гидростатическому давлению, которое горячая жидкость оказывает на ее стенки. Горло может деформироваться в процессе укупорки бутылки крышкой и во время непосредственного контакта с горячей жидкостью. Наконец, на фазе охлаждения, следующей за розливом, объем жидкости уменьшается, и воздух, находящийся вверху бутылки, разреживается. Разрежение усиливается тем, что при снижении температуры воздух начинает активнее смешиваться с водой. Все эти факторы могут привести к деформации бутылки. Поэтому необходимо найти средство значительно увеличить температурную сопротивляемость ПЭТ, чтобы избежать физических изменений бутылки. Разработка решений для горячего розлива требует глубокого знания особенностей ПЭТ-материала.  

ПЭТ во всех своих формах

ПЭТ — полукристаллический термопласт. В зависимости от переходного состояния, ПЭТ может находиться либо в совершенно аморфной, либо в полукристаллической форме. В последнем случае его морфология представлена аморфными и кристаллическими фазами. В аморфном состоянии молекулярные цепи не организованы и напоминают большой клубок пряжи. Напротив, в кристаллизованном состоянии молекулярная структура ПЭТ представляет собой плотное и организованное расположение молекулярных цепей, происхождение которого двояко.

Некоторые кристаллы формируются благодаря сферулитической кристаллизации при температуре около +150º С. Когда ПЭТ не растянут, кристаллы образуются вокруг примесей и каталитических остатков. Сферулитические (близки по форме к шару) кристаллы представляют собой трехмерную структуру из молекулярных цепей, свернутых вокруг центра кристаллизации. Они имеют достаточно большие размеры (около 6 мк), сравнимые с длиной световой волны. Поэтому образование сферулитических кристаллов приводит к тому, что материал теряет прозрачность. Другой тип кристаллов формируется благодаря индуцированной кристаллизации, когда молекулярные цепи подвергаются механическому растяжению в процессе биориентированного раздува. Когда необходимый коэффициент ориентации достигнут, молекулярные цепи располагаются в соответствии с направлениями раздува и центры кристаллизации сближаются. Связи, которые создаются при этом, приводят к формированию кристаллов, имеющих форму параллелепипеда. Поскольку такие кристаллы имеют очень малые размеры (около 60 ангстрем, что в 1000 раз меньше, чем размер сферулитических кристаллов), они не искажают прозрачность материала. Структура, создающаяся с помощью растяжения, напоминает плетение и по прочности во много раз превосходит аморфную. Модифицируя структуру ПЭТ, сферулитическая и индуцированная кристаллизация повышают устойчивость материала к механическому и тепловому воздействию.

Аморфная фаза ПЭТ, напротив, остается чувствительной к нагреванию. Вне определенных температурных пределов она, благодаря эффекту памяти, стремится вернуться в оригинальную форму. Аморфный ПЭТ плавится при приближении к температуре стеклообразования (около +75º С). Бутылки, произведенные с использованием традиционных технологий, начинают терять форму при температуре около +60º С, что делает их непригодными для горячего розлива.

Наконец, ПЭТ гигроскопичен, т. е. абсорбирует влагу из воздуха. На молекулярном уровне вода обладает смазывающими свойствами. Однако с помощью нескольких простых предосторожностей можно сделать эффект абсорбции пренебрежимым. В противном случае, явление абсорбции может также начаться в процессе старения бутылки и при определенном количестве поглощенной влаги приведет к снижению ее теплоустойчивости. 

Дизайн против абсорбции

Один из способов устранить проблему абсорбции, стоящую на пути горячего розлива, — привнесение в дизайн бутылки специальных элементов.

Бутылки, предназначенные для горячего розлива, имеют структуру, способную противостоять гидростатическому давлению. Для предотвращения деформации стенок в результате сжатия бутылки снабжаются абсорбирующими панелями. "Лучи" и "пояс" служат для сохранения округлого поперечного сечения бутылки. Все эти дополнительные элементы делают бутылку для горячего розлива на 25–30 % тяжелее обычной.

Горло, как наиболее аморфная часть бутылки, особенно чувствительно к нагреванию. Его большая толщина позволяет горлу сохранять форму только при относительно низких температурах розлива. При более высоких температурах горло должно термически кристаллизоваться или снабжаться вставкой из устойчивого к тепловому воздействию пластика.

Оптимизированный процесс растяжения позволяет снизить аморфную составляющую основания бутылки настолько, насколько это вообще возможно. Но полностью устранить ее трудно. Однако специальные элементы дизайна — "ребра" — компенсируют снижение тепловой сопротивляемости материала, что позволяет основанию бутылки сохранять форму.  

Тепловая обработка

Основа тепловой обработки — уменьшить аморфную составляющую бутылки, которая может размягчиться при горячем розливе. Уровень кристаллизации должен быть увеличен с целью сделать температуру стеклообразования выше температуры розлива, что позволит избежать деформации бутылки.

С помощью тепловой обработки также снимается остаточное напряжение в молекулярных цепях. Оно вызывается механическим усилием, прилагаемым во время выдува, и остается в материале на стадии охлаждения. Если не снять напряжение заранее, оно может произвольно ослабиться при следующем нагревании, т. е. в процессе розлива. Стремление молекулярных цепей вернуться в ненапряженное состояние приведет к деформации бутылки. Поэтому необходимо провести тепловую обработку, чтобы устранить остаточное напряжение до розлива.

Одноколесная и двухколесная технологии

Тепловая обработка ПЭТ-бутылок может производиться по двум процессам, разработанным компанией Sidel. Один из них осуществляется на стандартных машинах SBO второй серии, печи и выдувные колеса которых снабжаются специальными приспособлениями. Технология задействует модифицированный процесс повторного нагрева для преформ со специфическими профилями. Он обеспечивает высокое качество бутылок в соответствии с дизайном и спецификой распределения материала во время выдува и является важной частью тепловой обработки. Затем путем продольного растяжения осуществляется индуцированная кристаллизация.

После выдува бутылка остается под давлением в форме. Таким образом, на стадии стабилизации стенки бутылки вновь прижимаются к форме, температура которой поддерживается высокой. Тепловая энергия позволяет частично снять напряжение благодаря перераспределению молекулярных цепей. Время контакта и температура зависят от необходимого уровня тепловой обработки. Эта фаза является фактором, определяющим скорость производства. Затем бутылка продувается потоком воздуха под низким давлением. Бутылка стабилизируется и сжимается, что позволяет ей отсоединиться от формы и покинуть выдувную машину без какой-либо деформации.

Этот процесс используется наиболее часто, т. к. является простым и эффективным способом производства бутылок, способных выдерживать температуры до +88º С даже при старении и максимальной абсорбции влаги. Для достижения еще лучших результатов внутреннее напряжение должно быть дополнительно ослаблено. Температуру в форме можно поднять еще выше. При температуре свыше +145º С, молекулярные цепи низкой массы, называемые олигомерами, оставляют отложения на форме и снижают прозрачность бутылок. Машину приходится достаточно часто выключать, чтобы чистить форму, что делает процесс не жизнеспособным с точки зрения промышленного использования. Поэтому компания Sidel разработала другой процесс, позволяющий повысить качество теплообработанной тары. Его основополагающий принцип — упразднение ступени трансформации преформы в бутылку, поскольку большая разница в размерах приводит к созданию сильного напряжения. Таким образом, процесс состоит из трех стадий: выдува, повторного нагрева и доводки. Он осуществляется в стандартной печи выдува SBO, из которой продукция поступает в следующую печь и на второе выдувное колесо. Соответственно, технология получила название "двухколесной". Бутылки, произведенные по этой технологии, обладают уникальным свойством выдерживать температуру до +95º С даже после старения.

По материалам PacWorld.com

Перевела Евгения Шляпникова