[0001] La présente invention concerne un contenant en matière plastique, à paroi mince,
léger, résistant à la chaleur destiné à un remplissage à chaud d'un contenu liquide.
[0002] On connaît un polymère le polyéthylène téréphtalate, PET, fortement utilisé pour
la réalisation de contenants pour liquides. Ses principaux atouts sont la transparence,
le poids faible, la libération des formes autorisant des profils distinctifs en fonction
des produits ou des besoins commerciaux, contrairement aux boîtes métalliques, toutes
de même forme et de mêmes dimensions. Il en est de même pour les contenants réalisés
à partir de carton dont les formes sont limitées.
[0003] Le PET est incassable et avec de bonnes propriétés mécaniques de conservation, de
perméabilité, ce qui le rend très attractif et explique en grande partie sa très forte
utilisation.
[0004] Ces bouteilles en PET sont utilisées pour des liquides plats tels que les huiles,
les eaux minérales. Dans ce cas, les contenants ne subissent que très peu de contraintes
mécaniques. Le PET est tout à fait adapté. En effet, ces liquides sont remplis à froid
et sans pression.
[0005] Ces bouteilles ont également été utilisées dans le cas des boissons carbonatées et
donc susceptibles de mettre en pression le contenant.
[0006] Des artifices de conception avec des cannelures sur le corps de bouteille ou des
fonds dits pétaloïdes permettent de renforcer la résistance mécanique et/ou la résistance
à la pression, sans augmenter de façon pénalisante le poids du contenant.
[0007] Lorsque les industriels ont besoin de remplir à chaud un contenant, il faut alors
recourir à des conceptions différentes qui nécessitent des épaisseurs plus importantes,
des géométries différentes et conduisent à des poids élevés avec des fortes consommations
de matière, jusqu'à deux fois le poids d'une même bouteille pour liquides remplis
à froid.
[0008] En effet, les caractéristiques mécaniques du PET se dégradent fortement lorsque la
température s'élève.
[0009] Il existe des procédés dits "Heat Resistant", plus communément désignés par les lettres
HR.
[0010] Un premier procédé dit à une roue permet d'atteindre des températures de remplissage
de 80/88°C.
[0011] Un second procédé dit à deux roues qui permet de conditionner les liquides à des
températures de 88/95°C.
[0012] Une bouteille remplie à chaud subit en effet de nombreuses contraintes mécaniques
lors des différentes phases.
[0013] Ainsi le fond doit résister à la pression hydrostatique du liquide chaud lors du
remplissage.
[0014] Le contenant doit résister aux efforts engendrés lors du vide généré par le refroidissement
du liquide alors que le contenant a été bouché à chaud, pour assurer le caractère
stérile du liquide. Le refroidissement provoque une double contraction, celle du liquide
et celle de l'air de l'espace de tête de ladite bouteille.
[0015] C'est pour cette raison que les profils sont beaucoup plus complexes avec des panneaux
et poutres sur le corps, des ceintures marquées sur le corps également ainsi qu'une
épaule entre le goulot et le corps, dont la forme est plutôt en forme de bulbe.
[0016] L'avantage de l'épaisseur nécessaire à la résistance mécanique est également de présenter
une plus forte inertie à la température.
[0017] La fabrication de bouteilles légères en PET recourt au procédé dit d'extrusion/soufflage.
Ce procédé consiste à réaliser une préforme par extrusion, cette préforme ayant un
profil de tube avec une extrémité formée aux dimensions et à la forme définitive du
goulot, l'autre extrémité étant fermée.
[0018] Après réchauffage de cette préforme, notamment par rayonnements infrarouges, jusqu'à
100/120°C, le matériau, amorphe est ramolli et peut subir un soufflage par l'intérieur
après qu'elle a été placée dans un moule adapté.
[0019] Ce moule est de dimensions telles que le retrait de la matière au refroidissement
soit pris en compte pour que le contenant final présente les dimensions souhaitées.
[0020] Lors de cette phase de soufflage, il se produit un étirage longitudinal sous l'action
d'une tige d'étirage et un gonflage par l'air sous pression ainsi introduit. Plus
exactement, l'air est d'abord introduit à basse pression pour assurer une déformation
adaptée de la matière durant les fortes amplitudes puis à haute pression pour assurer
un plaquage contre les parois du moule en finition et pour de très faibles amplitudes.
[0021] Les moules sont également refroidis à l'eau afin de dissiper les calories transmises
par contact, ce qui a aussi pour effet de figer la bouteille.
[0022] De fait les bouteilles ainsi obtenues sont dites bi-orientées car elles ont subi
un étirage dans une direction et un gonflage omni directionnel.
[0023] Les chaînes macromoléculaires ainsi orientées dans deux directions conduisent à d'excellents
paramètres de résistance mécanique, à température ambiante. L'inconvénient de cette
bi-orientation est d'être en partie réversible et la matière retrouve ainsi une certaine
liberté dès que la température s'élève.
[0024] De fait, la matière a tendance à revenir à sa forme initiale dans laquelle elle présente
le moins de contraintes.
[0025] C'est le phénomène dit de mémoire de forme.
[0026] Pour les bouteilles épaisses destinées à être utilisées pour des boissons remplies
à chaud, on recourt aussi à l'extrusion soufflage mais avec des paramètres de conduite
plus sophistiqués et plus complexes.
[0027] En effet, la préforme est réchauffée à une température plus élevée que dans le cas
des contenants légers, proche de la cristallisation afin de minimiser cette mémoire
de forme du PET et relâcher les contraintes dues au soufflage.
[0028] Dans le cas de fabrication à une roue, de façon à augmenter sa résistance à la température,
on fait subir un traitement thermique au matériau initialement amorphe de ce contenant,
pendant et après sa mise en forme.
[0029] Le matériau lorsqu'il est étiré après ramollissement, génère une cristallinité induite
mais réversible, le matériau restant transparent.
[0030] Ensuite, si la chauffe est maintenue après avoir généré cette cristallisation induite,
il se produit une cristallisation sphérolitique, provoquant une certaine cristallinité
des chaînes déjà organisées par bi-orientation.
[0031] Contrairement à la cristallisation sphérolitique directe du PET, la cristallisation
sphérolitique postérieure à une bi-orientation conserve parfaitement la transparence
du matériau.
[0032] Dans le cas de la fabrication à deux roues, le procédé permet d'atteindre des performances
plus élevées mais au prix d'une succession d'étapes plus complexes.
[0033] En effet, dans ce cas, on élabore d'abord une ébauche de volume beaucoup plus important
que le volume du contenant final, deux à trois fois, donc avec un taux d'étirage proportionnel.
[0034] Cette ébauche est ensuite réchauffée au-delà de la transition vitreuse pour relâcher
les contraintes, ce qui provoque une diminution du volume et un retour vers les dimensions
de la préforme mais avec un fort taux de cristallinité sphérolitique, ceci d'une façon
proportionnelle conduisant à un contenant homothétique. Il y a auto-régulation avec
le PET.
[0035] Lorsque cette ébauche restreinte est en température, une étape de soufflage avec
un moule aux dimensions du contenant final à obtenir, aux retraits près, permet de
fabriquer le contenant final.
[0036] Le fort taux de cristallinité confère à ce contenant une résistance améliorée au
remplissage à chaud.
[0037] On note qu'un tel procédé est beaucoup plus lourd à mettre en place.
[0038] Une fois ces contenants fabriqués, il existe plusieurs méthodes de remplissage et
différents comportements des liquides à conditionner.
[0039] Il existe des liquides sensibles à la lumière tels que le lait ou la bière, à l'absorption
d'oxygène et donc oxydo sensibles tels que les jus, la bière, l'huile, à la reprise
d'eau, à la perte de gaz, au développement de levures, moisissures ou bactéries.
[0040] Les liquides peuvent inclure des conservateurs et sont de ce fait peu sensibles par
contre certains liquides dits plats et sensibles comme les laits, jus, café, thé,
boissons aux fruits, certaines eaux, n'incluent aucun conservateur et doivent être
néanmoins conditionnés dans les meilleures conditions.
[0041] Pour assurer un tel conditionnement, il est prévu un remplissage aseptique ou un
remplissage à chaud.
[0042] Le remplissage aseptique est simple en théorie puisqu'il consiste à remplir et à
boucher des liquides stérilisés dans des emballages stérilisés avec des bouchons stérilisés
dans une ambiance stérile.
[0043] Néanmoins, on comprend que la chaîne n'est pas simple à mettre en place et conduit
à des coûts élevés. Dans une telle chaîne, il faut recourir à des stérilisations chimiques
qui utilisent des produits chimiques avec les traitements qui en découlent, une expertise
des personnels, un rendement faible dû aux vitesses peu élevées de traitement, et
il est de plus impossible de contrôler en ligne la stérilité du contenu dans le contenant.
[0044] L'avantage est de nécessiter des bouteilles à parois minces, de faible poids, de
forme libre puisque le remplissage s'effectue à froid.
[0045] Le remplissage à chaud garantit également une qualité d'asepsie puisque le contrôle
de la température du contenu est simple et aisé à tout moment.
[0046] La ligne d'embouteillage est simple et les traitements du contenant et du bouchon
sont limités puisque la stérilisation est obtenue par le liquide chaud introduit dans
le contenant qui est immédiatement obturé. Un basculement de la bouteille assure aussi
la stérilisation de la face intérieure du bouchon en contact avec le liquide.
[0047] Par contre, il faut recourir à des contenants résistants à la température de remplissage
située entre 60 et 95°C, plus particulièrement entre 80 et 92°C en fonction des produits.
[0048] De plus, les bouteilles ont des poids élevés et des formes sensiblement identiques
et n'autorisent qu'une très faible différenciation.
[0049] Aussi, on en conclut qu'il existe deux procédés qui présentent des avantages et des
inconvénients. Néanmoins, le surcoût engendré par les caractéristiques particulières
des contenants nécessaires pour le remplissage à chaud tendent à orienter les industriels
concernés vers la mise en service de lignes de remplissage par la voie aseptique.
[0050] La solution consisterait à pouvoir remplir des liquides chauds pour obtenir la garantie
d'asepsie mais dans des bouteilles à parois minces destinées au remplissage à froid
pour limiter les coûts tant des contenants que de la ligne de conditionnement.
[0051] C'est ce que propose le procédé selon la présente invention qui est maintenant décrit
en détail suivant un mode de réalisation préférentiel, non limitatif. L'exemple donné
concerne des bouteilles en PET mais pourrait s'appliquer à tout contenant en matériau
polymère de même nature et présentant des propriétés similaires.
[0052] Le procédé consiste à effectuer un remplissage à chaud d'un contenant, ce contenant
devant présenter des caractéristiques adaptées telles que décrites ci-après.
[0053] Ce contenant est de forme cylindrique, éventuellement avec des cannelures pour rigidifier
le corps, avec un fond léger comme celui des contenants pour eaux minérales plates,
mais renforcé, le poids total du contenant étant sensiblement celui des contenants
utilisés pour les contenants d'eau minérale, à contenance égale.
[0054] Le fond renforcé consiste généralement en un fond bombé vers le goulot avec des renforts
pour éviter son retournement sous légère pression.
[0055] Ce contenant est fabriqué à partir de l'une ou l'autre des deux méthodes de traitement
dit "HR" une ou deux roues, en fonction des températures de conditionnement souhaitées.
[0056] Le contenant est ainsi capable de résister à chaud et reste d'un poids réduit.
[0057] De plus, on note l'absence des éléments caractéristiques des bouteilles en PET de
l'art antérieur conditionnées à chaud tels que ceinture, bulbe à l'épaule, panneaux.
[0058] Le remplissage s'effectue à partir du réservoir d'une remplisseuse de type connu,
généralement par gravité directement dans le contenant, le liquide étant porté et
maintenu à une température de 60 à 95°C en fonction des applications visées.
[0059] Lorsque le liquide en température pénètre dans le contenant, il se produit trois
actions :
- montée en température rapide de la paroi puisque l'épaisseur est faible et que l'inertie
correspondante est limitée.
- la mise en pression liée à la pression hydrostatique due à la charge résultant de
l'écoulement gravitaire, et
- la charge du volume de liquide introduit dans le contenant.
[0060] Le contenant se déforme peu sous l'effet de la montée en température et sous l'effet
du remplissage car le contenant est fabriqué pour répondre à cette montée en température,
tout au plus une très légère mise forme de tonneau au moment de l'obturation.
[0061] On sait que la cristallinité peut être améliorée comme indiqué dans le préambule
de la présente demande, ce qui améliore fortement la résistance mécanique. On sait
aussi que si le contenant est utilisé dès après sa fabrication, la reprise d'humidité
est très limitée et la résistance initiale à la température est conservée quasiment
de façon intégrale.
[0062] Le fond ayant été conçu avec une résistance mécanique améliorée ainsi que son traitement
"HR", évite le retournement du bombé de ce fond sous l'effet de la charge et de l'augmentation
de pression une fois ledit contenant obturé. En effet, l'augmentation de la température
provoque un rétreint rapide du volume du contenant tandis que le liquide contenu,
lui, conserve son volume ce qui génère une mise en pression de l'intérieur du contenant.
[0063] De fait, le fond conçu pour résister conserve sa forme tandis que le corps du contenant
présente une déformation importante lors du refroidissement du liquide et de l'espace
de tête. Il est à noter que cette déformation n'est pas irréversible puisque si le
contenant est ouvert, le corps reprend sa forme initiale. On sait que la déformation
se localise dans la zone la plus propice à la déformation mécanique comme les parois
par exemple dans le cas des contenants connus et pour lesquels aucune modification
particulière n'a été apportée.
[0064] On constate aussi que dans le cas d'une zone moins résistante mécaniquement, la déformation
est reproductible sur tous les contenants identiques remplis dans les mêmes conditions.
[0065] Il est donc possible de créer volontairement une zone adaptée dans tout contenant
de sorte à faire porter la déformation sur cette zone spécifique et déterminée, de
façon reproductible.
[0066] On sait qu'un contenant carré ou cylindrique résiste bien à la pression mais résiste
mal au vide sauf à prévoir des artifices comme des cannelures ou des plis. Selon le
procédé de l'invention, on obtient donc un contenant avec un fond et une ceinture
de jonction du fond et dudit corps non déformées grâce à la résistance du pli formé
à cette jonction. Le contenant est stable sur son fond mais avec un corps déformé,
collapsé selon le vocable du métier, ce qui le rend impropre à une mise dans le commerce.
[0067] Le procédé selon la présente invention consiste à réduire le volume du contenant
en provoquant une réduction du volume du contenant après refroidissement partiel ou
total du liquide.
[0068] On a constaté que la bouteille même si elle reçoit un traitement HR "Heat Resistance",
permet de minimiser l'effet de mémoire de forme du PET sans pour autant le supprimer.
[0069] Le procédé consiste à relâcher les contraintes figées de sorte que le contenant tende
à reprendre sa forme initiale, celle de la préforme et donc tende à retrouver un volume
réduit.
[0070] A cet effet, une fois le liquide introduit à chaud, puis une fois le contenant obturé
et un refroidissement partiel ou total opéré, le contenant est soumis à une montée
en température d'au moins une partie dudit contenant de sorte à relâcher les contraintes
et à déformer de façon irréversible le contenant sur tout ou partie de sa surface.
[0071] La montée en température doit être rapide pour ne pas provoquer la montée en température
du liquide, ce qui annulerait le différentiel nécessaire pour compenser la dépression.
[0072] Néanmoins, le choix des moyens reste très large car le ratio des masses mises en
jeu est très important. Les quelques grammes de PET d'un contenant face aux centaines
de grammes du contenu conduisent nécessairement à une élévation de température plus
rapide de l'enveloppe que du contenu. De plus, en cas de chauffage par rayonnement
notamment, l'enveloppe est la première soumise aux rayonnements infrarouges et absorbe
en premier lieu les calories.
[0073] Il convient seulement d'éviter les moyens de chauffage par transmission comme le
bain marie ou la pasteurisation. Dans ce cas, il est un autre paramètre qui n'est
plus adapté, c'est le temps nécessaire, beaucoup trop long avec ce type de technique.
[0074] Un autre préjugé à vaincre est le volume de compensation nécessaire. Au vu du contenant
après refroidissement, la déformation laisse à penser qu'il est nécessaire de générer
une réduction importante de volume.
[0075] Pour une bouteille de 500 ml, la réduction de volume après refroidissement est de
3,5% seulement du volume liquide, donc 17 ml.
[0076] De fait sur une telle bouteille, généralement d'environ 60 mm de diamètre pour donner
un ordre d'idée, il est possible de prévoir le rétreint sur la hauteur dite d'étiquetage,
c'est-à-dire sur la zone d'apposition d'une étiquette.
[0077] La ceinture entre la zone d'étiquetage et le fond ainsi que la zone d'épaulement
étant indéformable, il suffit de prévoir une rétraction de 1 à 2 mm du diamètre. Il
est même possible de prévoir une légère mise en surpression afin de compenser l'éventuel
rétreint supplémentaire lors d'une mise au réfrigérateur d'un tel contenant.
[0078] Il est aussi à noter que lors du remplissage à chaud, il subsiste toujours un espace
de tête rempli d'air.
[0079] Aussi, il est possible de coucher la bouteille de sorte à conduire systématiquement
cet air suivant une génératrice de ladite bouteille en partie haute. De fait le procédé
peut mettre en oeuvre un chauffage à air chaud car la transmission de calories entre
la paroi et l'air est très difficile, l'air étant très isolant. Les calories se concentrent
dans la paroi de ladite bouteille sur la zone concernée et provoque très rapidement
le rétreint recherché.
[0080] Afin de ne pas avoir à procéder à une remontée totale en température, il est aussi
possible de réaliser ce chauffage de l'enveloppe dès que le liquide intérieur est
passé en dessous de la température de transition de l'ordre de 40 à 50°C. On peut
noter aussi que le procédé selon la présente invention permet de réaliser des contenants
de section carrée, le rétreint provoquant alors une réponse de déformation du contenant
par triangulation qui est également compensé lors du relâchement des contraintes et
lors du rétreint du contenant.
[0081] Ainsi selon la présente invention, le procédé consiste à recourir à un contenant
apte à résister mécaniquement sans déformation au remplissage à chaud d'un liquide
dans une plage de températures d'un liquide stérilisé, généralement de 80 à 95°C,
par exemple un contenant en polyéthylène, ledit contenant étant réalisé par extrusion
/ soufflage et présentant une mémoire de forme avant soufflage, à remplir ledit contenant
avec ledit liquide chaud, à obturer ce contenant rempli et à laisser refroidir au
moins au-dessous d'une température de figeage du contenant, provoquant alors une déformation
par formation d'une dépression à l'intérieur du contenant, puis à chauffer le contenant
pour provoquer un relâchement des contraintes et un retour vers la forme avant soufflage
générant un rétreint et une mise en pression interne du contenant conduisant au moins
à compenser les déformations subies par les effets de la dépression.
[0082] On obtient ainsi selon la présente invention un contenant empli d'un contenu pasteurisé
dont on peut garantir la pasteurisation par une simple mesure de température de remplissage.
Le coût du contenant pour la mise en oeuvre du procédé n'est plus préjudiciable puisqu'il
est tout à fait comparable à celui des contenants aptes à subir un remplissage aseptique.
[0083] L'avantage est de pouvoir répondre aux besoins des industriels en cadences de remplissage,
aux besoins en garantie d'asepsie sans pour cela nécessiter des lignes d'embouteillage
coûteuses en investissement, également coûteuses et complexes en fonctionnement.
[0084] Ainsi grâce au procédé selon la présente invention, non seulement le coût de matière
première pour fabriquer un contenant rempli à chaud est réduit mais cette quantité
moindre de matière première conduit à des coûts de recyclage ultérieurs réduits pour
un même volume embouteillé.
[0085] Selon la présente invention, il est à noter que l'on peut prévoir un dispositif adapté
pour la mise en oeuvre du procédé.
[0086] Une solution consiste à réaliser des coquilles comprenant au moins deux parties de
façon à venir envelopper le contenant, lesdites coquilles étant chauffées par tout
moyen adapté afin d'émettre les calories nécessaires.
[0087] Les coquilles ont un profil sensiblement conjugué de celui du contenant pour émettre
les calories au plus près des parois, voire dans une zone localisée de cette paroi,
ces coquilles étant orientées horizontalement si le chauffage est effectué sur une
génératrice avec l'air en partie supérieure. Dans ce cas, il est possible alors de
provoquer un chauffage plus intense dans une zone particulière.
1. Contenant en matière plastique, à paroi mince, léger, résistant à la chaleur destiné
à un remplissage à chaud d'un contenu liquide, comprenant :
- un goulot pour permettre le remplissage du contenu avec le contenu liquide,
- un bouchon configuré pour obturer le goulot,
- une base comprenant un fond bombé vers le goulot, la base comprenant un renforcement
structurel configuré pour résister à la pression hydrostatique due à la charge résultant
du liquide introduit à chaud et configuré pour prévenir une déformation significative
de la base lors du refroidissement du liquide chaud,
- une paroi latérale s'étendant vers le haut du fond jusqu'au goulot, la paroi latérale
comprenant une zone de déformation,
caractérisé en ce que la zone de déformation de la paroi latérale est configurée pour supporter une déformation
initiale engendrée par le refroidissement du contenu et pour retrouver sensiblement
sa forme initiale lors du relâchement de contraintes résiduelles.
2. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contenant comprend du Polyéthylène téréphtalate, PET.
3. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contenant est cylindrique.
4. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement structurel évite le retournement du fond lorsque ledit contenant
est sous légère pression.
5. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi latérale comporte des cannelures.
6. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de déformation est moins résistante à la pression, mécaniquement, qu'une
autre partie de la paroi latérale.
7. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de déformation est reproductible sur des contenants identiques dans des conditions
similaires.
8. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que, sous l'effet du relâchement des contraintes résiduelles, le contenu a une pression
interne au moins égale à la pression atmosphérique extérieure.
9. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poids du contenant est équivalent à celui d'un contenant d'un volume égal qui
est configuré pour un remplissage à froid par la voie aseptique.
10. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression interne du contenant augmente, et simultanément, le volume interne du
contenant et l'espace de tête diminuent quand la zone de déformation reprend sa forme
initiale.
11. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une zone d'épaulement entre la paroi latérale et le goulot.
12. Contenant selon la revendication 11, caractérisé en ce que la zone d'épaulement est configurée pour résister à la déformation.
13. Contenant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le relâchement des contraintes résiduelles consiste en une application de chaleur
dans la zone de déformation.
14. Contenant en matière plastique, à paroi mince, léger, résistant à la chaleur destiné
à un remplissage à chaud d'un contenu liquide, comprenant :
- un goulot pour permettre le remplissage du contenant avec le contenu liquide,
- un bouchon configuré pour obturer le goulot,
- une base comprenant un fond bombé vers le goulot, la base comprenant un renforcement
structurel configuré pour résister à la pression hydrostatique due à la charge résultant
du liquide introduit à chaud et configuré pour prévenir une déformation significative
de la base lors du refroidissement du liquide chaud,
- une paroi latérale s'étendant vers le haut du fond jusqu'au goulot,
- une zone de déformation qui est configurée pour supporter une déformation initiale
engendrée par le refroidissement du contenu et pour retrouver sensiblement sa forme
initiale lors du relâchement de contraintes résiduelles
15. Contenant en matière plastique, à paroi mince, léger, résistant à la chaleur destiné
à un remplissage à chaud d'un contenu liquide, comprenant :
- un goulot pour permettre le remplissage du contenu avec le contenu liquide,
- une base comprenant un fond bombé vers le goulot, la base comprenant un renforcement
structurel configuré pour résister à la pression hydrostatique due à la charge résultant
du liquide introduit à chaud et configuré pour prévenir une déformation significative
de la base lors du refroidissement du liquide chaud,
- une paroi latérale s'étendant vers le haut du fond jusqu'au goulot, et
- une zone de déformation qui est configurée pour supporter une déformation initiale
engendrée par le refroidissement du contenu liquide rempli à chaud, après l'obturation,
la zone de déformation étant configurée pour retrouver sensiblement sa forme initiale
lors du relâchement de contraintes résiduelles qui se manifestent lors du refroidissement
après l'obturation lors du refroidissement de contenu liquides remplis à chaud.