Lo stampaggio a soffiaggio a caldo (detto anche stampaggio a soffiaggio con stiramento a caldo) è una variante del processo ISBM standard che produce bottiglie in PET in grado di essere riempite con prodotto caldo a temperature di 85-95 °C senza deformarsi. La differenza principale rispetto all'ISBM standard risiede nella temperatura dello stampo di soffiaggio: nell'ISBM standard (a freddo) lo stampo viene fatto funzionare a 8-12 °C per raffreddare rapidamente la bottiglia dopo il soffiaggio; nell'ISBM a caldo lo stampo viene fatto funzionare a 100-130 °C per indurre una cristallizzazione parziale nella parete della bottiglia in PET durante la fase di soffiaggio. Questa cristallizzazione, detta termofissazione, conferisce alla bottiglia stabilità dimensionale alle temperature di riempimento a caldo.

Perché le bottiglie PET standard non possono essere riempite a caldo

Le bottiglie standard in PET amorfo prodotte con il metodo ISBM a freddo sono dimensionalmente instabili al di sopra di circa 60-65 °C, ovvero la temperatura di transizione vetrosa (Tg) del PET. Al di sopra della Tg, le catene polimeriche amorfe nella parete della bottiglia si ammorbidiscono e possono deformarsi sotto la pressione interna e la forza di gravità di un prodotto riempito a caldo. Una bottiglia standard in PET riempita a freddo con succo caldo a 90 °C si restringe, si raggrinzisce e si deforma in pochi secondi dal riempimento, diventando commercialmente inaccettabile. Il confezionamento a caldo richiede una bottiglia in PET termofissato, una bottiglia in HDPE o PP (che sono intrinsecamente più stabili termicamente del PET amorfo al di sopra della Tg) oppure una bottiglia di vetro.

Come funziona la termofissazione

La termofissazione è l'induzione di una cristallizzazione limitata e controllata nella parete della bottiglia in PET, ottenuta mantenendo la bottiglia soffiata a contatto con la superficie calda dello stampo per un tempo definito. Il PET cristallizza quando viene mantenuto al di sopra della sua temperatura di inizio cristallizzazione (circa 130-140 °C) per un tempo sufficiente. Nel processo ISBM a termofissazione, lo stampo per soffiaggio viene riscaldato a 100-130 °C e la bottiglia soffiata viene mantenuta a contatto con la parete dello stampo per 2-6 secondi in più rispetto alla produzione standard a freddo. Durante questo tempo di mantenimento, la parete della bottiglia in PET sviluppa un grado di cristallinità di 25-35%, misurato tramite analisi di densità o DSC.

Il PET cristallizzato ha una Tg di circa 10-15 °C superiore a quella del PET amorfo, a causa dei vincoli imposti dalla struttura cristallina sulla mobilità delle catene. Ancora più importante, le regioni cristallizzate non si ammorbidiscono con la stessa facilità delle regioni amorfe al di sopra della Tg, conferendo alla bottiglia termofissata stabilità dimensionale a temperature di riempimento che deformerebbero una bottiglia standard riempita a freddo. Le bottiglie termofissate possono essere riempite fino a 90-95 °C (a seconda del grado di termofissazione) senza significative variazioni dimensionali, sebbene subiscano comunque un modesto restringimento (1-3% del volume della bottiglia) durante il raffreddamento dalla temperatura di riempimento a quella ambiente, che deve essere compensato dalla progettazione della bottiglia con pannelli sottovuoto o da un sufficiente spazio di testa.

Parametri di processo ISBM per la produzione a caldo e indurimento termico: la temperatura dello stampo di soffiaggio è il parametro critico che differenzia la produzione ISBM a caldo e indurimento termico da quella a freddo.

Prodotti riempiti mediante il processo di riempimento a caldo

Il riempimento a caldo viene utilizzato per bevande e prodotti alimentari che richiedono un trattamento termico per la pastorizzazione o la sterilizzazione durante il riempimento:

• Bevande a base di succo di frutta: succo d'arancia, succo di mela, miscele di succhi tropicali (temperatura di riempimento 85–92 °C)
• Tè e tè pronti da bere: tè nero, tè verde, tè freddo (temperatura di riempimento 85–90 °C)
• Bevande sportive e isotoniche: Bevande elettrolitiche, bevande vitaminiche (temperatura di riempimento 85–90 °C)
• Bevande a base di latte: Latte aromatizzato, bevande sostitutive del pasto (temperatura di riempimento 80–90 °C)
• Condimenti e salse: ketchup, salsa, sugo per la pasta, condimento per insalata (temperatura di riempimento 75–90 °C)

Requisiti della macchina per ISBM a riempimento a caldo

L'esecuzione della produzione con riempimento a caldo su una macchina ISBM richiede modifiche alla configurazione standard con riempimento a freddo:

Indurimento a caldo o riempimento a freddo: qual è la soluzione giusta per la tua applicazione?

La scelta tra ISBM a riempimento a freddo e a caldo è determinata dalla temperatura di riempimento. Se il prodotto viene riempito a temperatura ambiente o inferiore a 60 °C, è corretto utilizzare l'ISBM standard a riempimento a freddo. Se il prodotto viene riempito a 65-95 °C per la pastorizzazione (la maggior parte delle applicazioni per succhi di frutta, tè, salse e bevande a base di latte), è necessario utilizzare l'ISBM a riempimento a caldo. I prodotti riempiti a temperature superiori a 95 °C (sterilizzazione in autoclave) non sono adatti al PET nell'ISBM e richiedono contenitori in vetro o in PP/HDPE adatti alla sterilizzazione in autoclave.

Non è possibile utilizzare uno stampo ISBM standard a riempimento freddo per applicazioni a riempimento caldo semplicemente aumentando la temperatura di riempimento: il circuito di raffreddamento dello stampo e il materiale devono essere configurati per il riempimento a caldo fin dall'inizio. Se si prevede di eseguire sia la produzione a riempimento freddo che quella a riempimento caldo sulla stessa macchina, è necessario informare Ever-Power al momento dell'ordine, in modo che entrambi i set di stampi possano essere progettati correttamente e il circuito di raffreddamento della macchina configurato per supportare il passaggio tra temperature dello stampo calde e fredde tra i cicli di produzione.

Vedi il applicazioni per contenitori di acqua e bevande pagina per esempi o sfoglia la gamma completa di macchine per le specifiche tecniche.

Domande frequenti

Design della bottiglia a riempimento a caldo: pannelli sottovuoto e caratteristiche di presa

Le bottiglie in PET riempite a caldo richiedono caratteristiche di progettazione specifiche che non sono necessarie per le bottiglie riempite a freddo, perché la bottiglia riempita e sigillata si raffredda dalla temperatura di riempimento (85-95 °C) alla temperatura ambiente (20-25 °C) dopo la tappatura, contraendo il volume del gas interno e creando un vuoto parziale all'interno della bottiglia sigillata. Senza caratteristiche di progettazione che consentano di gestire questo vuoto, la parete laterale della bottiglia collasserà o si deformerà con lo sviluppo del vuoto durante il raffreddamento, un aspetto inaccettabile per un prodotto destinato alla vendita al dettaglio.

I pannelli sottovuoto sono zone piatte o concave ricavate nella parete laterale della bottiglia che si flettono verso l'interno in modo controllato e simmetrico man mano che si crea il vuoto interno durante il raffreddamento. Sono dimensionati e posizionati per adattarsi alla specifica contrazione di volume prevista in base alle dimensioni del contenitore e alla temperatura di riempimento, e conferiscono alla bottiglia finita il suo aspetto caratteristico: la maggior parte delle bottiglie per succhi e tè riempite a caldo presenta zone piatte visibili alternate a zone curve di presa lungo la circonferenza della bottiglia. Le caratteristiche di presa (zone incassate o rialzate attorno al corpo della bottiglia) svolgono la duplice funzione di rinforzo strutturale (migliorando la resistenza della bottiglia al collasso delle pareti laterali tra i pannelli) ed ergonomia per il consumatore (rendendo la bottiglia più facile da impugnare e da versare).

La progettazione di flaconi per riempimento a caldo è un'attività ingegneristica specializzata che richiede la conoscenza della temperatura di riempimento specifica, del volume di riempimento, del volume dello spazio di testa, della coppia di chiusura e delle condizioni di raffreddamento previste. Il team di progettazione stampi di Ever-Power può fornire consulenza sulla progettazione di flaconi per riempimento a caldo e analisi agli elementi finiti delle prestazioni dei pannelli sottovuoto nell'ambito dello studio di fattibilità dello stampo per applicazioni di riempimento a caldo. La progettazione dello stampo per soffiaggio per la produzione a caldo differisce dagli stampi per riempimento a freddo anche per materiale e costruzione: al posto dell'alluminio vengono utilizzati inserti in rame al berillio o acciaio per utensili ad alta conducibilità termica, e lo stampo deve essere progettato per il sistema di riscaldamento ad acqua calda o olio termico anziché per il sistema di raffreddamento ad acqua refrigerata di uno stampo per soffiaggio standard.

Riempimento asettico, a caldo o a freddo: scegliere il processo giusto per il proprio prodotto.

I produttori di bevande e alimenti che scelgono un processo di produzione di contenitori in PET devono allineare le specifiche del contenitore alla tecnologia di riempimento che utilizzano o che intendono installare. I tre approcci più comuni sono il riempimento a freddo (a temperatura ambiente), il riempimento a caldo (a 85-95 °C) e il riempimento asettico (contenitore sterilizzato riempito con prodotto commercialmente sterile a temperatura ambiente). Ciascuno richiede una diversa progettazione del contenitore e, nel caso del riempimento a caldo, una diversa configurazione della macchina.

Il riempimento a freddo è il caso più semplice: il contenitore viene riempito a temperatura ambiente con un prodotto che non richiede trattamento termico durante il riempimento (acqua naturale, bevande a temperatura ambiente, olio, salse pastorizzate separatamente). È sufficiente una bottiglia ISBM standard per riempimento a freddo senza pannelli sottovuoto. Il riempimento a caldo viene utilizzato per prodotti che vengono trattati termicamente durante il riempimento per ottenere la sterilità commerciale o una maggiore durata di conservazione: succhi di frutta, tè, bevande sportive e salse riempiti a 85-95 °C. È necessaria una bottiglia ISBM termofissata con pannelli sottovuoto. Il riempimento asettico tratta separatamente il contenitore e il prodotto e li unisce in un ambiente sterile; il contenitore non deve resistere a temperature di riempimento elevate e utilizza una bottiglia ISBM standard per riempimento a freddo, ma la linea di riempimento e la manipolazione del contenitore devono soddisfare gli standard di sterilità di grado farmaceutico.

Per i produttori che intendono utilizzare macchine ISBM a un solo stadio per applicazioni di riempimento a caldo, l'ordine della macchina deve specificare: stampo di soffiaggio termofissabile (controllo della temperatura dello stampo con acqua calda o olio termico anziché acqua refrigerata); materiale dello stampo di soffiaggio adatto a cicli termici ripetuti a 100-130 °C; e tempo di soffiaggio prolungato (4-8 secondi rispetto a 2-4 secondi per il riempimento a freddo) per consentire un tempo di permanenza adeguato per la termofissazione. Il design della preforma per il riempimento a caldo è in genere anche 10-20% più pesante rispetto all'equivalente per il riempimento a freddo a parità di volume del contenitore, per fornire uno spessore della parete maggiore per la resistenza al calore. Ever-Power fornisce configurazioni complete di macchine e stampi per il riempimento a caldo su richiesta; specificare la temperatura di riempimento, il tipo di prodotto e il volume della bottiglia desiderato quando si contatta il nostro team di applicazioni.