DE2229312A1

DE2229312A1 - Aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Flasche mit nicht heraustretendem Boden

Info

Publication number: DE2229312A1
Application number: DE19722229312
Authority: DE
Inventors: Keith Stewart Wilmington Del. Carmichael (V.StA.)
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1971-06-15
Filing date: 1972-06-15
Publication date: 1972-12-28
Also published as: AU4320572A; CA949472A; AU460886B2; FR2141963A1; IT956483B; GB1360107A; US3727783A; FR2141963B1; BE784888A

Description

Aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Flasche mit nicht heraustretendem Boden

Die Erfindung betrifft die Konstruktion von Flaschen aus thermoplastischem Kunststoff, die zum Abfüllen von unter Druck stellenden Flüssigkeiten ₅ z.J3. von Sprudel, Bier und AerosolflüsBigke.iten, gec-J.rmet sind; insbesondere betrifft die Erfindung eine Flasche, deren Boden beim Gebrv.nch der¹ Flasche nicht nach aussen heraustritt«

Bekanntlich lassen sich Flaschen aus thermoplastischem Kunststoff, zum Abfüllen von Getränken für den Einzelverkauf vcrwoiulc'.n,, Wird die Flasche zum Aufbewahren von kcii;..'!ci.L:i^;.^!Jivjh-altigen Getränken, also von Sprudel, Bier <>d. dgl», verwende: i. j muß die Flasche so konstruiert sein, d'iM nie d'.-n in ihrem Inneren erzeugten Druck aushalf und

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BAD OBfGlNAt

dabei doch formstabil bleibt und ihr Volumen nicht verändert.

Ihrer Natur nach verformen sich jedoch thermoplastische Kunststoffe bei massig erhöhter Temperatur, schon unter geringer Belastung, d.h. aus thermoplastischen Kunststoffen hergestellte Flaschen werden sich, wenn sie unter Druck stehende Flüssigkeiten enthalten, bei normalem Gebrauch verformen. Beispielsweise haben Kunststofflaschen bei einer Temperatur von etwa 50⁰C und einem Innendruck von etwa 6,8 at (100 psig), d.h. bei dem höchsten» üblicherweise in Sprudel- und Bierflaschen anzutreffenden Druck, die Neigung, sich zu einer Kugel zu verformen. Man kann diese Neigung dadurch erheblich herabsetzen, daß man die Flaschenwand sehr stark ausführt. Dadurch wird die Funktion der Flasche zwar verbessert, jedoch ist dieses Vorgehen unwirtschaftlich und ausserdem wird die Flasche dadurch so steif, daß sie bei normalem Gebrauch brechen kann. Dagegen hat es sich gezeigt, daß die Fließspannung in den Seitenwänden bei dünnwandigen Flaschen mit molekülorientiertem Polymeren so weit verbessert werden kann, daß diesen Verf ormungs tenclenzen zu begegnen ist. Jedoch ist das Orientieren der Moleküle in dem Boden der Flasche sehr schwierig. Daher behält der Flaschenboden seine Neigung zum Verformen, d.h. zum Heraustreten von Teilen des Flaschenbodens.

Der Boden einer Flasche ist im allgemeinen ziemlich eben, so daß die Flasche aufrecht zu stehen vermag. Bei Füllen mit keinen Druck entwickelnden Flüssigkeiten läßt sich eine Flasche mit flachem Boden gut verwenden. Beim Einfüllen von unter Gasdruck stehenden Flüssigkeiten stellt jedoch ein flacher Boden eine sohl» ungünstige Voraussetzung für Beibehaltung der flaclnm Form dar, und der Boden noigt da^u, die

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Gestalt einer Halbkugel anzunehmen, wobei das Flaschenvolumen zunimmt, die Form des Bodens sich verändert und die Flasche nicht mehr fest auf einer ebenen Unterlage stehen kann. Niedrige Belastbarkeit des Kunststoffs in Verbindung mit hohen Temperaturen während! längerer Zeit bei auereichendem Innendruck führt zum Kriechen oder¹zu Verformungen des Kunststoffs, so daß Form und Rauminhalt sich erheblich ändern, wenn auch der Inhalt, d.h_o das Gas und die Flüssigkeit, nicht aus der Flaschen entweichen können.

Man mußte daher nach einem Weg suchen, eine Kunststoffflasche so auszubilden, daß man unter Druck stehende Flüssigkeiten abfüllen kann, ohne daß der Boden sich dabei voritfölbt oder ausstülpt sondern vielmehr eine Grundfläche bildet, die als Standfläche für die Flasche auch beim Abfüllen von unter Druck stehenden Flüssigkeiten ausreicht.

Mit der Erfindung wird daher eine Flasche aus thermoplastischem Kunststoff angegeben, deren Boden nicht heraustritt, wenn die Flasche einer Temperatur von etwa 50⁰C und einem Innendruck von bis zu etwa 6,8 at (100 psig) ausgesetzt wird. Die Flasche hat insgesamt Zylindergestalt mit biaxialer Ausrichtung, besteht aus thermoplastischem Kunststoff und weist eine Wanddicke von mindestens etwa 0,51 mm im eigentlichen Zylinderteil und mindestens etwa 0,76 mm im Bodenabschnitt auf. Die Flasche wird vorzugsweise aus e inem Polymeren hergestellt, dessen Elastizitätsmodul bei

Zug 12 620 kg/cm² (3 80 000 psi), dessen Zerreißfestigkeit

mindestens 351 kg/cm (5000 psi) beträgt, dessen Querdehnun£sziffer zwischen 0,35 und 0,¹J liegt und dessen Def or Llation s 3: on stan te, gleich der Ne.igung des Logarithmus des reziproken Werts der Dehnungsgeschwindigkeit gegen die Dehnung, einen Wert von mindestens 0,65 hat.

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Der Boden der Flasche besteht im wesentlichen aus mindestens drei im Umkreis am Rande des Flaschenbodens angebrachten Vorsprüngen, auf denen die Flasche steht, einem Stegabschnitt zwischen jeweils zwei Vorsprüngen, einem axial ausgerichteten einspringenden Zylinder und einem allgemein kreisförmig und axial ausgerichteten scheibenartigen Abschnitt mit gleichmässigem Obergang von Material zwischen den Vorsprüngen, Stegen, dem einspringenden Zylinder und den übrigen zurückgenommenen Teilen des Bodens. Nachstehend bezeichnet D den Aussendurchmesser der Flasche, gemessen senkrecht zur Flaschenhauptachse, das ist also eine imaginäre Gerade, die von der oberen Mitte zu der unteren Mitte verläuft, und zwar gemessen dort, wo der Bodenteil der Flasche auf den insgesamt zylindrischen FIaschenteil trifft. Alle Abmessungen stellen Aussendurchmesser, d.h. Dimensionen der Preßform dar.

Die Stegteile beginnen jeweils an dem insgesamt zylindrischen Abschnitt der Flasche und reichen abwärts bis an die Mittelachse der Flasche, wo der Radius zwischen etwa 0,45 und 0,70 D beträgt und umfassen etwa 75 bis 90 Bogengrade, und die Breite jedes Stegs ist definiert durch die Beziehung:

Gleichung	1:	Tc₁	1Γ FR	(1-F)
		P	) Syp
W —	N		R t

wobei: w = Durchschnittsbreite eines einzelnen Stegs,

N = Zahl der Stege

R = D/2

P = selbsterzeugter Solldruck

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Syp = Fließspannung des thermoplastischen Kunst-. Stoffs. \ ;.

C₁ = 0,75 bis 0,95 (Sollbeanspruchungsfaktor)

F = Bruchteil der von den Stegen^ufzunehmenden, auf die Vorsprünge der Flasche wirkenden Belastung .

t - Wandstärke . ,

tr- * ³>¹⁴ ■■: ■ ■

Die Vorsprünge liegen zwischen den Stegabschnitten und jader Vorsprung beginnt an dem insgesamt zylindrischen Abschnitt, der abwärts mit einem Radius von etwa 0,2 bis 1,5 D, gemessen von der Ebene zwischen dem insgesamt zylindrischen Abschnitt und dem Bodenabschnitt der Flasche, umfaßt ungefähr 20 bis UO Bogengrade und wird an einen Ringwulst geführt, dessen Radius etwa 0,03 bis 0,1 D beträgt und etwa 90 bis 150 Bogengrade nach unten und innen in Richtung auf die Mittelachse der Flasche umfaßt, wobei der Ringwulst die Standfläche der Flasche darstellt und die Krümmungsmitte des Ringwulsts um einen Betrag von ungefähr 0,3 bis 0,1 D von der Mittelachse der Flasche entfernt ist.

Die nach innen weisenden Teile der Vorsprünge und Stegabschnitte sind in gleichmässigem Abstand um die Basis eines axial ausgerichteten und in den Flaschenboden eingelassenen einspringenden Zylinders verteilt. Der einspringende Zylinder ist durch zwei konzentrische Wände definiert, die jeweils eine Länge von 0,05 bis 0,22 D haben, wobei die eine Wand an die Vorsprünge und Stegabschnitte anschließt und die andere an eine zurückgenommene zentrale Scheibe; die beiden Wände stehen durch einen Ringwulst mit einem Radius von etwa 0,02 bis 0,04 d, der etwa 180 Bogengrade umfaßt, in Verbindung miteinander. Die Wandlängen brauchen nicht gleich zu sein.

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Bei einer abgewandelten Ausführungsform viird ein Verstärkungsring an den einspringenden Zylinder angeschlossen, wodurch der Flaschenboden einen erhöhten Widerstand gegen Heraustreten erhält.

Vorzugsweise weist der Boden der Flaschen drei bis sechs Vorsprünge und ebenso viele Stegabschnitte auf.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist an der Innenseite des Ringwulstes ein die Wände des einspringenden Zylinders verbindender Verstärkungsring aus thermoplastischem Kunststoff vorgesehen, welcher Verstärkungsring aus zwei konzentrischen, einander berührenden Wandabschnitten mit einer Länge von jeweils ungefähr 0,05 bis 0,20 D besteht.

Als thermoplastischer Kunststoff wird Polyethylenterephthalat mit einer Eigenviskosität von zumindest etwa 0^55 bevorzugt.

In einer speziellen Ausführungsform hat die aus diesem Kunststoff bestehende Flasche eine Wandstärke von mindestens 0,51 mm im zylindrischen Abschnitt und 0,76 mm im Bodenteil, hergestellt aus einem Polymeren mit einem Elastizi-

2 tätsmodul bei Zug von zumindest etwa 12 620 kg/cm (180 000 psi), einer Zerreißfestigkeit von zumindest 351 kg/cm (50Ö0 psi), einer Querdehnungsziffer zwischen 0,35 und 0,4 ubd einer Deformationskonstanten gleich der Neigung des Logarithmus des reziproken Werts der Dehnungsgeschwindigkeit gegen die Dehnung, von mindestens 0,65.

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Zeichnungen beschrieben, die folgendes darstellen:

Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemässen Kunststoff-

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flasche mit drei Vorsprüngen von vorn; Figc 2 eine Unteransicht der Flasche nach Fig. -1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Flasche nach Fig. 1, geschnitten längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Erläuterung der Krümmungslinien des Flaschenbodens, gesehen in der Schnittfläche längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 5 eine Vorderansicht einer erfindungsgemässen Kunststoff lasche mit sechs Vorsprüngen;

Fig. 6 eine Unteransicht der Flasche mit sechs Vorsprüngen, nach Fig. 5;

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Flasche nach Fig. 5, geschnitten längs der Linie 7-7 in Fig. 6;

Fig. 8 eine schematische Erläuterung der Krümmungslinien des Flaschenbodens, gesehen in der Schnittfläche längs der Linie 8-8 in Fig. 6;

Fig. 9 eine Ansicht einer erfindungsgemässen Flasche mit vier Vorsprüngen von vorn, in der abgewandelten Ausführungsform mit einem Verstärkungsring im Flaschenboden ;

Fig«, 10 eine Unteransicht der Flasche nach Fig. 9;

Fig.11 einen Querschnitt durch die Flasche nach Fig. 9, geschnitten längs der Linie 11-11 in Fig. 10;

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Fig,12 eine schematisehe Verdeutlichung der Krümmungen in dem Boden der Flasche, gesehen in der Schnittfläche längs der Linie 12-12 in Fig. 10.

Fig. 1 gibt eine Vorderansicht einer Kunststofflasche mit dem nicht hervortretenden Boden gemäß der Erfindung wieder. Die Flasche 1 stellt einen Hohlbehälter mit einer Öffnung 2 an dem einen Ende dar; durch dieses Ende wird Flüssigkeit in die Flasche hinein und aus der Flasche heraus gegossen. Die Flasche weist einen Randteil 3 auf, der um die öffnung 2 herumführt, einen kurzen, insgesamt zylindrischen Halsteil *4, einen Kegelstumpfabschnitt 5, einen grossen, insgesamt zylindrischen Abschnitt 6 und einen nidit heraustretenden Bodenteil 7, der weiter unten in seinen Einzelheiten beschrieben werden soll. Die Ausbildung des oberen Teils der Flasche ist im Rahmen der Erfindung nicht kritisch» Beispielsweise kann der Halsteil kurz ausgeführt sein und eine deutliche Schulter in der Flasche aufweisen, oder er kann langgestreckt" sein, und sanfte Obergänge zu dem zylindrischen Flaschenabschnitt zeigen. Der Ilauptteil der Flasche, nämlich der. insgesamt zylindrische Abschnitt, kann geriffelt oder anderweitig verformt werden, damit eina gute ästhetische Wirkung erzielt wird.

Der Ausdruck "heraustreten" wird in allgemeiner Bedeutung als "nach auscen treiben" verstanden und eine Flasche mit einem, nicht heraustretenden Boden verformt sich unter normalen Bedingungen nicht so weit, daß sie unansehnlich wird oder keine Standfestigkeit mehr besitzt«, Bei normalen Benuti'.ung3verhältnissen treten Temperaturen zwischen 0 und bO°C und ein innerer Überdruck von bis zu C, 8 at (100 ps.ip,) auf „ Normalerweise treten beim Entstehen eines Inn&ndru'cks einige bewegungen, im al !gerne inen Verlängerungen, auf, die aber nicht zum Heraustreten von Teilen des Bodens führen,

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Das Heraustreten kann unter einer Reihe von Umständen auftreten. Die beiden wichtigsten Umstände sind (a) Überbeanspruchung des für die Herstellung der Flasche verwendeten Kunststoffs, insbesondere, wenn der Innendruck der Flasche in der Flasche Belastungen hervorruft, die über die Fließspannung des Materials hinausgehen und starke Materialkrümmungen und -Verformungen herbeiführen. Bei der Flasche mit nicht heraustretendem Boden gemäß der Erfindung werden die Art und Menge des verwendeten thermoplastischen Kunststoffs und eine besondere geometrische Ausbildung des Flaschenbodens aneinander angepaßt.

Nun soll die geometrische Form der Flasche unter Berücksichtigung der Figuren 1 bis 4 beschrieben werden, wobei besonders die Fig. 4 betrachtet werden soll, die dazu dient, die Krümmungslinien aufzuzeigen, die bei einem Boden mit drei VorSprüngen längs der Linie 3-3 in Fig. 2 anzutreffen sind.

Die Aufsitzpunkte der Flasche werden durch die drei Vorsprünge 8,9 und 10 gebildet. Zwischen den Vorsprüngen befinden sich Stege 11, 12 und 13. Der Teil des Bodens zwischen den Vorsprüngen und den Stegabschnitten ist gekrümmt und bildet sanfte Übergänge zwischen den Vorsprüngen und den Stegen, d,h. die VorSprünge und Stege gehen in glatten Übergangslinien ineinander über. Die nach innen weisenden Teile der Vorsprünge sind gebogen und bilden einen glatten Übergang zwischen den Vorsprüngen und den Stegen. Die nach innen weisenden Teile der Vorsprünge und Stegabschnitte liegen an' der Basis 14 eines einspringenden Zylinders 15 an, der von zwei mit Abstand nebeneinander stehenden Seitenwandabschnitten 16 und 17 gebildet wird, die durch einen Ringwulst 18 miteinander verbunden.sind. Die Seitenwand 17 schließt sich dann an den Mittelteil 19 des Flaschenbodens an, der eine insgesamt kreisartige Gestalt hat, die axial fluchtend verläuft und im allgemeinen bis zu einer Position

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zurückgenommen ist, in der sie tangential zum Bodenteil der die Stege 11, 12 und 13 definierenden Kurve verläuft.

Im einzelnen beginnen die Stegabschnitte an dem eigentlichen Zylinderabschnitt, der mit 20, 21 und 22 bezeichnet ist und verlaufen kreisartig in Richtung auf die Mittelachse der Flasche mit einemRadius (R₁) von etwa 0,US bis 0,70 D, führen um etwa 75 bis 90 Bogengrade und enden an der Basis I¹I des Bodens des einspringenden Zylinders. Die Breite jedes Stegs wird durch die vorstehend genannte Beziehung (Gl.1) bestimmt.

In der Formel liegt F zwischen 0 und 1 (0<F<l). Ein ganz konservativer Wert für F würde "1" sein; in diesem Fall müßten die Stege die gesamte Belastung der Vorsprünge aufnehmen,

F kann dadurch bestimmt werden, daß man zunächst eine mit VorSprüngen versehene Versuchsflasche herstellt, bei der die Stegbreite entsprechend Gleichung 1 gewählt und der Wert von F angenähert ist; der Wert der Fließspannung ist aus unabhängigen Bestimmungen an dem thermoplastischen Kunststoff bekannt, für C₁ wird ein zwischen 0,75 und 0,95 liegender Wert eingesetzt, wobei der niedrigere Wert eine üblichere Ausführung kennzeichnet, die tatsächlichen Abmessungen für den Radius R und die Wandstärke T werden bestimmt, und die Zahl der Vorsprünge N kann an der Flasche abgezählt werden. Danach wird die Versuchsflasche unter Druck gesetzt und die Druckhöhe gemessen, die die Flasche aushalten kann, ohne bleibende Verformungen zu erleiden. Mit diesem Wert für P wird die Gleichung 1 nach F aufgelöst. Dieser Wert von F kann anschliessend für die Ermittlung der Breite der Streifen benutzt werden.

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Bei einer typischen Flasche mit drei VorSprüngen, wie in den Zeichnungen dargestellt, und einem Fassungsvermögen von 29 6 ml, einem Aussendurchmesser von etwa 57,2 mm und drei Stegen von je 11,1 mm Breite betrug F etwa 1/3 bis 1/2.

Die Stege haben im allgemeinen gleichmässige Breite, jedoch kann man die Breite variieren lassen; man hat dann die Durchschnittsbreite in die Gleichung 1 einzusetzen. Bei Stegen mit variabler Breite waren befriedigende Ergebnisse zu erzielen, wenn der an den Zylinderabschnitt anschliessende Abschnitt verhältnismässig breit war und die Breite des Steges gleichmässig abnahm oder sich verjüngte an den Stellen, wo der Steg zur Mittelachse der Flasche hin gekrümmt war.

Nachstehend wird eine Beispielsrechnung für die Stegbreite (w) gegeben, wenn eine Flasche mit vier Vorsprüngen (N=O mit einem Radius (R-.) von 28,6 mm und einer Wandstärke (t) von 0,7 6 mm angenommen wird. Das Polymere hat eine Streckgrenze (Syp) von U21 kg/cm² (6000 psi). Die Flasche soll einem Innendruck (P) von 6,8 at (100 psig) standhalten, der Anteil der Gesamtbelastung an den Vorsprüngen der Flasche, die von den Stegen getragen werden soll (F) ist 0,33, und der Sollbeanspruchungsfaktor beträgt 0,875.

w = IvT FR

Syp

- U-F)

w = 3,14*0,33*1,125

(0,87^(6000) ₍ _ *

¹⁰⁰ γο,03
= 10,5 mm

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Gleichung 1 gibt die Mindestbreite an, die Stege aufweisen müssen, die dem Heraustreten des Flaschenbodens bei dem Solldruck widerstehen können. Es gibt zahlreiche Gründe dafür, diesen Mindestwert zu überschreiten. Zum Beispiel sind manchmal Stege, die die Mindestbreite überschreiten, wegen des Aussehens der Flasche oder um zu verhindern, daß die Flasche unter unerwarteten oder ungewohnliehen Bedingungen doch Ausstülpungen erleidet» erwünscht.

Die Vorsprünge 8, 9 und 10 liegen zwischen den Stegabschnitten und jeder Vorsprung be.ginnt an dem Bereich 23, 24, und 25 des eigentlichen Zylinders und verläuft nach unten mit einem Radius (R₂) von etwa 0,8 bis 1,5 D, gemessen von der Ebene aus, die den eigentlichen Zylinderbereich von dem Bodenabschnitt der Flasche trennt und umfaßt etwa 20 bis 4 0 Bogengra,de; dieser Bogen geht dann in einen Ringwulst 26, 27 und 28 über, der einen Radius (R₃) von etwa 0,03 bis 0,10 D hat und 90 bis 150 Bogengrade weit einwärts und aufwärts in Richtung auf die Mittelachse der Flasche geführt ist. Der Ring wulst bildet die Standfläche der¹ Flasche, und die Mittelkrümmung des Ringwulstes liegt um ein Stück L₃ von etwa 0,3 bis 0,4 D weit von der Mittellinie der Flasche entfernt. Der Ringwulst hat einen glatten Materialübergang zur Basis 14 des einspringenden Zylinders in dem Flaschenboden.

Der einspringende Zylinder 15 wird durch die mit Abstand nebeneinander laufenden Seitenwände 16 bzw, 17 gebildet, deren Höhe L₁ bzw, L₂ etwa 0,05 bis 0,22 D beträgt. Die Seiten wände 16 und 17 brauchen aber nicht gleiche Höhe zu haben. Die Seitenwände sind durch einen Ringwulst 18 mit einem Radius R₁₊ von etwa 0,02 bis 0,04 D und etwa 180 Bogengraden verbunden,

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Der einspringende Zylinder ist für die Unversehrtheit des konstruktiven Aufbaus der erfindungsgemässen Kunststoff laschen sehr bedeutsam. Er wirkt wie ein Gewölbe, das den Innendruck der Flasche auffängt und ausserdem als Halteband, das die Stege und Vorsprünge zusammenält, während anderenfalls vor allem die Vorsprünge sich in Durchmesserrichtung auszudehnen suchen, wodurch der Durchmesser des Bodens zunimmt, was zu schwerwiegenden Problemen beim Verpacken, Versenden und Lagern führen kann.

Die Zahl der Stege und Vorsprünge an einer Flasche kann variieren, und die Fig. 5 bis 8 stellen eine solche Abänderung an einer Flasche mit sechs Vorsprüngen und sechs Stegen dar.

Die Zeichnungen lassen erkennen, daß die Flasche 29 selbst insgesamt zylindrisch ist und typische Flaschenform aufweist, angefangen am Rand, abwärts über den eigentlichen Zylinderteil bis zum Boden. Der Bodenabschnitt weist sechs Vorsprünge 31, 32, 33, 34 und 35 auf, die gleiche Grosse haben und in gleichmässigem Abstand am Rande des Flaschenbodens verteilt sind, wobei zwischen den Vorsprüngen sechs Stege 36, 37, 38, 39, 40 und 4-1 gleicher Grosse und in gleichmässigen Abständen vorgesehen sind. Die Breite jedes Stegs wird zunächst durch die oben angegebene Gleichung 1 bestimmt und die Vorsprünge erhalten eine Grosse, daß sie zwischen jeweils ein Stegpaar passen. Die Vorsprünge und Stege treffen in der Basis H2 des einspringenden Zylinders 4 3 im Flaschenboden zusammen. Eine Viand des einspringenden Zylinders endet in der Mittelplatte 50 der Zylinderbasis.

Fig. 8 gibt die Kurven längs der Linie 8-8 in Fig. 6 wieder, die den Flaschenboden bilden,·wobei R₁ der Krümmungs·

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radius für die Stegbereiche, R2 der Krümmungsradius der Vorsprünge, R₃ der Krümmungsradius für die RingwUlste 44, 45, 4 6, 47, 48 und 49, auf denen die Flasche steht, und R^ der Radius des Ringwulstes ist, der die beiden Seitenwände des einspringenden Zylinders 4 3 verbindet. L., und L.2 geben die Höhen der Seitenwände des einspringenden Zylinders 43 an, und L₃ bezeichnet den Abstand von der Mittellinie der Flasche zu dem Krümmungsmittelpunkt· der Ringwulste, die die Standflächen der Flasche bilden. Im einzelnen sind die geometrischen Details oben im Zusammenhang mit der Flasche mit drei Vorsprüngen bei der Definition von R^, R₂J R₃, R₁, und L., L„ und L₃ beschrieben.

Bei einer nochmals abgeänderten Ausführungsform ^eigt der einspringende Zylinder einen Verstärkungsring, der dem Flaschenboden einen erhöhten Schutz vor Ausbauchungen verleiht. Die Fig, 9, 10, 11 und 12 stellen die Anordnung eines einspringenden Zylinders in Verbindung mit einem Verstärkungsring dar; beides ist im Bodenteil einer Flasche mit vier Vorsprüngen vorgesehen, wobei die Stege und Vorsprünge die gleiche geometrische Konfiguration zeigen wie sie oben beschrieben wurde.

Fig. 9 zeigt die Vorderansicht einer Flasche 51 mit vier Vorsprüngen; die typische Flaschenform ist an dem oberen Randteil und dem Zylinderabschnitt der Flasche erkennbar. Der Bodenteil, der in den Fig. 10, 11 und 12 genauer erkennbar ist, geht von dem eigentlichen Zylinderabschnitt aus und weist vier Vorsprünge 52, 5 3, 54 und 55 sowie vier halbkreisförmige Stegabschnitte 56, 57, 58 und 59 auf, die sich zwischen den vier Vorsprüngen befinden. Die Vorsprünge und Stegabschnitte haben die gleiche prinzipielle geometrische Gestalt wie die oben beschriebenen Vorsprung und Stege, mit der Ausnahme, daß vier anstatt drei Teile

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AB

vorgesehen sind.

Ein einspringender Zylinder 60 ist in der gleichen Weise ausgebildet wie der oben beschriebene und besteht aus zwei mit Abstand voneinander verlaufenden Seitenwandteilen 61 und 62, beide etwa 0,5 bis 0,22 D hoch und durch einen 180 Bogengrad umfassenden Ringwulst 63 verbunden, dessen Radius, wie schon erwähnt, etwa 0,02 bis 0,04 D beträgt. Auf dem Ringwulst 6 3 sitzt ein Verstärkungsring 64. Der Verstärkungsring besteht aus zwei einander berührenden konzentrischen Seitenwandabschnxtten 65 und '66, die jeweils eine Höhe von etwa 0,05 bis 0,20 D haben und durch einen Ringwulst 67 zusammengehalten werden.

Die Vorsprünge und Stege sind an die Ausser.wand 61 des einspringenden Zylinders angeschlossen und die Innenwand 62 steht mit der zurückgenommenen Mittelplatte 6 8 in Verbindung.

Als thermoplastische Kunststoffe zur Herstellung von Flaschen mit einem Boden gemäß der Erfindung sind beispielsweise die folgenden Materialien geeignet: Polyäthylenterephthalat, Acrylnitril-Styrol-Methylacrylat-Copolymer, Acrylnitril-Äthylen-Methylacrylat-Copolymer, Methacrylnitril-Copolymere, Polycarbonate, Polysulfone, PolybiCp-AminocyclohexyD-dodecanamid oder Polyformaldehydharz. Das Polyäthylenterex>hthalat wird vorzugsweise verwendet, weil es hervorragende Festigkeitseigenschaften, insbesondere hohe Zugfestigkeit, ausgezeichnete Schlagzähigkeit und verhältnismässig geringfügiges Fliessen aufweist. Diese hohe Zugfestigkeit ist besonders wichtig, weil die erfindungsgemässen Flaschen Stegabschnitte besitzen, die von den Seitenwänden bis an den einspringenden Zylinder reichen und unter Spannung geraten, wenn ein Innendruck

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wirksam wird. Die Zugfestigkeit des Stegabschnitts in Verbindung mit der Festigkeit, die von dem axial fluchtenden einspringenden Zylinder herrührt, ist so groß, daß nicht die gesamte Bodenfläche zum Auffangen des Innendrucks der Flasche benötigt wird, weshalb ein Teil der Bodenfläche, verwendet werden kann, um Vorsprünge zu bilden, auf denen die Flasche steht.

Das zum Herstellen der erfindungsgemässen Gegenstände aus thermoplastischem Kunststoff verwendete Polyethylenterephthalat umfaßt (a) Polymere, in denen mindestens etwa 97 % des Polymeren aus wiederkehrenden Äthylenterephthalat-Gruppen mit der Formel

0 0

Il f\ Il

OCU₂CH₂OC (7 ^N\ C

gebildet sind, während der Rest aus kleineren Mengen estcrbildender Komponenten besteht, und (b) Copolymere des Äthylenterephthalats, in denen bis etwa 10 Holprozent des Copolymers von anderen esterbildenden Komponenten abgeleitet sind, die für entsprechende Mengen der üblichen Glycol- und/oder Carboxylreagenzien substituiert sind. Zu den anderen esterbildenden Komponenten gehören die Monomergruppen Diäthylenglycol, Propan-l,3-diol, Butan-l,4-diol, Polytetrame'thylenglycol, Polyäthylenglycol, Polypropylenglycol, l,U-Hydroxymethylcyclohexan und dgl. oder Isophthal-,

Diphen-, Naphthalen-1,4- oder -2,6~carboxyl-, Adipin-, Sebazin-, Dekan-1,10-dicarboxylsäure u. dgl..

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Die speziellen Grenzen hinsichtlich des Comonomeren ergeben sich aus der Glas-Umwandlungstemperatur des Polymeren. Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Glas-Umwandlungstemperatur bis unter 50⁰C reicht, ein Copolymer mit verschlechterten mechanischen Eigenschaften entsteht. Das entspricht einer Zugabe von höchstens etwa 10 Molprozent eines Comonomeren. Eine Ausnahme demgegenüber bildet beispielsweise die Zugabe von Diphensäure, bei der die Glas-Umwandlungstempera tür oberhalb von 50⁰C bleibt und bei Zugabe von mehr als 10 Molprozent nicht fällt. Andere Ausnahmen sind dem Fachmann an sich bekannt.

Das Polyäthylenterephthalat-Polymere kann mit verschiedenen Zusätzen versehen werden, die das Polymere nicht nachteilig beeinflussen, beispielsweise mit Antioxydantien oder Ultraviolettschutzmitteln, Extrusionshilfsmitteln, Additiven zur Verbesserung der Abbaubarkeit oder der Brennbarkeit des Polymeren, etwa Oxydationskatalysatoren, ferner mit Farbstoffen und Pigmenten.

Das Polyäthylenterephthalat sollte eine Eigenviskosität (10 % Konzentration des Polymeren in einer Lösung aus 37,5 Gewichtsprozent Tetrachloräthan und 62,5 Gewichtsprozent Phenol bei 30 C) von mindestens 0,55 haben, damit die verlangten Endeigenschaften des daraus hergestellten Gegenstands ge^u währleistet sind und vorzugsweise wird die Eigenviskosität auf mindestens 0,7 gehalten, um einen Gegenstand mit hervorragenden Zähigkeitseigenschaften, d.h..Stoßfestigkeit, zu erhalten. Die Viskosität der Polymerlösung wird in Beziehung gesetzt zu der des Lösungsmittels allein, und die Eigenviskosität ist

Eigenviskosität = nat.Log. ^osi-tat der Lösung

t> f'¹ Viskosität des Losungemittels

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Λ*

worin C die Konzentration in Gramm Polymerem je 100 ml Lösung ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform mit Polyethylenterephthalat als thermoplastischem Kunststoff, hat die Kunststoffflasche vorzugsweise eine Wandstärke im geraden zylindri~ sehen Abschnitt von mindestens 0,51 mm und von 0,76 mm im Bodenteil; ferner gelten folgende Eigenschaften, insbesondere für den Bodenteil der Flasche:

(a) Elastizitätsmodul bei Zugbeanspruchung 12 620 kg/cm

(b) Zugfestigkeit mindestens 351 kg/cm

(c) Querdehnungsziffer 0,35 bis 0,4

(d) Deformationskonstante, gleich der Neigung des Logarithmus des reziproken Werts der Dehnungsgeschwindigkeit gegegen die Dehnung mindestens 0,65,

Der Elastizitätsmodul bei Zugbeanspruchung ist das Verhältnis von Spannung zu Dehnung einer Probe bei Zugbeanspruchung, wobei die Streckgrenzenbeanspruchung die Beanspruchung ist, bei der die Probe sich zu dehnen beginnt, ohne daß eine Vergrösserung der Belastung vorliegt. Der Elastizitätsmodul bei Zugbeanspruchung ist definiert durch ASTM D-882, "Festigkeitseigenschaften dünner Kunststoffolien".

Die Zugfestigkeit bei Bruchbelastung ist definiert durch ASTM D-886, wonach eine Probe einer Spannungsbeanspruchung bis zum Bruch ausgesetzt wird.

Die Verformungskonstante ist ein Maß für das Fliessen. Fliessen wird an Polymeren allgemein gemessen, indem eine Probe einer festen Beanspruchung, d.h. einer Spannung bei konstanter Temperatur ausgesetzt wird, wobei die Verformung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird. Die Kurven für

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thermoplastische Kunststoffe haben eine charakteristische Form, bei der die Dehnungsgeschwindigkeit mit der Zeit abnimmt. Ein Diagramm des Logarithmus des reziproken Werts der Dehnungsgeschwindigkeit gegen die Dehnung ergibt einen linearen Kurvenverlauf in einem wesentlichen Bereich der Fließkurve» Die Neigung des geradlinigen Abschnittsi der hier als Verformungskonstante bezeichnet ist, läßt sich mathematisch ausdrücken durch

worin DC = Verformungskonstante,
dt = Differential der Zeit
dt = Differential der Dehnung

Diese Verformungskonstante ist für die in Betracht kommenden thermoplastischen Kunststoffe anwendbar und kann dazu dienen, das Flicßverhalten durch Gegenüberstellung der Neigungswerte untereinander zu vergleichen. Eine Verformungskonstante mit dem Wert 0 gibt an, daß die untersuchte Probe sich mit ihrer natürlichen Dehnungsgeschwindigkeit verlängert oder sagt für die angegebene Belastung aus, daß die Dehnungsgeschwindigkeit konstant ist. Eine Verformungskonstante "Unendlich" läßt erkennen, daß keine meßbare Dehnung angezeigt wird.

Für Flaschen, die entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Polyäthylenterephthalat hergestellt sind, beträgt die Verformungskonstante mindestens ungefähr 0,65, was besagt, daß eine Verformung von weniger als 5 % innerhalb von 100 Stunden bei 50⁰C und einem Innendruck von 5,1 at (75 psig) eintritt.

Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für Flaschen mit einer

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Konfiguration des Bodens gemäß der Erfindung ist in der USA-Patentanmeldung Ser.No. 93 571 (30. November 1970) beschrieben, auf die hierdurch Bezug genommen wird. Nach dem Verfahren wird ein hohler, biaxial ausgerichteterGegenstand aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt durch Extrudieren eines hohlen, zylindrischenRohteils aus thermoplastischem Kunststoff mittels Stempel durch eine Ringöffnung in eine verschiebbare Form bei einer in dem Bereich der molekularen Orientierung liegenden Temperatur zu einem Formstück, das relativ grosser ist als_die Ausgangsform des Rohteils; dabei weist die Form eine nutartige Vertiefung an ihrem einen Ende auf für die Aufnahme und Halterung eines Endes des Preßteils, während das Preßteil gleichzeitig in Extrudierrichtung gezogen und das Preßteil durch Druckausüben gegen die Innenseiten des Preßteils mittels eines Gases oder einer Flüssigkeit expandiert wird, so daß es die Gestalt der Preßform annimmt, während diese an der Preßkopföffnung vorbeigeführt wird, wenn der Preßvorgang kontinuierlich fortgesetzt wird. Die Vorsprünge und Stege eingeben sich durch passende Ausbildung der Form und Expandieren des Polymeren, so daß es sich der Form anschmiegt. Der einspringende Zylinder und der Verstärkungsring entstehen, indem zuerst die Flasche mit Vorsprüngen und Stegen geformt und dann die Bewegungsrichtung der Form gegen die Preßrichtung umgekehrt

wird, wodurch der zurückgezogene, einspringende Zylinder und/oder der Verstärkungsring in dem Flaschenboden gebildet wird. Man kann aber auch den Formhohlraum so ausbilden, öaß er eine Flasche mit der Bodenkonfiguration wiedergibt, wie sie in der Erfindung beschrieben ist.

Die Herste!Jung einer Flasche mit der erfindungygemässen Konfiguration des Flaschenbodens kann aber auch nach einem anderen Verfahren erfolgen.

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Δ Ζ ά.\) 0 \

Die erfindungsgemässe Form des Flas.chenbodens läßt sich bei verschiedenen Arten und Grossen von Kunststofflaschen verwenden und bei Flüssigkeiten die unter Druck stehen oder druckfrei aufbewahrt werden. Jedoch werdenFlaschen mit einem derartigen Boden in erster Linie für unter Druck stehende Flüssigkeiten, wie Sprudel oder Bier, verwendet.

Die nachstehenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel. 1

Kunststofflaschen werden gemäß dem Verfahren aus der USA-Patentanmeldung Ser.Mo. 93 571 (30. November 1970) hergestellt, wonach ein hohles Rohteil aus thermoplastischem Kunststoff durch eine ringförmige Öffnung in eine bewegliche Form gepreßt wird, welche Form eine nutartige Vertiefung an ihrem einen Ende für die Aufnahme des Preßteils besitzt.. Dann läßt man die Form bei fortlaufendem Extrudieren an der Preßkopföffnung vorbeilaufen, wobei das Preßteil bei bewegter Form gezogen wird, während es gleichzeitig gegen die Innenwände der Form gedrückt wird durch Einleiten eines unter Druck stehenden Fluids in das Innere des Preßteils.

Das Rohteil ist amorph und hergestellt aus Polyäthylenterephthalat mit einer Eigenviskosität von etwa 0,85.

Es werden dr'ei verschiedene Formen verwendet, die jeweils zehn Flashen produzieren mit (a) Böden mit drei Vorsprüngen, gemäß Fig. 1 bis ^lf, (b)Böden mit vier Vorsprüngen gemäß Fig. bis 12, jedoch ohne Verstärkungsring, und (c) Böden mit sechs Vorsprängen nach den Fig. 5 bis'8. In denFormen werclen die Stege speziell aus Metall mit bestimmten Konturen ge-

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bildet, damit die verlangten Stegformen entstehen. Die Vorsprünge in den Flaschen mit drei Vorsprüngen entstehen, wenn das Polymerrohteil expandiert und Polymerisat in die Zwischenräume zwischen dem Metall gedrückt wird, das die Stege definiert. Bei den Flaschen mit vier und sechs Vorsprüngen werden die Übergangsflachen zwischen den Vorsprüngen und den Streifen durch in die Form eingebrachtes, konturiertes Metall geformt; jedoch hat es sich gezeigt, daß diese Maßnahme nicht zwingend ist, weil das eingedrückte Polymerisat fließt und natürliche Übergangs linien bildet, die praktisch verwendbar sind.

Die Stege in dem Boden mit drei Vorsprüngen sind gleichmassig 14,7 mm breit. Die Stege in dem Boden mit vier Vorsprüngen haben eine Breite von etwa 27,4 mm, wo der Steg an den geraden Zylinder anstößt und verjüngen sich zu einer Breite von etwa 15,7 mm an der Stelle, wo der Steg auf den kreisförmigen zurückgenommenen Abschnitt des Bodens trifft. Die Stege an der Flasche mit sechs Vorsprüngen haben eine Breite von ungefähr 15,4 mm an der Stelle, wo der Steg an den geraden Zylinder anstößt, und die Breite der Stege nimmt bis auf etwa 7,7 mm ab, wenn der Steg auf den kreisförmigen zurückgenommenen Abschnixt des Bodens trifft.

Jede Flasche faßt ungefähr 296 ml, und ihr Auseendurchrnesser am geraden Zylinderabschnitt beträgt etwa 57,2 mm bei etwa 0,51 mm Wandstärke. Die mittlere Wandstärke im Flaschenboden beträgt etwa 1,27 mm.

Die Flaschen haben ferner folgende Abmessungen:

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Flasche mit

drei Vorsprüngen

mm

vier Vorsprüngen
mm

sechs Vorsprüngen

mm

R₁ (Radius des Stegs) 28,5

R₂ (Radius des Vorsprungs) 11,2

R» (Radius des Ringwulsts

am Fuß der Flasche) 2,28

R₄ (Radius des Ringwulsts des einspringenden Zylinders) 1,27

U. (Seitenwand des einspringenden Zylinders) 9,55

L_? (Seitenwand des einspringenden Zylinders) 9,55

L₃ (Mittellinie der Flasche bis zur Mitte des Ringwulsts am Fuß der Flasche) 15,8

28,5
57,6

3,3

28,5 57,6

3,3

1,27	1,27
9,55	9,55
6,35	6,35

19,1

Die Flaschen werden geprüft, indem man sie mit etwa 296 ml Flüssigkeit (Wasser) füllt und sie bei Zimmertemperatur etwa zwei Minuten lang mit einem Druck von 6,8 at (100 psig) beaufschlagt. In allen Fällen längt sich die Flasche in Axialrichtung um einen Nominalbetrag, der Boden tritt aber nicht heraus, und die Flasche steht auf einer ebenen Fläche.

Danach wird der Innendruck in der Flasche auf 5,4 at (80 psig) reduziert und die Flasche in diesem Zustand fünf Tage lang bei 5 0° C gelagert. In keinem Fall tritt der Boden der Flasche heraus. . ' '

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Beispiel 2

Eine Flasche mit vier Vorsprüngen wird ebenso hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, abgesehen davon, daß der Boden einen einspringenden Zylinder und einen Verstärkungsring erhält, wie er in Verbindung mit den Fig. 11 und 12 beschrieben wurde« Die anstossenden Seitenwände des Verstärkungsrings sind etwa 12,7 mm lang und im Mittel etwa 2,54 mm stark.

Diese Flasche wird geprüft, indem man sie mit etwa 296 ml Wasser füllt und unter Druck setzt. Diese Flasche hält bei Zimmertemperatur etwa 2 Min lang einen Druck von etwa 20,4 at (300 psig) aus. Die Flasche längt sich in Axialrichtung um einen Nominalbetrag, jedoch wird der Boden nicht herausgedrückt, und die Flasche steht auf einer ebenen Fläche.

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Claims

F-2227 15. Juni 1972

P a t e η t a η Sprüche.

Aus thermoplastischem Kunststoff bestehende, insgesamt zylindrische und zumindest in dem zylindrischen Abschnitt biaxial ausgerichtete Flasche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenteil (7) im wesentlichen aus mindestens drei am Rande des Flaschenbodens, auf dem die Flasche (1) steht, angeordneten Vorsprüngen (8, 9, 10) besteht, einem Stegabschnitt (11, 12, 13) zwischen jeweils zwei Vorsprüngen, einem axial ausgerichteten einspringenden. Zylinder (15), sowie einem insgesamt kreisförmigen und axial ausgerichteten zurückgenommenen Abschnitt mit einem glatten Materialübergang zwischen Vorsprüngen (8, 9, 10), Stegen (11, 12, 13), einspringendem Zylinder (-15) und dem zurückgenommenen Abschnitt, ferner dadurch gekennzeichnet, daß (a) die Stegabschnitte (11, 12, 13) an dem insgesamt zylindrischen Abschnitt (6) der Flasche (1) beginnen und sich nach unten in Richtung auf die vertikale Mittelachse der Flasche mit einem Radius von etwa 0,H5 bis 0,7 D (D wird weiter unten definiert) fortsetzen und dabei 75 bis 90 Bogengrade umfassen und in die Ba· sis des einspringenden Zylinders (15) einmünden, wobei die Breite jedes Stegs definiert ist durch die Beziehung:

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w = TuFR

Syp

- (1-F)

wobei: w

N
R
P
Syp

t
It

Durchschnittsbreite eines einzelnen Stegs,

Zahl der Stege
D/2

selbsterzeugter Solldruck Fließspannung des thermoplastischen Kunststoffs

0,75 bis 0,95 (Sollbeanspruchungsfaktor) Bruchteil der von den Stegen aufzunehmenden, auf die Vorsprünge der Flasche wirkenden Belastung Wandstärke
3,14

(b) die Vorsprünge (8, 9, 10) zwischen die Stegabschnitte (11, 12, 13) eingeschaltet sind und jeder Vorsprung von dem insgesamt zylindrischen Abschnitt (6) der Flasche (1) ausgeht und mit einem Radius von etwa 0,2 bis 1,5 D, gemessen von der Ebene zwischen dem geradlinigen Abschnitt (6) und dem Bodenteil (7) der Flasche (1) aus, nach unten verläuft, 20 bis 40 Bogengrade umfaßt und an einen Ringwulst (26, 27, 28) anschließt, der einen Radius von etwa 0,03 bis 0,1 D aufweist, etwa 90 bis 150 Bogengrade in Richtung abwärts und einwärts in Richtungauf die Mittelachse der Flasche (1) zieht und in die Basis des einspringenden Zylinders (15) mündet, wobei dieser Ringwulst die Standfläche der Flasche darstellt und der Krümmungs-

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mittelpunkt des Ringwulsts einen Abstand von etwa 0,3 bis 0,4 D von der Mittelachse der Flasche hat, und

(c) der axial fluchtende einspringende Zylinder in dem Flaschenboden durch zwei konzentrische Wände (16, 17) definiert ist, die eine Höhe von jeweils etwa 0,05 bis 0,22 D haben, wobei eine Wand in glexchmassigem Abstand an der Basis dieser Wand mit den nach innen reichenden Teilen der Vorsprünge und Stegabschnitte verbunden ist, während die andere Wand mit der zurückgenommenen Mittelscheibe verbunden ist und die beiden Wände untereinander durch einen Ringwulst (18) verbunden sind, dessen Radius etwa 0,02 bis 0,04 D beträgt und der über 180 Bogengrade verläuft, wobei die hier genannte Grosse D gleich dem Aussendurchmesser der Flasche (1) ist, gemessen senkrecht zu der Hauptachse der Flasche an der Stelle, wo der Bodenteil (7) der Flasche (1) mit dem insgesamt zylindrischenAbschnitt (6) der Flasche (1) zusammentrifft.

2, Flasche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei bis sechs Vorsprünge und ebensoviele Stegabschnitte vorgesehen sind.

3, Flasche nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Verstärkungsring (6U) aus thermoplastischem Kunststoff an der Innenseite des Ringwulsts (63), der die Wände (61, 62) des einspringenden Zylinders (60) verbindet, wobei der Verstärkungsring aus zwei konzentrischen,

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einander berührenden Seitenwandabschnitten gebildet ist, die jeweils eine Länge von etwa 0,05 bis 0,20 D haben.

4. Flasche nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als thermoplastischer Kunststoff Polyäthylenterephthalat mit einer Eigenviskosität von mindestens etwa 0,55 verwendet ist.

Flasche nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Wandstärke von mindestens 0,51 mm in dem insgesamt zylindrischen Abschnitt (6) und 0,76 mm in dem Bodenteil (7), hergestellt aus einem Polymeren mit einem

Elastizitätsmodul von mindestens etwa 12 6 20 kg/cm bei Zugbeanspruchung, einer Zerreißfestigkeit von minde-

2
stens 351 kg/cm , einer Querdehnungsziffer von 0,35 bis 0,4 und einer Verformungskonstanten, die gleich der Neigung des Logarithmus des reziproken Werts der Dehnungsgeschwindigkeit gegen die Dehnung ist und einen Wert von mindestens etwa 0*65 hat.

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