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CN118891413A - 制造涂有阻隔层的纤维素基基材的方法、含由此制造的纤维素基基材的层压包装材料和包装容器 - Google Patents

制造涂有阻隔层的纤维素基基材的方法、含由此制造的纤维素基基材的层压包装材料和包装容器 Download PDF

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CN118891413A
CN118891413A CN202380028107.4A CN202380028107A CN118891413A CN 118891413 A CN118891413 A CN 118891413A CN 202380028107 A CN202380028107 A CN 202380028107A CN 118891413 A CN118891413 A CN 118891413A
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CN
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coating
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cellulose
paper
barrier
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Application number
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米卡埃尔·柏林
彼得·奥赫曼
约翰·达尔奎斯特
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Tetra Laval Holdings and Finance SA
Original Assignee
Tetra Laval Holdings and Finance SA
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Abstract

本发明涉及一种工业上可行的、优化的制造高质量涂有气体阻隔层的纤维素基基材(10a;10b;25a;25b;25c)的方法。本发明还涉及一种层压包装材料(20a;20b;20c),其包括所得的涂有阻隔层的纤维素基基材(10a;10b),其适用于包装氧气敏感产品,以及涉及包括该层压包装材料的包装容器。

Description

制造涂有阻隔层的纤维素基基材的方法、含由此制造的纤维 素基基材的层压包装材料和包装容器
技术领域
本发明涉及一种制造用于包装氧气敏感(oxygen-sensitive)产品(例如食品)的涂有阻隔层的纸或纤维素基基材的工业方法。本发明还涉及一种层压包装材料,其包括由此制造的涂有阻隔层的纸或纤维素基基材,其用于包装氧气敏感产品(例如食品,例如液体或半液体食品),以及涉及一种包含层压包装材料的包装容器。
背景技术
用于液体食品的一次性使用的一次性类型的包装容器通常由基于纸板或厚纸板的包装层压材料制成。一种这样的常见包装容器以Tetra Brik为商标进行销售,并且主要用于被销售以用于长期环境储存的液体食品(例如牛奶、果汁等)的无菌包装。这种已知包装容器中的包装材料通常是层压材料,该层压材料包括纸、纸板或其他纤维素基材料的主体层或芯层以及热塑性塑料的外部液密层。为了使包装容器气密,特别是氧气气密,例如出于无菌包装和包装牛奶或果汁的目的,这些包装容器中的层压材料通常包括至少一个附加层,最通常地包括铝箔。
在层压材料的内侧上,即在用于面向由该层压材料生产的容器的填充的食品内容物的一侧上,存在施加到铝箔上的最内层,该最内的内侧层可以由一个或几个部分层构成,包含可热封热塑性聚合物,例如粘附性聚合物和/或聚烯烃。同样在主体层的外侧,存在最外可热封聚合物层。
包装容器通常通过现代的高速包装机来生产,这种类型的包装机从包装材料卷材或包装材料预制坯料形成包装、并对其进行填充和密封。因此,包装容器可以通过以下方式生产:通过将最内和最外的可热封热塑性聚合物层焊接(welding)在一起,使得卷材的两个纵向边缘在重叠接合部(overlap joint)处彼此结合在一起,来将所述层压包装材料卷材改造成管。该管被填充预期的液体食品,然后通过该管的各重复的横向密封部(transversal seals)将该管分成各单独的包装,这些横向密封部在该管中的内容物的水平面下方并且彼此相距预定距离。通过沿着横向密封部的切口将包装与管分离,并且通过沿着包装材料中已准备好的折痕线折叠成形而得到期望的几何构型,该期望的几何构型通常为平行六面体。在容器填充、形成和密封之前或之后,每个包装可以配备开启装置,例如螺旋塞。
这种连续管形成、填充和密封包装方法构思的主要优点在于,可以在管形成之前连续对卷材进行灭菌,从而提供无菌包装方法的可能性,该方法即以下这样的方法,其中待填充的液体内容物以及包装材料本身的细菌减少,并且填充的包装容器在干净的条件下生产,使得填充的包装物即使在环境温度下也可以长时间储存,而没有微生物在被填充的产品中生长的风险。如上所述,Tetra型包装方法的另一个重要优点是连续高速包装的可能性,这对成本效率具有相当大的影响。
用于敏感液体食品(例如牛奶或果汁)的包装容器也可以由本发明的层压包装材料的片状坯料或预制坯料制成。利用被折叠成平面的包装层压材料的管状坯料,通过首先将该坯料树立起来,以形成开口管状容器囊(open tubular container capsule)来生产包装,该管状容器囊的一个开口端通过折叠和热封整体端面板(integral end panels)的方式来封闭。如此封闭的容器囊通过其开口端来填充相关食品(例如,果汁),该开口端然后通过进一步折叠和热封相应的整体端面板的方式来封闭。由片状和管状坯料制成的包装容器的示例是传统的所谓的山形顶包装。还存在这种具有由塑料制成的模制顶部和/或螺旋帽的类型的包装。
包装层压材料中的铝箔层提供了比大多数其他气体阻隔材料更加优越的气体阻隔性能。传统的用于液体食品无菌包装的基于铝箔的包装层压材料还具有对水蒸气、光线、香气、味道和酸性物质的固有的阻隔性能,并且仍然是目前市场上可用的在其性能水平上最具成本效益的包装材料。此外,铝箔可以通过铝箔中的感应对层压材料进行热封和加热。
与基于铝箔的材料媲美的任何其他材料必须在原材料方面具有成本效益、具有可比拟的食品保存性能并且在将材料转化成成品包装层压材料方面具有可比拟的低复杂性。
在开发用于液体食品纸盒包装的非铝箔材料的努力中,还有一个动机是开发具有高阻隔功能和多重阻隔功能的预制膜或片材,其可取代传统的层压包装材料中的铝箔阻隔材料,或与该层压材料中的其他阻隔层组合,并使其适应常规的层压和制造工艺。
这种替代性的、更具环保可持续性的阻隔材料的优选类型是通过在薄纸载体基材上进行水性分散涂布(aqueous dispersion coating)或气相沉积涂布而制成的涂有阻隔层的纸基材。存在各种水性分散涂布工艺和气相沉积涂布工艺以及用于实现此类涂布的材料配方,但需要以下这种具有成本效益的“非箔”类型(即非铝箔)的阻隔材料:该“非箔”类型的阻隔材料在阻隔性能方面,特别在针对气体(例如氧气)的阻隔性能方面,具有改进的性能,以供在液体食品包装的包装层压材料中使用。
较早的专利公开WO2011/003565A1公开了一种非铝箔包装材料,其包含经预涂和金属化的牛皮纸基材,以用于感应热封的目的。它推荐相当厚的涂层并在预涂层中包含额外的纳米粘土颗粒,并且为了获得良好的气体阻隔性能,还应该在包装层压材料中施加进一步的阻隔涂层,例如在纸基材的背面上或在主体纸板层上施加进一步的阻隔涂层。
较早的专利公布WO2017/089508A1公开了如何通过选择提供最佳性能的纸基材,从类似包装层压材料中的金属化纸获得进一步改进的阻隔性能。这种金属化纸基材不仅提供了改进的阻隔性能,而且还表明金属化层在感应热封方面具有更好的稳定性。
然而,仍然需要一种稳固且工业上可行的涂布方法,即以高涂布线速度运行,以在选定的最佳范围的纸和纤维素基基材上提供最佳和可靠的氧气阻隔性能。通常,还需要改进所用材料的可回收性和可持续性,以减少所用材料的量和不同类型材料的数量。
发明内容
因此,本发明的一般目的是提供一种工业上可行的方法,其用于高速、稳健地制造涂有阻隔层的纸或纤维素基基材,适合作为在包装氧气敏感产品(例如食品,例如特别是液体或半液体或湿食品)中的气体阻隔材料,并用于被制造用于包装氧气敏感产品的未来可持续的、非铝箔基(“非箔”)层压包装材料。
本发明的另一个总体目的是提供一种工业上可行的方法,其用于高速、稳健地制造具有良好气体阻隔性能以及改进的可回收性和可持续性特征的涂有阻隔层的纸或纤维素基基材(即满足未来对用于包装氧气敏感产品的可持续包装材料的需求)。
更具体的目的是提供一种工业上可行且稳健的方法来制造涂有阻隔层的纸或纤维素基基材,其适用于非箔层压包装材料和用于液体、半液体或粘稠食品的包装容器,以便在环境条件下实现长期无菌储存。
另一个目的是提供一种相对于铝箔阻隔材料而言成本高效且可靠的纸或纸板基层压包装材料,其具有良好的气体阻隔性能,并且可选地具有水蒸气阻隔性能,易于回收且环境可持续,用于包裹或包装氧气敏感产品(例如食品)。
本发明的另一个目的是提供一种具有可靠气体和水蒸气阻隔性能的、成本有效的、非箔的、纸或纸板基的、可热封的包装层压材料,其用于制造无菌包装容器,以在环境条件下且在保持营养质量的情况下长期储存液体、半液体或粘稠食品。
因此,根据本发明,这些目的可以如所附权利要求中定义的通过制造涂有阻隔层的纸或纤维素基基材的方法、层压包装材料和包装容器来实现。
发明内容
根据本发明的第一方面,提供了一种制造用于包装氧气敏感产品的阻隔涂层纤维素基基材的方法,该方法包括以下步骤:以300m/min或更高的线速度传送纸基或纤维素基基材的卷材,
所述纤维素基基材的卷材被选择为具有根据ISO 536:2012测量的30至70g/m2的克重以及具有根据ISO 534:2011测量的800kg/m3至1400kg/m3的密度,所述纸基或纤维素基基材的顶侧的表面表现出根据ISO 8791:4测量的低于130ml/min的Bendtsen粗糙度值以及根据ISO 535测量的低于30g/m2或更低的Cobb 60,
提供气体阻隔聚合物的水溶液,所述气体阻隔聚合物选自乙烯醇聚合物、PVOH、乙烯乙烯醇共聚物、EVOH和改性的此类PVOH和EVOH聚合物,所述水溶液具有5至15重量%的固体含量以及10至120mPa*s的粘度,通过辊涂法将所述气体阻隔聚合物的所述水溶液施加到所述纸基或纤维素基基材的所述卷材的所述顶侧的所述表面上,以提供干重为0.5至2g/m2的均匀的涂层,干燥先前步骤中所施加的水性气体阻隔聚合物涂层,同时将卷材基材的表面温度始终保持在60℃至95℃以下,重复施加所述气体阻隔聚合物的水溶液和随后干燥所施加的水性气体阻隔聚合物涂层的步骤至少一次,任选地,进一步通过物理气相沉积的方式,用金属和/或金属氧化物的纳米厚的阻隔沉积涂层涂布如此获得的、经涂布的以及干燥的卷材基材,从而得到涂有阻隔层的纸基或纤维素基基材,其在所述气体阻隔涂层以及在任选的所述金属和/或金属氧化物沉积涂层中具有最少的缺陷。
在一种实施方案中,辊涂法是轮转凹版涂布法,例如反向轮转凹版涂布法。
所述PVOH或EVOH的水溶液可以具有7至13重量%的固体含量,例如9至13重量%的固体含量,例如10至12.5重量%的固体含量。
施加气体阻隔聚合物的水溶液并随后干燥所施加的水性气体阻隔聚合物涂层的步骤可以重复一次,使得每个涂布步骤施加的水性气体阻隔聚合物涂层的量为0.5至1g/m2(干重)。已发现这在高速处理中效果最佳,即施加薄而均匀的涂层,几乎没有遗漏和缺陷,从而获得足够的氧气阻隔性能,以及能够小心地干燥涂层,但速度足够快以适应涂布线的高速,包括避免在干燥步骤期间在涂层内形成缺陷。同时,对于所选的纸基材的质量,湿的、薄薄地施加的气体阻隔聚合物溶液涂层可平整基材表面的粗糙度,同时仍保持涂层的粘结性,使其在干燥成连贯均匀的阻隔涂层之前不会被基材表面破坏或部分吸收。
在优选的实施方案中,在每个干燥步骤中,卷材基材的表面温度始终保持在85℃以下,例如80℃以下。
可选的气相沉积涂层可以是铝金属化涂层或氧化铝涂层或铝与氧化铝的混合涂层。
根据本发明的第二方面,提供了一种层压包装材料,其包括通过第一方面的方法制造的涂有阻隔层的纤维素基基材,并且还包括第一最外层保护性材料层和第二最内液密可热封材料层,其中,层压包装材料表现出根据ASTM F1927-14测量,在50%RH、在24h、0.2atm氧气下,氧气透过率值为0.5cm3/m2或更低,由此测得的氧气阻隔性能仅由第一方面中的涂层材料提供。
第一最外保护性材料层可以是薄聚合物层,其目的是保护纸基或纸板基层压包装材料免受封闭包装容器外部环境中(即在朝向由包装层压材料制成的包装容器的外部的一侧)的污垢和湿气的影响。
第二最内液密可热封材料层可以包括热塑性聚合物层,该层可通过可用的热封方法(例如感应热封或超声波热封,或仅接触热封)容易地进行热封,并且位于涂有阻隔层的纸基或纤维素基基材的涂有阻隔层的一侧,该侧将朝向由包装层压材料制成的包装容器的内部,即与包装食品直接接触。
第二最内层液密可热封材料层可以包括聚烯烃聚合物,例如较低密度范围的聚乙烯,其例如选由LDPE、LLDPE、m-LLDPE和其中两种或多种的任意混合物组成的组。
根据一实施方案,第一最外保护性材料层和第二最内液密可热封材料层都可以包括聚烯烃聚合物,例如相同或不同类型的聚乙烯聚合物。
为了纸箱包装氧气敏感产品,例如液体或半液体或粘稠食品,层压包装材料还可以包括纸或纸板或其他纤维素基材料主体层,并且,包括所述涂有阻隔层的纤维素基基材,其布置在纸或纸板主体层的内侧上,在主体层和第二最内层液密可热封材料层之间。主体层可有助于层压包装材料的弯曲刚度,并有助于由其制成的折叠成型包装容器的尺寸稳定性,以承受在分配和搬运过程中由包装内容物(例如液体和粘稠的氧气敏感产品)中的运动产生的强大作用力。
在一实施方案中,为了实现这种液体纸箱包装,第二最内液密可热封聚烯烃层是预制聚烯烃膜,例如预制聚乙烯膜,例如流延的双向取向聚乙烯膜,其包括至少一层具有大部分LLDPE聚合物的层,以提高层压包装材料的机械性能的稳健性。
本发明的第三方面提供了一种包装容器,其包括第二方面的层压包装材料。根据一实施方案,包装容器至少部分地由本发明的层压包装材料制成,并且根据另一实施方案,其全部由层压包装材料制成。
虽然迄今为止已经假设这种涂有阻隔层的纤维素基基材的改进的气体阻隔性能应该通过采购更好的纸或基材来实现或者通过在更厚的层中涂布更多具有固有气体阻隔性能的聚合物,这些纸或基材本身在进一步层压到聚合物层时固有地提供气体阻隔性能,但现在人们已经更好地理解,纸或纤维素基基材的表面部分对于以下方面起着关键作用:随后施加的以带来气体阻隔性能的涂层的最佳性能,以及在工业上可行的条件并最小化阻隔材料的消耗下以高且可靠的质量(即没有缺陷和厚度变化)施加涂有阻隔层的优化方法。工业上可行的条件的含义是必须能够以高速并因此,以低或合理、平衡的成本施加良好的阻隔涂层。
已经看到的是,纤维素基基材本身的阻隔质量不需要很高,并且可以在某些条件下最小化作为阻隔预涂层的被涂布的气体阻隔聚合物的量,以仍然以经济的方式生产高质量的涂有阻隔层的纸或纤维素基基材。
因此,使用如上所述的、通过本发明的方法制造的涂有阻隔层的纤维素基基材可以在工业规模上为层压包装材料和由其制成的包装容器提供良好的气体阻隔性能,并且由于易于再浆化的纤维素纤维含量增加,还可以赋予改进的可再浆化性和回收性能,即提高的可持续性。
通常,在层压材料和包装中使用纤维素基基材可提供更大比例的纤维含量,这些纤维既是可再生的,即非化石来源的,又可以回收或生物降解,从而将旧材料再循环用于创造新材料。此外,在夹层结构中使用纸或纤维素基基材作为“面层”通过在主体层的每一侧层压此类面层而支持使用具有较低弯曲刚度(因此纤维质量较低)且更便宜,或者密度较低,并因此使用较少量纤维的主体材料。
因此,通过第一方面的方法获得的涂有气体阻隔层的纤维素基基材,以及由此产生的材料层结构,为包含它的层压包装材料提供了改进的阻隔性能,并且还可以进一步赋予良好的可回收性和可持续性特征。
详细描述
结合本发明使用的术语“长期储存”是指包装容器应该能够在环境条件下保持所包装食品的品质(即营养价值、卫生安全和味道)达至少1或2个月,例如至少3个月,优选更长,例如6个月,例如12个月,或更长。
术语“包装完好性”通常是指包装的密封性,即包装容器的抗漏性或抗破损性。该术语包括包装对微生物(例如细菌、污垢和其他物质)侵入的抵抗力,这些微生物可能会使填充的食品变质并缩短包装的预期保质期。
层压包装材料对包装的完好性的一个主要贡献由该层压材料的相邻层之间良好的内部粘附性提供。另一个贡献来自材料对缺陷(例如每个材料层本身内的针孔、破裂等)的抵抗力,还有另一个贡献来自密封接合部的强度,在形成包装容器时,材料通过密封接合部密封在一起。因此,对于层压包装材料本身,完好性性能主要集中在各个层压层与其相邻层的粘合性,以及各个材料层的质量。关于包装的密封,完好性主要集中在密封接合部的质量上,这是通过填充机中良好的功能运作和稳健的密封操作来确保的,而这又是通过层压包装材料充分适应的热封性能来保证的。
术语“液体、半液体或粘稠食品”通常是指具有流动内容物的食品,其可选地还可以包含固体食物碎片。乳制品和牛奶、大豆、大米、谷物和种子饮料、果汁、花蜜、非碳酸饮料、能量饮料、运动饮料、咖啡或茶饮料、椰子水、葡萄酒、汤、碎番茄、酱汁(如意大利面酱)、豆类和橄榄油是预期食品的一些非限制性示例。
可以用本公开内容的层压包装材料包装和保护的其他氧气敏感食品产品的示例是例如干燥和/或脂肪食品。
与包装材料和包装容器相关的术语“无菌”是指微生物被消除、失活或杀死的条件。微生物的示例是细菌和孢子。当将产品无菌地包装在包装容器中时,通常使用无菌工艺。为了实现包装保质期内的持续无菌性,包装完好性当然非常重要。此外,为了实现填充食品的长期保质期,包装具有对气体和蒸气(例如对氧气)的阻隔性能可能还很重要,以保持其原始味道和营养价值完好,例如其维生素C含量。
术语“主体层”通常是指多层层压材料中最厚的层或包含最多材料的层,即对层压材料(例如厚纸、纸板或硬纸板)与机械性能和尺寸稳定性以及由层压材料折叠而成的包装容器的结构稳定性贡献最大的层。它也可指在夹层结构中提供更大厚度距离的层,该层进一步与在主体层的每一侧具有更高杨氏模量的稳定面层相互作用,以实现足够的此类机械性能(例如弯曲刚度),以实现成型包装容器的结构稳定性。
根据ASTM F1927-14,OTR使用基于库仑传感器的Oxtran2/21(Mocon)设备测量。
用于确定OTR的方法确定了在特定温度、给定大气压力下,在特定时间内(即在24小时内,在以0.2或1个大气压(氧气)表示的20%或者替代地100%氧气的气氛中)穿过材料时,每个表面和时间单位的氧气量。
适用于本发明的方法的基材不限于某种类型的纸或者纤维素并且还包括其他纤维素基基材,其基于任何类型的天然纤维素、纤维纤维素或原纤维纤维素。然而,本发明不适用于由塑料或聚合物制成的基材,例如由再生纤维素制成的膜。
按照ISO 8791:4测量,纸或纤维素基基材在其涂层面(“顶面”或“印刷面”)上具有130ml/min Bendtsen或更低的表面平滑度,例如120ml/min或更低、例如100ml/min或更低、例如80ml/min或更低、例如50ml/min或更低、例如30ml/min或更低,例如25ml/min或更低,并且按照ISO 535:2014测量,其Cobb 60表面吸水率为30g/m2或更低,在根据本发明的制造涂有阻隔层的结构的方法中发挥良好作用,从而可以在工业上可行的条件下生产出良好的这种结构。可以理解的是,只要基材满足所选的一组特性参数,在高涂布线速度下执行的针对涂布和制造本发明的涂有阻隔层的纤维素基基材的方法步骤组合可以改善不同纸基材的阻隔性能。如果表面粗糙度(以单位为ml/min的Bendtsen值测量)太高,则纤维素基材料的表面将出现“谷”和“峰”,使得薄薄地施加的气体阻隔聚合物水溶液湿涂层将无法填充和抹平“谷”,也无法覆盖“峰”。因此,施加和干燥的气体阻隔聚合物涂层不会完全覆盖表面,而是具有可通过染料着色方法检测到的缺陷,氧气分子可以通过这些缺陷轻易渗透穿过涂层。因此,这种有缺陷和不足的阻隔涂层的对气体阻隔性能的贡献将显著减少。较粗糙的基材表面自然需要施加更多的聚合物涂层,这也可以在较低的涂布线速度下施加。然而,在高涂布速度下,可以施加多少水性涂层、在干燥操作中可以蒸发掉多少水以及水性阻隔聚合物溶液可以具有多高的粘度和固体含量是有限的。
在一实施方案中,需要低于120ml/min Bendtsen的表面粗糙度,例如低于100ml/min,例如低于80ml/min,例如低于50ml/min,例如低于30ml/min,例如低于25ml/min。在低于30ml/min时,基材表面非常光滑,可以施加0.5g/m2的PVOH薄涂层,并且仍然完全覆盖和涂布表面。
根据ISO 535:2014的Cobb 60方法测量在标准条件下纤维素基基材的吸水率,并且在某种程度上是纤维素基基材表面的“可涂布性”的量度,可涂布性即被气体阻隔聚合物的水溶液组合物涂布的能力。如果表面在干燥之前能够吸收过多的溶液,则薄薄地涂布的湿涂层将会破裂并且不能形成气体阻隔聚合物的连续涂层。因此,重要的是Cobb 60值低于30g/m2,例如低于28g/m2,并且优选不高于25g/m2
纤维素基基材的顶侧的表面可以表现出低于30ml/min的Bendtsen粗糙度值和25g/m2或更低的Cobb 60吸收值。
为了适用于通过气相沉积涂层工艺进行的最终涂有阻隔层的步骤,纤维素基基材需要很薄,并且具有根据ISO 536:2012测量的30至70g/m2,例如30至60g/m2,例如35至50g/m2,例如35至45g/m2的克重,并且具有根据ISO 534:2011测量的800kg/m3至1400kg/m3,例如900至1400kg/m3,例如950至1400kg/m3的密度。出于效率和生产经济的原因,以及为了避免在涂布和干燥操作期间由于空气被约束在纤维状多孔纤维素基基材中而导致涂层起泡,需要具有高密度且重量和厚度都相当低的纤维素基基材。另一方面,克重低于30g/m2的纤维素基基材当用湿分散体涂布并随后干燥时,在机械上可能太弱和/或尺寸稳定性较差,从而表现出收缩或卷曲问题。
因此,更优选使用克重为30至50g/m2,例如最优选35至45g/m2,密度为900kg/m3至1400kg/m3的纤维素基基材。
纤维素基基材的厚度可为35至65μm,例如35至60μm,例如35至50μm,例如35至45μm。已经发现,对于某些用途,例如对于湿或液体或粘稠产品的液密包装,使用尽可能薄的高密度纸基材也是有利的,因为在保持包装及其热封的完整性的情况下,相邻的液密或可热封层中可能需要较少的聚合物。
在一实施方案中,根据Tappi T460 om-2,纸基或纤维素基基材的顶侧的表面表现出大于1000s/dl的Gurley孔隙度值,例如大于2000s/dl。具有低孔隙率的表面的优点在于,较少的气体阻隔聚合物水溶液将被吸收到纤维素基基材中。由于气体阻隔溶液的每层溶液涂层都非常薄,这对于涂层的内部连贯性以及涂层形成光滑和均匀的表面以接收其上的进一步涂层或层的能力也很重要。
因此,在适合用包含氧气阻隔聚合物的水溶液组合物的薄涂层涂布的纤维素基基材中,基材材料中的孔的数量和大小应优选显著减少。通过对用于制造基材的纸浆进行广泛精炼,纤维结合程度将增加,从而降低孔隙率。防油纸是通过这种广泛精炼生产的,并且具有足够低的孔隙率以提供油脂阻隔。因此,防油纸被视为额外的气体阻隔涂层的的潜在基材或载体。然而,所得纸浆具有高脱水阻力,需要长时间进行原料脱水,并且制造过程成本高,并且不利于再浆化和回收过程。对于羊皮纸而言也是如此,在制造过程中,羊皮纸通过硫酸浴获得胶化纤维,这使得纤维不易脱水和再浆化,而且羊皮纸具有不期望的脆性。
根据一实施方案,用于本发明的纤维素基基材可以由纤维素纤维形成,所述纤维素纤维包含至少50%干重的化学纸浆,例如牛皮纸浆或亚硫酸盐纸浆。硫酸盐或亚硫酸盐纸浆用于获得足够坚韧的纸张,以用于下游工艺,例如高线速度下的涂布,以及转换层压和最终包装的使用。
硫酸盐/牛皮纸浆可能是优选的,因为它被广泛地大量生产并且有利于改进回收中的再浆化以及纤维的一般脱水。亚硫酸盐纤维通常具有较高比例的精制纤维,这可能产生略微相反的效果,具体取决于比例有多高以及精制程度。根据本发明的一个实施方案,因此牛皮纸浆可能是优选的。
纤维素基基材可以由纤维素纤维形成,所述纤维素纤维包含以纸浆的干重计35-100%(例如35-80%,例如40-70%)的用于形成高密度纸的软木纸浆。纸浆组合物的其它部分可以包括硬木纤维和一些少量的其他纤维。
包括软木纸浆的好处是改进了造纸机的运行性能并且使所得纸张具有有益的强度/韧性特性。相对高比例的软木浆可促进纤维素基基材具有足够高的密度,而不会在基材制造过程中造成脱水问题,并能够在回收操作中重新浆化。纤维成分的精制程度进一步被选择为促进脱水和再浆化能力,同时形成具有较低孔隙率的致密纸张。
因此,尽管存在一些具有固有良好氧气阻隔性能的基材纸,但由于其他原因,例如可回收性(再浆化性)低,这些基材纸对于最终材料而言是不太优选的,并且需要能够通过涂层材料提供氧气阻隔性能的主要贡献,以便涂布并很好地粘合到基材表面并与基材表面很好地相互作用。
为了在高于300m/min的高涂布线速度(例如高于400m/min)下具有良好的涂布机械性能,纤维素基基材在MD(机器方向)上的拉伸强度应为3至6KN/m,在CD(横向)上的拉伸强度应为1.5至3.5KN/m。在本公开内容中,拉伸强度是根据ISO 1924-3:2005测量的。因此,较高的拉伸强度可能表明纸基材可用于在涂布和层压操作期间承受卷材搬运力(handlingforces)。
纤维素基基材还可具有在机器方向上1.4至3.5%的拉伸应变和在CD方向上2.1至6.0%的拉伸应变。
纤维素基基材还可具有在MD方向上35至90J/m2的拉伸能量和在CD方向上37至140J/m2的拉伸能量。
此外,纤维素基基材的E模量在MD方向上可为9500至12500MPa,在CD方向上可为4000至7000MPa。
优选地,在不牺牲拉伸强度和其他机械性能的情况下获得有益的阻隔性和回收性。
为了从少量阻隔涂层材料提供良好的气体阻隔性能,因此,先前已经发现,要涂布到仅纳米厚度的气相沉积涂层,首先需要将薄而无缺陷的气体阻隔聚合物预涂层施加到纸或纤维素基基材上,以提供进一步的阻隔性能。最佳工作的此类阻隔预涂层选自乙烯醇聚合物和共聚物,它们具有固有的气体阻隔性能,并且无论是在可回收性方面还是在工业涂布和层压工艺方面都是食品安全的并且是环境可持续的。此类聚合物是水分散性的和/或可溶于水的,并且通过水性“分散体涂布”工艺或所谓的“液膜涂布”工艺施加。
适用于涂布本发明的水性气体阻隔聚合物溶液组合物的工业上可行的(即高速的)方法大致是任何合适的湿辊涂布方法,例如轮转凹版辊涂布(rotogravure rollcoating)、光滑辊涂布和逆辊或凹版涂布。在本发明的方法的一个有利实施方案中,通过反向凹版涂布施加气体阻隔聚合物的水溶液组合物。与正向凹版涂布相比,凹版涂布方法的反向已被证明更有利于使涂布表面平滑,正向凹版涂布更像是将气体阻隔聚合物印刷到表面上的印刷方法,而不是完全涂布方法。
因此,水溶液涂层组合物的气体阻隔聚合物可以是基于乙烯醇单体的聚合物或共聚物,其例如选自聚乙烯醇(PVOH)、乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)以及可以形成水溶液的改性PVOH和EVOH共聚物。在某些情况下,这种聚合物例如通过添加羧酸官能团进行改性。
在一个实施方案中,水溶性气体阻隔聚合物是PVOH,例如来自Kuraray的型PVOH,其提供良好的成膜性能、气体阻隔性能、成本效益、食品相容性和气味阻隔性能。
在另一实施方案中,气体阻隔聚合物是具有低乙烯单体含量的水溶性EVOH,例如来自Kuraray的型EVOH。使用EVOH聚合物作为气体阻隔材料的优点在于乙烯含量支持抗湿性,使得氧气阻隔性能在较高相对湿度(例如80%RH)下也能更好地保持。这尤其适用于氧气敏感液体的包装,例如液体食品的纸板层压包装。
传统的EVOH聚合物通常用于挤出,不可能分散或溶解在水性介质中来生产4g/m2或以下的涂有薄液膜的阻隔膜。水溶性EVOH包含更高量的乙烯醇单体单元以具有水分散性,并且其性能尽可能接近液膜涂层等级的PVOH。因此,另一方面,挤出的EVOH层并不能替代涂有液体膜的EVOH,因为与用于分散体/溶液涂布的EVOH等级相比,挤出的EVOH层固有的属性与PVOH的相似度更少,并且因为它不能通过熔融挤出涂布或熔融挤出层压复合的方式以低于4g/m2的成本效益量来施加为单层。
当PVOH的皂化度至少为98mol%(例如至少99mol%)时,基于PVOH的气体阻隔组合物表现最佳,但是皂化度较低的PVOH也将提供氧气阻隔性能。对于本发明的方法来说,最有利的PVOH质量和等级是6-98。
在另一实施方案中,PVOH可以是15-99。
在又一实施方案中,PVOH可以是6-96,尽管该等级提供的氧气阻隔性可能稍低。
本发明方法中适合涂布的EVOH等级可以是4104AQ,其具有与6-98类似的可涂布性,以及HR-3010,其具有与15-99类似的可涂布性。
水溶性气体阻隔聚合物的固体含量应为5至15重量%,以适合辊涂施加方法,并且可以根据EVOH或PVOH的选择和涂布速度调整到合适的固体含量。本发明方法中的固体含量更适合为7至13重量%,例如9至13重量%,例如优选10至12.5重量%。事实证明,在固体含量为10%以上时,通过反向凹版涂布法可以获得最佳质量的PVOH涂层,即涂层均匀光滑且基本没有缺陷。更具体地说,与PVOH级6-98结合使用时,在高于300m/min的高涂布线速度下(例如在400m/min以上,例如在600m/min以上)获得更好的结果。
待涂布的气体阻隔聚合物的水溶液的粘度应为10至120mPa*s,例如从50至100mPa*s。这允许在高于300m/min的高涂布线速度下(例如在400m/min以上,例如在600m/min以上),由凹版辊以最佳方式拾取气体阻隔溶液并进一步转移到基材表面上。
阻隔预涂层组合物还可包含少量(例如基于干涂层重量约1至约10重量%)的无机层状化合物,例如碳酸钙、CaCO3、滑石粉或剥离纳米粘土颗粒,例如膨润土。在这种情况下,因此,阻隔层可以包括基于干涂层重量为约99至约80重量%的聚合物。
气体阻隔组合物中还可以包含添加剂,例如分散稳定剂等,基于干涂层,其含量优选不超过约1重量%。该组合物的总干含量优选为5至15重量%,更优选为7至12重量%。
阻隔预涂层组合物中的另一种可能的添加剂可以是具有官能羧酸基团的聚合物或化合物,以提高PVOH涂层的水蒸气和氧气阻隔性能。合适地,这种具有官能羧酸基团的聚合物选自乙烯丙烯酸共聚物(EAA)和乙烯甲基丙烯酸共聚物(EMAA)或其混合物。在一个实施方案中,这样的阻隔层混合物可以基本上由PVOH、EAA和无机层状化合物组成。在阻隔层中可以包括基于干涂层重量为约1-20重量%,例如1至15重量%,例如1至10重量%的量的EAA共聚物。
据信,一些进一步改善的氧气和水阻隔性能可能是由于PVOH和EAA在升高的干燥温度下发生酯化反应,由此PVOH被疏水性EAA聚合物链交联,从而其被内置到PVOH的结构中。替代地,交联可以通过多价化合物(例如金属化合物,例如金属氧化物)的存在来诱导。然而,由于添加剂的成本,此类混合物更昂贵,并且从可回收性的角度来看可能不是太优选的。
因此,虽然更优选使用由纯PVOH或EVOH组合物制成的阻隔预涂层,但是也可以用包含如上所述的其他添加剂的气体阻隔预涂层获得有利的结果。
在一实施方案中,乙烯醇(共)聚合物(例如PVOH或EVOH)的水溶液可以例如包含少量正辛醇作为消泡添加剂,例如含量为0.01至0.1wt%。
通过辊涂法将气体阻隔聚合物的水溶液均匀地施加到纸或纤维素基基材的卷材的顶侧的表面上,以提供干重为0.5至2g/m2的涂层。低于0.5g/m2时,气体阻隔性能将不够,而高于2g/m2时,涂层不会为包装层压材料带来成本效益,因为能源成本高,并且可用于蒸发液体的时间短(因为涂层线速度高)。PVOH在0.5g/m2及以上时实现可识别的氧气阻隔水平,并且在0.5至2g/m2的涂层中实现阻隔性能、涂层质量和成本之间的良好平衡。通常,总体上需要更厚的气体阻隔聚合物涂层,因此在第一涂布层干燥完成后至少要添加一个进一步的涂布步骤。
在本发明的方法中,气体阻隔涂层以至少两个连续步骤(中间进行干燥)施加作为至少两个部分层。当以两个部分层施加时,因此每个层适当地以干重0.5至2g/m2的量施加,例如0.5至1.5g/m2,例如优选0.5至1g/m2的量施加,并且允许从较少量的液体气体阻隔组合物中获得更高质量的总层。最优选地,两个PVOH部分层以每个0.5至1g/m2的量施加。
所施加的湿涂层的量比所施加的且干燥的固体目标涂层高出约十倍,因此所施加的PVOH湿涂层的量为约5至约20g/m2,例如5至约10g/m2,这因此解释了在高涂布速度下,在干燥步骤中需要蒸发相当多克重的水。重要的是不要在涂布的基材上残留过多的水分或使水分被基材吸收,因为水分可能会干扰涂布方法中的任何后续步骤并导致所施加的阻隔涂层出现缺陷,从而危及涂层质量并最终降低涂有阻隔层基材所提供的氧气阻隔性能。
可以在60至70摄氏度的温度下加热和施加气体阻隔聚合物的水溶液组合物。通过加热到这样的高温,涂层中形成泡沫气泡的风险降低。
为了进一步减少水性气体阻隔聚合物溶液中的气泡或泡沫形成,可以添加消泡添加剂。优选的消泡剂是正辛醇,它既是食品安全的,又被证明在低量时(例如在溶液的0.01至0.1重量%的低量下,例如在溶液的约0.05重量%的低量下)比其他测试的试剂提供更好的效果。注意到其他测试的试剂会使PVOH变质,使得它们增加所施加且干燥的PVOH涂层的OTR。
根据本发明的方法,仅在低温下持续干燥非常重要,因为气体阻隔聚合物水溶液的湿涂层非常薄,并且可能因施加过强的加热而损坏。
干燥步骤可以通过热风干燥器进行,其还允许水分蒸发并通过空气对流从基材表面吹走。当基材穿过干燥器时,基材温度保持恒定,温度为60℃至低于95℃,例如65℃至低于90℃,例如70℃至低于90℃,例如70℃至85℃,例如70℃至80℃。如果需要,在高线速度下,可部分地由红外IR灯的辐射热与热空气对流干燥相结合来辅助干燥。
湿施加的涂层添加的水越多,在高线速度下干燥器中蒸发的水就越多。水性涂层中可能有多高的固体含量才能达到仅1-2g/m2的干燥薄涂层与干燥器部分的长度之间存在平衡。干燥速度不能太快,因为有结皮的风险;也不能太慢,因为纸张吸收量过高会导致表面膜厚降低和/或涂层破裂(有缺陷)。因此,应控制水的蒸发,以避免基材表面温度过高以及结皮。
这种平衡设置对于每条涂布线/纸/涂层组合来说可能是独一无二的。
优选地,本发明的方法包括通过物理气相沉积(PVD)将阻隔涂层气相沉积到从干燥的气体阻隔聚合物水溶液中获得的第一施加的气体阻隔预涂层上的步骤。
这种物理气相沉积涂层可以是选自金属、金属氧化物和无机氧化物的材料。
在本发明的方法中,阻隔沉积涂层选自铝金属化涂层、氧化铝、AlOx、以及铝和AlOx的混合涂层。优选地,其为铝金属化涂层。
这种薄的气相沉积涂层是纳米级厚度,即它们具有最适合以纳米计算的厚度,例如5至500nm(50至),例如5至200nm,更例如5至100nm,例如5至50nm。
通常,低于5nm,阻隔性能可能太低而无法使用,而高于200nm,例如高于100nm,例如高于50nm,这具体取决于沉积涂层的质量,阻隔涂层可能不太柔性,并且因此当施加于柔性基材时更容易开裂,并且由于沉积涂层速度必须较低,因此成本也会更高。
在一个实施方案中,阻隔沉积涂层被施加至10至80nm的厚度,例如10至50nm,例如10至45nm的厚度。
基本上由铝金属组成的气相沉积层因此可以具有5至50nm的厚度,更优选地为5至40nm的厚度,这对应于小于在用于包装的常规厚度(即6.3μm)的铝箔中存在的铝金属材料的1%。虽然气相沉积金属涂层需要的金属材料少得多,但它们最多只能提供低水平的氧气阻隔性能,并且需要与其他气体阻隔材料结合,以便提供具有足够阻隔性能的最终层压材料。另一方面,它可以补充POVH或EVOH等气体阻隔层,该气体阻隔层不提供水蒸气阻隔性能,并且对水分相当敏感。
气相沉积涂层的其他示例是氧化铝(AlOx、Al2O3)和氧化硅(SiOx)涂层。通常,此类PVD涂层会更脆,不太适合通过层压结合到包装材料中,而金属化层尽管是通过PVD制成的,但确实具有更适合层压材料的机械性能。
通常,由于所使用的金属化涂层工艺的性质,铝金属化层固有地具有由氧化铝组成的薄表面部分。
为了使PVD涂层工艺最佳地工作,纸基或纤维素基基材中的水分含量应保持在4%至8%之间。如果纸基材变得太干,它可能会使其纵向边缘相互卷曲,并在本发明的方法中引起涂布和搬运问题。另一方面,如果水分含量变得太高,气相沉积涂层操作可能无法正常工作以提供高质量的涂层。
在一实施方案中,铝金属化层被施加到光密度(OD)为1.8或更高,例如从1.8到3.5,例如从2.0到3.0,优选从2.1到2.6。在低于1.8的光密度下,金属化膜的阻隔性能可能太低。
光密度在生产中通过密度计测量,即使用漫射光传输原理的仪器(例如来自Macbeth、Tobias或类似的仪器)。该仪器适用于测量涂覆铝的金属化膜的光密度值。测量的准确性和精确度很高,在0到6.60OD的测量范围内,分别为约+/-0.2OD和约+/-0.01OD。
在实验室测量中,分光光度计可以替代地测量整个可见光谱(380-800nm)的光透射率。根据公式OD=-log10(I1/I0),根据560nm处的透光率(T)值计算光密度,所得值同样准确(+/-0.2OD),可与透光密度计值相当。
通常,金属或金属与金属氧化物的混合物的薄涂层提供对水蒸气的阻隔性能,并且在所需功能是防止水蒸气迁移进入和穿过多层膜或包装层压材料时使用。优选地,为了制造食品包装材料的目的,金属化或无机金属涂层中的金属是铝(Al)。
根据本发明的方法获得的涂有阻隔层的纸或纤维素基基材提供优异的低OTR和低WVTR,并证明适用于层压成层压包装材料并进一步用于将这种层压材料形成包装的折叠成型和密封操作。
分散涂层的高质量对于随后涂布的气相沉积涂层的所得高质量也是重要的和必要的。当气相沉积涂层是也用于高频感应热封的金属化涂层时,这尤其重要,因为涂层的均匀性和基本无缺陷性尤其重要。
包括涂有阻隔层的纤维素基基材的层压包装材料还包括第一最外层保护性材料层和第二最内层液密可热封材料层。第二最内层液密可热封材料层可以包括热塑性聚合物,例如聚烯烃聚合物或由聚烯烃聚合物制成。第一最外层保护性材料层可以是透明的,以使主体层外部的印刷装饰图案可见。它还可以包括热塑性聚合物,例如聚烯烃聚合物或由聚烯烃聚合物制成。
用于液体食品包装的基于厚纸板(carton)的层压包装材料还可包括纸质或纸板的主体层、第一最外保护性材料层、第二最内液密可热封材料层和所述涂有阻隔层的纸或纤维素基基材,所述涂有阻隔层的纸质或纤维素基基材被布置在纸质或纸板的主体层的内侧、朝向由包装材料制成的包装容器的内部,并且介于主体层和第二最内液密可热封材料层之间。
在一实施方案中,基于厚纸板的层压包装材料可包括纸或纸板的主体层、第一最外液密可热封聚烯烃层、第二最内液密可热封聚烯烃层、以及所述涂有阻隔层的纸或纤维素基基材,所述涂有阻隔层的纸或纤维素基基材被布置在纸或纸板主体层的内侧、朝向由包装材料制成的包装容器的内部并且介于主体层和最内层之间。
因此,涂有阻隔层的纸基或纤维素基基材的涂有阻隔层的一侧朝向第二最内液密可热封层。因此,任何金属化阻隔涂层都与一个或多个第二最内液密可热封材料层相邻。
用于本发明的纸或纸板主体层通常具有约100μm至约600μm的厚度,以及约100-500g/m2、优选约200-300g/m2的表面重量,并且可以是具有合适包装质量的常规纸或纸板。
对于液体食品的低成本无菌、长期包装,可以使用较薄的包装层压材料,其具有较薄的纸芯层。由这种包装层压材料制成的包装容器不是折叠成型的,并且更类似于枕形软袋。适用于小袋包装的纸通常具有约50至约140g/m2、优选约70至约120g/m2、更优选70至约110g/m2的表面重量。由于本发明的方法的涂有阻隔层的纸基或纤维素基基材本身就可为层压材料带来一定的稳定性,因此对应于“主体”层的纸质层可能更薄,并且通过夹层相互作用与涂有阻隔层的纤维素基基材相互作用,从而仍然生产出完全具有所需机械性能的层压包装材料。
涂有阻隔层的纸质或纤维素基基材可通过中间粘附剂或热塑性聚合物粘合层粘合到主体层,从而将涂有阻隔层的纸的未经涂布的表面粘合到主体层。根据一个实施方案,粘合层是主要包括乙烯单体单元的聚烯烃层,例如特别是聚乙烯基聚烯烃共聚物或共混物层。粘合层通过以下方式将主体层粘合到涂有阻隔层的纸质或纤维素基基材上:将粘合聚合物层熔融挤出层压在主体层卷材和纤维素基基材卷材之间,并且在该三层前进通过层压辊辊隙时,同时将该三层压制在一起,由此通过挤出层压提供了层压结构。
在另一个实施方案中,可通过以下方式将涂有阻隔层的纤维素基基材粘合至主体层上:将包含粘性聚合物粘合剂的粘性组合物的水性分散体湿法施加到待层压的卷材表面之一上,并在两个纸卷材前进通过层压辊辊隙时将该两个纸卷材按压在一起,由此通过湿法层压提供了层压结构。在随后的层压过程中,水性粘性组合物的水分被吸收到两个纤维素基层的纤维状纤维素网络中,并随时间部分蒸发。因此不需要强制干燥步骤。
水性粘性聚合物粘合剂可以选自由丙烯酸聚合物和共聚物、淀粉、纤维素和多糖衍生物、乙酸乙烯酯和乙烯醇的聚合物和共聚物组成的组。为了获得最佳的环境和可持续性特性,首选源自植物或非化石来源的粘性粘合剂。
用于最外可热封液密层和最内可热封液密层的合适热塑性塑料是聚烯烃,例如聚乙烯和聚丙烯均聚物或共聚物,优选聚乙烯,更优地选自低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE))、单位点催化剂茂金属聚乙烯(m-LLDPE)及其共混物或共聚物的聚乙烯。根据一实施方案,第一最外保护性液密层是LDPE,而第二最内可热封液密层是m-LLDPE和LDPE的共混组合物,以获得最佳的层压和热封性能。
针对第一最外层和第二最内层所列举出的相同的热塑性聚烯烃基材料(特别是聚乙烯)也适合作为层压材料内部的粘合层,即在主体层或芯层(例如纸或纸板)和阻隔层膜或片材之间的粘合层。在一实施方案中,热塑性内部粘合层可以是聚烯烃层,例如聚乙烯层,例如低密度聚乙烯(LDPE)层。
在另一实施方案中,第二最内液密可热封聚烯烃层是预制膜,其包含如上所述的相同或相似的聚烯烃,即LDPE、LLDPE和/或m-LLDPE,例如双向取向膜,其包含至少一层主要为LLDPE聚合物的层,以提高包装材料的机械性能的稳健性。由于吹膜和膜流延操作中的制造过程,以及可选的后续膜取向操作步骤,此类膜的聚合物获得与(共)挤出涂布的聚烯烃层可能获得的不同的性质。这样的预制的、优选取向的聚合物膜会有助于层压包装材料的机械稳健性和由层压包装材料形成和填充的包装容器的机械强度和包装完好性。
根据替代实施方案,在层压材料内部的(诸如例如,在主体层或芯层与涂有阻隔层的纤维素基基材之间的或者在外部可热封层与涂有阻隔层的纸基材之间的)合适的粘合或连接层也就是所谓的粘性热塑性聚合物(诸如,改性聚烯烃),其主要基于LDPE或LLDPE共聚物或,具有含官能团(例如羧基或缩水甘油基官能团)的单体单元(例如(甲基)丙烯酸单体或马来酸酐(MAH)单体)的接枝共聚物(即乙烯丙烯酸共聚物(EAA)或乙烯甲基丙烯酸共聚物(EMAA)),乙烯-(甲基)丙烯酸缩水甘油酯共聚物(EG(M)A)或MAH-接枝聚乙烯(MAH-g-PE)。这种改性聚合物或粘附性聚合物的另一个示例是所谓的离聚物或离聚物聚合物。优选地,改性聚烯烃是乙烯丙烯酸共聚物(EAA)或乙烯甲基丙烯酸共聚物(EMAA)。
当涂有气体阻隔层的的纤维素基基材进一步涂布气相沉积涂层时,该涂层也为涂有阻隔层的基材增加了水蒸气阻隔性能,因此通常不需要在液体纸盒包装的包装材料的总层压结构中添加其他气体或水蒸气阻隔材料层。
然而,在不同的实施方案中,涂有气体阻隔层的纤维素基基材(即仅涂有水性气体阻隔溶液)可以通过中间粘合层层压到另一水蒸气阻隔材料上,而不是直接用水蒸气阻隔材料涂覆。因此,涂有气体阻隔层的纸基材可以通过其涂有阻隔层的一侧粘合到具有金属或金属氧化物的气相沉积涂层的预制聚合物膜上。因此,预制膜的气相沉积涂层侧粘合到涂有气体阻隔层的纸基材上。粘合层可以是如上所述通过熔融挤出层压或湿粘合层压施加的聚合物或粘合剂。预制膜的聚合物基体还可以在其相对侧包括可热封聚合物层,其可以参与层压包装材料的热封操作。替代地,或者,另外,可以将单独施加的热封聚合物涂布到预制膜的内侧,以形成层压包装材料的第二最内液密可热封层。因此,也可以将单独制造的涂有阻隔层的基材纸和涂有阻隔层的预制聚合物膜组合成层压包装材料,以在层压材料中高水分含量(例如相对湿度为80-90%)的条件下很好地保护氧敏感产品免于过度暴露于氧气中。
根据不同的具体实施方案,层压包装材料可以具有层压在涂有阻隔层的纸基材的内侧上(即,在纸基材的与层压到主体层的一侧相反的一侧上)的预制聚合物膜基材,其中,预制聚合物膜的聚合物组合物还包含无机层状化合物以给预制聚合物膜提供气相阻隔性能,而不是用金属或金属氧化物涂层进行气相沉积。这种填充聚合物膜还可以在材料中水分含量高的情况下(例如在包装对氧气敏感的液体产品时)保护涂有阻隔层的纸上的气体阻隔涂层。
然而,为了使薄的阻隔涂层提供尽可能好的氧气和水蒸气阻隔性能,最有利和优选的是,气体阻隔聚合物涂层直接进一步由金属或金属氧化物涂层进行气相沉积涂布。
根据上述方法制成的层压包装材料在转变为填充包装容器时通过层压结构内相邻层之间的良好粘附性和相互作用以及通过提供良好质量的气体阻隔涂层和气相沉积阻隔涂层而提供良好的完好性。特别是对于液体和湿食品的包装,一个重要的结论是层压包装材料内的层间粘附性以及氧气阻隔性能在湿包装条件下也能保持。
根据进一步的实施方案,可以将由层压包装材料形成的包装容器部分密封,填充液体或半液态食品,并且随后通过将包装材料与自身密封(任选地与包装的塑料开口或顶部部分组合)来进行密封。
总而言之,由于所提供的改进的阻隔性能,如本发明所定义的涂有阻隔层的纤维素基基材以及包含该涂有阻隔层的纤维素基基材的层压包装材料可以获得用于长期保质期和储存的用于液体食品包装的稳健和可靠的包装。层压包装材料结构更适合形成折叠成形的包装,这既是因为改善了基材和阻隔材料涂层之间的粘附性,也因为改善了阻隔涂层基材本身对气体阻隔性能的贡献,这也可能是由于阻隔涂层与涂有阻隔层的纤维素基基材的结合内聚力和粘附性得到改善。
附图说明
下面将结合附图对本发明的优选实施方案进行说明,其中:
图1a示意性地示出了通过根据本发明的方法制成的涂有气体阻隔层的纤维素基基材的横截面的示例,
图1b示意性地示出了通过根据本发明的方法制成的涂有气体以及水蒸气阻隔层的纤维素基基材的另一个示例,
图2a示出了层压包装材料的示意性横截面图,该层压包装材料包含图1a的涂有阻隔层的纤维素基基材,
图2b示出了层压包装材料的示意性横截面图,其包括图1b的涂有阻隔层的纤维素基基材,
图2c示出了另一种层压包装材料,其包括图1b的涂有阻隔层的纤维素基基材,
图3a示意性地示出了用于将气体阻隔涂层组合物分散涂布到纤维素基基材上的方法,
图3b示意性地示出了用于将热塑性可热封且液密聚合物层熔融(共)挤出涂布到卷材基材上,以形成本发明的包装层压材料的最内层和最外层的方法,
图4示出了使用固体金属蒸发件在卷材基材上进行物理气相沉积(PVD)涂布的设备的示意图,
图5a、5b、5c和5d示出了由根据本发明的层压包装材料生产的包装容器的典型示例,
图6示出了如何以连续、辊进给、成型、填充和密封过程通过包装层压材料制造这样的包装容器的原理,以及
图7a-7f示出了通过比较涂层试验获得的湿涂水性气体阻隔涂层的质量的结果。
具体实施方式
在各种情况下,以300m/min以上(例如400至600m/min)的高线速度用PVOH水溶液涂布各种纸基材,以验证是否实现了均匀且无缺陷的涂层,从而在工业上可行的制造条件下为纸基材提供额外的、可靠的氧气阻隔性能。在之前的中试和实验室规模的涂层实验中,这是可能的,但在扩大到工业速度时,遇到了重大问题。
在工业线速度下,出现了两个相互关联的主要问题。首先,随着干燥步骤中通过热风对流干燥器的线速度增加,会没有足够的时间蒸发掉由水性湿涂层组合物施加的过高量的水。因此,涂有气体阻隔层的基材中的水分含量可能变得过高,例如超过8重量%,并在涉及高温的后续操作中,例如在气相沉积涂层工艺或其他加热层压工艺中产生问题。其次,由于通过干燥器的线速度增加,干燥操作的温度也需要提高,这导致湿涂涂层的热负荷更高以及纸基的温度更高,这共同促进了涂层中缺陷的形成,例如结皮、泡沫、针孔和涂层中不一致、不均匀的材料。因此,重要的是能够平衡涂层和制造方法变化的影响,并确定一组可以在高涂层线速度下用于水性气体阻隔涂层的稳健设置和参数。
在实验过程中确定了高线速度下缺陷形成的许多根本原因。一方面,所施加的湿涂层不能太厚太重,另一方面,要很好地覆盖基材的表面,以便能够形成均匀、无缺陷的干涂层。纸基材的表面特性支持或阻碍了由薄薄涂布的水性聚合物溶液形成PVOH或EVOH的氧密封干聚合物涂层。由于粗糙且吸收性强的基材表面需要施加更多的湿涂层,这阻碍了以高线速度进行涂布的愿望。施加的水量越多以及结构中相关的水分含量越高进一步对纸基材随后进行涂布和/或层压的能力产生负面影响。对更高线速度的需求阻碍了干燥操作,增加了对作用于被涂布的基材的更严酷温度的需求。更高的温度对纸基材和涂层都产生负面影响。因此,已经得出结论,具有更高密度和光滑表面的纸基材通常更适合高速涂布。此外,只要卷材具有足够的机械强度,纸的克重就应该尽可能低。低纸基材克重对后续的气相沉积涂层步骤以及后续的价值链具有良好的效果,例如,在折叠成型为包装时对层压材料造成的应变较小。
实施例1
三种不同的高密度纸基材采用不同的工艺参数涂布PVOH气体阻隔涂层,并与以相同方式涂布类似纸张(但密度较低且表面较不光滑)所获得的结果进行比较。以约400m/min的速度在纸基材卷材的各自顶面上进行涂布。通过反向凹版涂布以约8g/m2(通过重量法测量)施加第一PVOH6-98水溶液湿涂层,该溶液的固体含量为约10重量%,粘度为约50mPa*s。将经湿涂布的基材转送到干燥站,其中热空气作用于湿基材上以蒸发掉其水分,小心调节干燥隧道和空气的温度,以使基材表面的温度保持在85-90摄氏度以下。因此,干燥后,得到0.8g/m2的PVOH干涂层。以相同方式在干燥的第一涂层上以相同量施加第二涂层,随后干燥以与第一涂层一起提供1.6g/m2干重的完全气体阻隔PVOH涂层。
表1中的PVOH涂层是在优化的涂布条件下施加的,所述涂布条件由所附权利要求1定义。
通过干燥操作,同时控制纸基材中的水分含量在4-8重量%范围内,以确保下一步通过物理气相沉积用铝进行金属化涂布不会失败和出现缺陷。对于测试的纸张,可以看出,水分含量低于4重量%时,纸基材倾向于“卷曲”,即在横向于卷材方向卷起,使得卷材在机器方向倾向于形成纸管。
由此干燥的气体阻隔涂层的所得到的均匀光滑表面反过来使得能够施加进一步的高质量气相沉积涂层,该涂层连贯、均质且无针孔,并且很好地粘附在干燥的气体阻隔涂层的表面上。
因此,通过穿过PVD金属化器的通道将薄铝涂层施加到第二PVOH涂层的表面上,光密度为约2.5(通过光透射密度计测量),厚度为约50nm。
随后,将涂有阻隔层的纸基材层压成相同的包装层压结构,具体如下:
//外侧12g/m2 LDPE/Duplex CLC 80mN,纸板主体层/20g/m2LDPE/涂有阻隔层的纸基材(如表1所列)/6g/m2 EAA粘合剂聚合物/13-20g/m2LDPE/17gsm LLDPE膜//
表1
Duplex CLC纸板是传统类型的经粘土涂布的纸板,最内防液且可热封层由预制的流延双轴取向膜制成,该膜包含至少一层主要为线性低密度聚乙烯(LLDPE)的层。纸质基材的涂有阻隔层的一侧在层压结构中指向内部(对应于由层压材料制成的包装容器的内部)。纸板主体层通过以下方式层压到涂有阻隔层的纸上:将LDPE聚合物熔融挤出层压在将在冷却的层压辊辊隙中接合的纸板主体层和涂有阻隔层的纸基材的两个卷材之间。粘合剂聚合物EAA和内部相邻的LDPE层在涂有阻隔层的纸和最内的包含LLDPE的预制膜之间共挤出层压在一起。将最外的LDPE层(其朝向层压材料和由其制成的包装的外侧)挤压涂布到纸板的外侧。
在23℃、50%和80%RH(相对湿度)下使用Oxtran Mocon 2/21设备(一种基于库仑传感器的设备)进行氧气传输测量,测量值在24小时内,在氧气浓度为0.2大气压(即1大气压空气)下,以cc/m2为单位报告。
纸A是高密度压光纸,其表面光滑,克重为约40g/m2,此外,Cobb 60吸收值相当低,为22g/m2,因此还具有良好的可涂性。
纸B是一种密度明显更大、孔隙更少的纸,经测量其密度为1055,克重为约45,表面同样光滑且不吸水,非常适合水性聚合物溶液涂布。
纸C是一种不太光滑的纸,密度与纸A相似,但孔隙少得多。这种纸包含高度精制的纤维成分和原纤维,因此较长纤维之间的孔隙被较小的纤维素成分填充,不幸的是,这也使纸变脆,不太适合用于折叠纸箱包装的柔性层压材料。尽管纸基材C的致密性,但其Cobb 60吸收率较高,其顶侧表面不如纸A和B光滑。
所有纸基材A-C都经过压光处理,以提供更高的密度和表面光滑度。
为进行比较,对纸D进行了涂布处理,纸D是一种多孔且密度较低的纸基材,但仍然具有玻璃纸类型的相当光滑的表面,因此还涉及一些更细的纤维素纤维和原纤维以“封闭”其顶表面。
从上述涂布和层压试验得出结论,对于具有较高表面粗糙度的纸基材,例如关于纸C,需要施加更多的涂层以由PVOH水溶液形成无缺陷且厚度均匀的气体阻隔涂层,以进一步降低氧气透过率。因此,在该测试中,可以看出OTR并未显著改善氧气阻隔性。另一方面,纸C具有非常高的固有氧气阻隔性能,即当以相同方式层压成相同的层压结构时,在未涂有阻隔层的情况下,OTR较低。纸C具有固有的阻隔性能,这是由于其填充纤维结构的纤维素原纤维和细小纤维的含量,并且纸经过超级压光处理,因此纸张非常致密,孔隙率也非常低。早期的中试实验室测试已经发现纸C有可能被涂布到非常低的总气体阻隔值,例如0.2cc/m2、24小时(23℃、0.2atm、50%RH),但在工业试验中也发现,在工业速度(即400或600m/min)下不可能达到如此低的值,并且为了达到尽可能低的OTR,需要先预涂布淀粉,然后再涂布PVOH气体阻隔涂层。因此,这些试验得出结论,纸C的表面太粗糙,需要进一步平滑的预涂层。因此,本示例表明,仅1.6g/m2 PVOH的薄涂层无法形成稳健、可靠且无缺陷的涂层,因此氧气透过率与未经涂布的纸C保持在同一水平。无论如何,由于其他缺点,例如不太合适的机械性能和回收性能(源自高精制纤维素成分含量较高),纸C未被选中。之前还得出结论,对于表面粗糙度较高的待涂布纸基材,最好先通过预涂布平滑物质(例如淀粉)来平整表面,而淀粉的固有气体阻隔性能要低得多或没有。
早期试验已得出结论,当在50% RH下测量良好的涂有阻隔层的纸时,与进一步金属化的PVOH涂层纸相比,仅具有PVOH涂层纸的层压材料的OTR值仅高出不到2倍。还发现,在80%相对湿度下对包括金属化涂层的层压样品进行OTR测量时,不同纸张等级的不同贡献的影响趋于平衡,并且氧气阻隔结果似乎处于相同的高水平(即大约相同的低OTR值),前提是涂层质量良好。另一方面,如果在50% RH和80% RH下测量仅具有PVOH涂层纸基材的相同包装层压材料的OTR,则由于气体阻隔聚合物(PVOH、EVOH、淀粉等)的湿气敏感性,OTR在80% RH(0.2atm氧气和23摄氏度)下会增加4到10倍。
表1进一步示出了在第二次水性涂布和随后的干燥步骤之后,基于用于检测涂有阻隔层的缺陷的内部测试方法,如何对不同纸张的气体阻隔聚合物涂层的质量进行评级。通过随后的可选物理气相沉积涂布步骤,基本无缺陷的聚合物阻隔涂层确保进一步无缺陷或少缺陷的铝金属化涂层。铝金属化涂层的质量部分通过在SEM显微镜下观察其表面来评估,部分通过测量由此获得的层压材料中的最终氧气透过率OTR值来评估。
实施例2
图7示出了对本发明涂布方法中的方法步骤和涂布条件的影响的评估。本示例中比较的参数是干燥操作期间纤维素基基材表面的最高温度和水性气体阻隔溶液组合物的固体含量。通过施加溶剂基(非水性)着色剂组合物来可视化PVOH涂层中的缺陷,以指示PVOH涂层不完整的缺陷,使得颜色溶液渗透PVOH涂层的孔并到达纸板表面并用点或斑点着色,因此对于肉眼清晰可见。着色剂组合物包括溶剂、非离子表面活性剂和油溶性有机红色染料。测试样品干燥、清洁且不含干扰物质(脂肪、油脂等)。将着色剂溶液涂在纸基材的涂层表面上,完全覆盖样品区域,在该表面上静置约10分钟,然后用干纸或干布擦去多余的部分。随后,对任何缺陷的着色痕迹执行检查和计数/评估。
图7示出了在设置为400m/min的涂布线速度下对一系列比较涂布试验进行评估的示例,首先,其中基材表面的干燥最大温度变化,其次,其中仅PVOH水溶液的固体含量变化,以说明这些特征对所施加的PVOH涂层质量的影响。在两个涂布步骤中用PVOH水溶液(6-98)涂布后(PVOH溶液浓度为0.8g/m2),随后在每个涂布步骤后在最高的不同表面温度下进行干燥后,对经过测试的纸基样品进行拍照。通常,最高表面温度将在每次干燥操作结束时达到,即对于每个给定的干燥区域,在干燥步骤结束时达到最高表面温度。
因此,在图7a的涂布方法中,基材表面的温度在任何情况下都不会超过60摄氏度,并且PVOH的固体含量设置为10重量%。结果是良好的经涂布是表面,着色剂测试仅产生少量彩色点,表明干燥涂层中的小孔,着色剂溶液通过这些小孔进入,以便为经涂布的纸板表面着色,如图7a所示。然而,经涂布的纸基材的水分含量相当高,并且处于适合通过PVD涂布进行可选下一金属化步骤的极限。
类似地,对于图7b-7e中所示的所得经涂布的纸,在基材表面的最大干燥温度增加的情况下进行的涂布方法中,PVOH溶液具有相同的组成和固体含量,而与图7e中的涂布操作相比,在图7f中,固体含量增加,而最大温度保持不变。
因此,在图7b中,干燥温度反而具有在70摄氏度下的最高干燥温度,并且可以看出水分含量如何降低,而缺陷迹象的数量仍然很少。在图7c的方法中,最高温度反而保持在80摄氏度以下,缺陷迹象仍然很少,而纸基材的水分含量降低到更合适的4.5%。
此外,在与图7d相关的方法中,纸基材表面的最高温度增加到90摄氏度,缺陷数量也非常低。由于干燥温度的升高,纸张的水分含量降低到3.9重量%,然而,这是下限,其中可以看到纸基材卷曲的趋势,即在机器方向(MD)上卷起。
在与图7e和7f相关的方法中,温度反而保持在略低于115摄氏度的过高表面温度,并且在两个经涂布的样品中观察到缺陷急剧增加。在7f中获得的经涂布的样品最差,其中PVOH涂层溶液的固体含量也更高,即12.5%,而经涂布的样品7e稍好一些,但仍然不能作为气体阻隔涂层。此外,在样品7e和7f中,纸基材变干并开始卷曲。
因此可以看出,最高温度不应超过95摄氏度,以便与涂有阻隔层的纸基材的水分含量保持平衡,并且如果可以保持这样的干燥条件,则获得的缺陷非常少。略低于80-90摄氏度的最高干燥温度似乎是最佳的,以提供尽可能少的缺陷和基材中低但平衡的水分含量。图7a、7b、7c和7d中的所有经涂布的样品都具有极少的缺陷,即每平方分米少于10个彩色点。在图7e和7f中,所得经涂布的纸的水分含量太低,并且观察到纸张卷曲。与表1的排名相比,图7e和7f的方法获得的结果被视为失败,等级4为“非常差”。
通常应该注意的是,无论使用何种材料,看到的几个或许多点或缺陷迹象都是不良的氧气阻隔涂层,即每个彩色点或斑点代表氧气通过涂层和涂有阻隔层的纤维素基基材的渗透点。
表1进一步示出了纸基材在可回收性方面的排名,即纸基材的再浆化能力排名。再浆化能力通过Valmet再浆化方法在HD400型Valmet碎浆机中测试,包括将0.5kg风干纸材基(切成0.04×0.10m的碎片)与15升42摄氏度的水一起在Valmet碎浆机中以50Hz的转速再浆化7.5分钟。研究了纸浆样品的脱水能力以及过滤器中剩余纤维素的外观和感觉。再浆化能力基于纸浆以及手抄纸的视觉外观进行评估。
纸A以良好的方式再浆化,在纸浆以及手抄纸中仅看到少量纸片。在手抄纸中看到纤维絮凝,这是长纤维的标志。从可回收性的角度来看,长纤维是好的。
纸C完全再浆化。与其他变体相比,纸浆更厚,纸浆中没有看到较大的纸片。从一开始,短纤维的量就较高,这导致再浆化后纤维非常精细。精细纤维和/或细小纤维堵塞了造纸机中的过滤器,因此制造手抄纸的过程非常缓慢。
纸D显示出相对较差的再浆化结果。在纸浆和手工纸中都可以看到纸片。与其他纸相比,在手工纸中可以看到更多的短纤维。
样品之间的内部相对等级按1-4的顺序分配,其中1表示良好的“再浆化性(repulpability)”。因此,纸C和D被证明不如预期的那样好,尽管它们是以此特性为目标而选择的。
针对形成和填充以及密封成填充包装,在有限的填充机试验中进一步评估了层压包装材料,例如如上文结合表1所述的配置生产的那些材料。在试验期间未发现有关包装完好性(即包装密封性与周围环境的关系)和密封性的重大问题,因此被认为是成功的。
此外,得出结论,在涂有阻隔层的纸基材内侧具有预制的可热封膜的层压结构有利于层压包装材料以及由其通过热封制成的包装容器的机械稳健性。
此外,关于附图:
在图1a中,以横截面示出了通过本发明的方法制成的涂有阻隔层的纤维素基基材10a的示例。纤维素基基材11是密度大于900kg/m3、克重约为40g/m2、顶侧粗糙度Bendtsen值低于30ml/min且Cobb 60值小于25g/m2的纸张,并具有由PVOH(来自Kurary的6-98)制成的第一气体阻隔涂层12a,该涂层12a以水溶液的形式通过反向凹版涂布施加,随后在80至85摄氏度下加热干燥,以便蒸发湿涂涂层中的水。所得PVOH涂有气体阻隔层的的干重约为0.8g/m2。此外,纸基材具有第二气体阻隔涂层12b,该涂层12b由相同的PVOH溶液(来自Kuraray的6-98)制成,施加在第一涂有气体阻隔层的12a的干燥表面上。涂有气体阻隔层的12b已以相同方式施加和干燥,并且第二PVOH涂有气体阻隔层的的干重也约为0.8g/m2。PVOH气体阻隔涂层对水分、污垢和液体敏感,因此可选地在第二PVOH涂层12b上施加至少另一层或涂层13的保护性聚合物。该另一层或涂层13可以是热塑性聚合物,例如聚烯烃,例如LPDE。这种另一层通常是测量涂有阻隔层的纤维素基基材的氧气透过率所必需的,以便覆盖第一PVOH涂层中的任何缺陷,例如针孔。这里的想法是涂层中没有任何缺陷或缺陷数量可以忽略不计,因此阻隔涂层上的另一聚合物层实际上不应该是必要的。无论如何,另一聚合物层或另一涂层本身不具有固有的氧气阻隔性能,因此不会进一步影响测得的氧气透过率值。还可以将另一层或涂层18的保护性聚合物任选地施加到纤维素基基材的另一侧,所述另一层或涂层18可以是与涂层或层13相同或不同的类型。因此,只需将最外保护性聚合物层13和18添加到涂有阻隔层的纤维素基基材上,即可获得简单的层压材料10a。
在图1b中,以横截面形式示出了通过本发明的方法制成的涂有阻隔层的纤维素基基材10b的另一个示例。以与上述图1a中相同的方式将相同PVOH的第一和第二气体阻隔涂层施加到相同的纤维素基基材11上。此外,这样的涂有气体阻隔层的纤维素基基材是具有铝金属化涂层14(即铝金属化层)的气相沉积涂层,该铝金属化涂层14通过物理气相沉积施加到第二气体阻隔涂层12b的干燥表面上,光密度为约2,厚度为约40nm。以与上文图1a中相同的方式,任选地在铝金属化涂布层14上施加至少另一层或涂层13的保护性聚合物。该另一层或涂层13可以是热塑性聚合物,例如聚烯烃,例如LPDE。还可以将另一层或涂层18的保护性聚合物施加到纤维素基基材的另一侧(未示出),所述另一层或涂层18可以是与涂层或层13相同或不同的类型。因此,只需将最外保护性聚合物层13和18(未示出)添加到涂有阻隔层的纤维素基基材上,即可获得简单的层压材料10b。
在图2a中,示出了用于包装氧气敏感产品(例如用于液体纸箱包装)的层压包装材料20a,其包括通过本发明的方法制造的涂有阻隔层的纤维素基基材25a(图1b中的10b)。层压材料包括具有80mN的弯曲力和约200g/m2的克重的为纸板的纸板主体层21a,并且还包括施加在主体层21a的外侧上的最外保护性(例如液密可热封)聚合物层22a,该侧将朝向由包装层压材料制成的包装容器的外部。层22a是透明的,以向外显示被印刷在纸或纸板主体层上的印刷的装饰图案27a。从而印刷的图案可以告知包装的内容物、包装品牌和针对零售设施和食品店的消费者的其他信息。最外层22a的聚合物可以是聚烯烃,例如可热封质量的常规低密度聚乙烯(LDPE),但也可包括其他类似聚合物,包括LLDPE。其施加量为约12g/m2。最内液密可热封层23a被布置在主体层21a的相对侧上,该侧将朝向由包装层压材料制成的包装容器的内部,即层23a将与包装产品直接接触。因此,该最内可热封层23a将形成由层压包装材料制成的液体包装容器的强横向热封部,其包括一种或多种聚乙烯的组合,聚乙烯选自由以下组成的组:LDPE、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、和通过在金属茂催化剂存在下使乙烯单体与C4-C8(更优选C6-C8)α-烯烃亚烷基单体聚合而制备的LLDPE(即所谓的茂金属-LLDPE(m-LLDPE))。其施加量为约22g/m2
主体层21a通过中间低密度聚乙烯(LDPE)粘合层26a层压到图1b中涂有阻隔层的纸基材10b(即25a)的未涂布侧。中间粘合层26a是通过以下方式形成的:将其熔融挤出成型为两个纸质卷材之间的薄聚合物熔体幕,并且因此当所有三个层都穿过冷却的压辊辊隙时,将主体层和涂有阻隔层的纸基材彼此层压在一起。中间结合层26a的厚度为12至18μm,例如为12-15μm。
最内热封层23a可由一层或两层或多层相同或不同种类的LDPE或LLDPE或其共混物组成,并通过例如由乙烯丙烯酸共聚物(EAA)制成的中间共挤连接层24a很好地粘附到阻隔纸基材10b的金属化阻隔沉积涂层表面14上,该连接层24a为几g/m2,例如4至7g/m2,因此,在以单个熔融共挤涂布步骤一起施加这些层时,将最内可热封层粘合到涂有阻隔层的纸基材10b。
在图2b中,示出了层压包装材料20b的另一实施方案,其包括通过本发明的方法制造的涂有阻隔层的纤维素基基材25b。该层压材料包括具有80mN的弯曲力和约200g/m2的克重的纸板主体层21b,并且还包括施加在主体层21b的外侧上的外部液密可热封聚烯烃层22b,该外侧将指向由包装层压材料制成的包装容器的外侧。外部聚烯烃层22b是可热封质量的常规低密度聚乙烯(LDPE),并且已经以12g/m2的量施加,但可以包括其他类似聚合物,包括LLDPE。最内液密可热密封层23b布置在主体层21b的相对侧上,其将朝向由包装层压体制成的包装容器的内部,即层23b将直接接触包装产品。由此,该最内可热封层23b将形成由层压包装材料制成的液体包装容器的强热封部,其包括一种或多种选自由LDPE、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、以及通过在茂金属催化剂(即所谓的茂金属-LLDPE(m-LLDPE))存在下使乙烯单体与C4-C8(更优选C6-C8)α-烯烃亚烷基单体聚合而生产的LLDPE组成的组中的聚乙烯中的一种或多种或组合。
主体层21b通过湿法层压利用属于粘附性聚合物薄层的中间粘合层26b层压到涂有阻隔层的纸基材25b(即图1b中所示的10b)上,这通过将聚乙酸乙烯酯粘合剂的水分散体施加到将相互粘附的表面中的一个上,随后在辊隙中压在一起来实现。该层压步骤以工业速度在高效冷层压或环境层压步骤中执行,无需任何耗能的干燥操作来加速水的蒸发。中间粘合层26b的干涂量仅为3至4g/m2,这说明不需要干燥和蒸发。
因此,与图2a中描述的常规熔融挤出层压的聚乙烯粘合层26a相比,该层压层中热塑性聚合物的量可以显著减少。
根据优选实施方案,最内可热封且防液层23b由预制取向膜组成,包括至少一个大部分为线性低密度聚乙烯(LLDPE)的局部层。该膜还可以包括一些LDPE。
该预制膜通过中间熔融挤出层压粘合层部分层压到涂有阻隔层的纸基材上,层压到其气相沉积阻隔涂层(即铝金属化层)的表面,该粘合层部分包括EAA连接层(也用于图2a的层压材料中)和/或LDPE粘合层24b,其厚度为12至20μm,例如12至18μm。
在一个替代实施方案中,可以在预制膜23b'在环境(冷)温度下,以3至4g/m2的含量,使用丙烯酸(共)聚合物粘附剂层24b'的水性粘附剂,通过另一湿法层压步骤被层压到金属化涂层上。
也在此公开了另一实施方案,其具有上述所有特征和图2a的熔体挤出主体层层压层26a,但它与最内可热封膜结构23,23b'的特征相结合,最内可热封层结构23b'或者通过熔体挤出层压与层24b施加或通过湿法层压水性粘附剂24b'施加,如结合图2b所述。
还构思并因此公开了又一实施方案,其中图2b的薄的、湿的、水性粘合剂分散体层压层26b与常规的熔融共挤出涂布的内层24a和23a组合。
在图2c中,示出了层压包装材料20c的另一种实施方案,其包括通过本发明的方法制造的涂有阻隔层的纤维素基基材25c,即图1a中所述的10a。这种涂有气体阻隔层的纤维素基基材(其没有进一步涂布气相沉积的水蒸气阻隔层)可以在层压包装材料中通过将涂有阻隔层的纤维素基基材在其内侧层压到气相沉积涂布的预制聚合物膜28c上来补充。因此,层压包装材料20c具有与上述图2a或图2b中关于纸板主体层21c、最外保护性聚合物层22c和内部层压层26c的相应层属于相同类型的相同的层。
预制聚合物膜28c包括聚合物膜基材28a和铝金属化和/或氧化铝的气相沉积涂层。这样预制的气相沉积涂层膜28c通过中间粘合层29c(例如熔融挤出层压层)层压到涂有气体阻隔层的纤维素基基材25c上。预制聚合物膜可以包括用于层压材料20c最内侧的可热封层。替代地,进一步将内侧层23c、24c熔融共挤出涂布到预制膜28c的内侧。
在图3a中,示出了水性分散体涂布30a的工艺,其可用于涂布气体阻隔聚合物涂层12a和12b的水性组合物。纸基材卷材31a(例如图1a和1b中的纤维素基基材11)被传送到分散涂布站32a,在这里通过辊将水性组合物施加到基材的顶表面上。如果基材两侧的表面不同,则通常有一侧更适合接收涂层或印刷装饰图案,因此这就是本发明的待涂层表面(该侧称为顶部面或打印面)。由于组合物的含水量为80-99重量%,湿涂基材上会存在大量水分,其需要加热干燥并蒸发掉,以形成均匀的连续涂层并且在阻隔性能和表面性能(即均匀度和低缺陷发生率)方面具有均匀的质量。干燥由热风干燥器33a进行,其还允许水分蒸发并从基材表面去除。当基材表面穿过干燥器时,基材表面的温度始终保持在95℃以下,例如保持在60至95℃之间,例如保持在70至90℃之间,例如保持在80至90℃之间,例如保持在约85℃的温度以下。
将所得的涂有气体阻隔层的纸基材卷材34a送去冷却,并卷绕在卷轴上以进行中间储存。在任选的后续或后期阶段,可以将这样涂布的卷材送去进行进一步的涂布步骤,以将气体阻隔沉积涂层14物理气相沉积涂布到涂有气体阻隔层的纸上。
图3b分别示出了在将主体层21a、21b、21c层压到图1a的涂有阻隔层的纤维素基基材10a(即图2a和2b的25a或25b)或图1b的涂有阻隔层的基材10b(25c)之后,在制造图2a、2b和2c的包装层压材料20a、20b或20c中的最终层压步骤的工艺。
如结合图2a和2b所述,主体层纸板21a;21b可通过湿式常温水性粘附剂层压或通过熔融挤出层压而层压到涂有阻隔层的纸基材10a;25a;25b上。可以按照图3a中关于分散涂布的描述施加湿层压粘附剂,并且层压通过简单地按压要连接在一起的表面来进行,而无需强制干燥粘附剂组合物。熔融挤出层压的主要方法在如下所述的图3b所示。
所得到的纸预层压卷材31b从中间储存卷轴传送,或直接从层压站传送,该层压站用于将主体层的预层压层到涂有阻隔层的纤维素基基材上。主体层21a;21b的非层压面,即其印刷面在冷却的辊隙33处通过与将形成层压材料的最外层22a;22b的LDPE的熔融聚合物帘幕32接合而被熔融挤出涂布,LDPE是从挤出机进料块和模具32b挤出。随后,现在最外层22a;22b涂布在其印刷侧(即外侧)上的预层压主体纸卷材通过第二挤出机进料块和模具34b以及层压辊隙35,熔融聚合物帘幕34在层压辊隙35处接合并涂布在预层压材料的另一面上,即在纸基材10;25a;25b的阻隔涂层面上。因此,因此,最内可热封层23a(可选地与具有功能基团以增加其与相邻层的粘合能力的粘附剂聚合物的连接层一起)被共挤出涂布到纸预层压卷材的内侧上,以形成最终的层压包装材料20a;36,其最终被卷绕到储存卷轴(未示出)上。
在层压辊辊隙33和35处的这两个共挤出步骤可以替代地作为两个连续的步骤以相反的顺序进行。
根据另一实施方案,最外层中的一者或两者可以在单独的预层压站中施加,其中首先将共挤出涂层施加到(印刷的)主体纸板层的外侧以及涂有阻隔层的纸基材的金属化涂层上,然后最终如上所述将两个预层压纸卷材彼此层压。
根据不同的实施方案,可热封液密热塑性层的最内层以预制膜的形式施加,其被层压到涂有阻隔层的纸质基材10a;10b;25a、25b的涂层侧。
如结合图2a和2b所述,这种最内层23a;23b,23b'可通过熔融挤出层压或湿式常温水性粘附剂层压而层压到涂有阻隔层的纸基材10a上。
图4是用于物理气相沉积(PVD)例如铝金属涂层到本发明的幅材基材上的设备的示例的示意图。涂有阻隔层的纸基材44被传送通过沉积室,在该沉积室中,在其涂有阻隔层的侧上进行蒸发铝的连续蒸发沉积40,以形成铝的金属化层,或者替代地进行氧与铝蒸气的混合物的连续蒸发沉积40,以形成沉积的氧化铝涂层。涂层的厚度为5至100nm,优选为10至50nm,从而形成本发明的涂有阻隔层的纸43。铝蒸气由固体铝片41的蒸发源的离子轰击形成。对于氧化铝的涂布,一些氧气也可以经由入口注入等离子体室。
图5a示出了用根据本发明的包装层压材料生产的包装容器50a的实施方式。该包装容器特别适用于饮料、调味酱、汤等。通常,这样的包装具有约100至1000ml的体积。它可以是任何结构,但是最好是砖形的,分别具有纵向和横向密封部51a和52a,并且可选地具有开启设备53。在另一个未示出的实施方案中,包装容器可以成形为楔形。为了获得这样的“楔形”,只有包装的底部部分被折叠成形,使得底部的横向热密封件被隐藏在三角形折翼下面,其被折叠并密封在包装的底部。顶部横向密封保持展开状态。以这种方式,仅仅部分折叠的包装容器仍然容易搬运并且尺寸足够稳定以放置在食品商店的搁架或任何平坦表面上,
图5b示出了用根据本发明的替代包装层压材料生产的包装容器50b的可选的示例。该替代包装层压材料由于具有较薄的纸质主体层而较薄,所以它在尺寸上并没有稳定到足以形成平行六面体或楔形包装容器,并且不是在横向密封52b之后折叠成形的。该包装容器将保持枕形袋状容器,并以这种形式分配和销售。
图5c示出了山顶型包装50c,其由预切片材或坯料、由包括纸板主体层和本发明的涂有阻隔层的纸基材的层压包装材料折叠形成。平顶型包装也可以由类似的坯料制成。
图5d示出了瓶状包装50d,其是由本发明的层压包装材料的预切坯料形成的套筒54和顶部55的组合,所述顶部由注塑塑料和开启装置(如螺旋塞等)结合形成。该类型的包装例如以商品名Tetra和Tetra销售。这些特定的包装是通过以下方式形成的:将附接有处于关闭位置的开启装置的模制顶部55附接到层压包装材料的管状套筒54上,对由此形成的瓶顶胶囊进行消毒,对其填充食品,并最终折叠-形成包装的底部并对其进行密封。
图6示出了在本申请的介绍中描述的原理,即包装材料卷材通过以下方式形成管61:搭接该卷材的纵向边缘62、62'并将它们彼此热封在一起,以由此形成搭接接合部63。管被连续填充64待填充的液体食品,并通过该管的各重复的双横向密封部65将该管分成各单独的填充包装,双横向密封部65在该管中填充的内容物的水平面下方并且彼此相距预定距离。包装66是通过在双横向密封部(顶部密封部和底部密封部)之间进行切割来分离的,并且通过沿着材料中准备好的折痕线的折叠形成而最终成形为期望的几何构造。
作为最后的评论,本发明不受上面所示和所述的实施方案的限制,而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (19)

1.制造用于包装氧气敏感产品的涂有阻隔层的纸基或纤维素基基材(10a;10b)的方法,所述方法包括以下步骤:
a)以300m/min或更高的线速度传送纸基或纤维素基基材的卷材,
所述纸基或纤维素基基材的卷材被选择为具有根据ISO 536:2012测量的30至70g/m2的克重以及具有根据ISO 534:2011测量的800kg/m3至1400kg/m3的密度,所述纸基或纤维素基基材的顶侧的表面表现出根据ISO 8791:4测量的低于130ml/min的Bendtsen粗糙度值以及根据ISO 535测量的低于30g/m2的Cobb 60,
b)提供气体阻隔聚合物的水溶液,所述气体阻隔聚合物选自乙烯醇聚合物、PVOH、乙烯乙烯醇共聚物、EVOH和改性的此类PVOH和EVOH聚合物,所述水溶液具有5至15重量%的固体含量以及10至120mPa*s的粘度,
c)通过辊涂法将所述气体阻隔聚合物的所述水溶液施加到所述纸基或纤维素基基材的所述卷材的所述顶侧的所述表面上,以提供干重为0.5至2g/m2的均匀的涂层,
d)干燥步骤c)中所施加的水性气体阻隔聚合物涂层,同时将所述卷材基材的所述表面温度始终保持在60℃至95℃以下,
e)重复步骤c)和d)至少一次,
f)任选地,进一步通过物理气相沉积的方式,用金属和/或金属氧化物的纳米厚的阻隔沉积涂层涂布被涂布有从步骤e)中获得的所述气体阻隔聚合物的所述水溶液的干燥的所述卷材基材,
从而得到涂有阻隔层的纸基或纤维素基基材,其在所述气体阻隔涂层以及在所述金属和/或金属氧化物的沉积涂层中具有最少的缺陷。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述辊涂法是轮转凹版涂布法,例如反向轮转凹版涂布法。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法,其中所述PVOH或EVOH的水溶液具有7至13重量%的固体含量,例如9至13重量%的固体含量,例如10至12.5重量%的固体含量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述PVOH或EVOH的水溶液具有50至100mPa*s的粘度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述纸基或纤维素基基材的所述顶侧的所述表面表现出低于120ml/min的Bendtsen粗糙度值,例如低于100ml/min,例如低于80ml/min,例如低于50ml/min,例如低于30ml/min的Bendtsen粗糙度值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述纸基或纤维素基基材的所述顶侧的所述表面表现出低于30ml/min的Bendtsen粗糙度值和25g/m2或更低的Cobb 60吸收值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述步骤c)和d)在步骤e)中重复一次,并且每个涂布步骤施加干重量为0.5至1g/m2的涂层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中在每个干燥步骤d)中,所述卷材基材的所述表面的温度始终保持在65℃至95℃以下,例如65℃至90℃以下,例如70℃至90℃以下,例如70℃至85℃,例如70℃至80℃。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其中所述阻隔沉积涂层(14)是铝金属化涂层,其施加到如本文所述测量的1.8或更高,例如1.8至3.5,例如2.0至3.0,优选2.1至2.6的光密度OD。
10.根据前述权利要求中任一项的方法,其中所述纸基或纤维素基基材的所述顶侧的所述表面还根据Tappi T460 om-2表现出大于1000s/dl、例如大于2000s/dl的Gurley孔隙度值。
11.根据前述权利要求中任一项的方法,其中所述纸基或纤维素基基材的所述卷材具有30至60g/m2的克重,例如35至50g/m2,例如35至45g/m2的克重。
12.根据前述权利要求中任一项的方法,其中所述阻隔聚合物选自由皂化度至少为98mol%,例如至少99mol%的此类型的PVOH组成的组。
13.一种层压包装材料(10a;10b;20a;20b;20c),其包含根据权利要求1-12中任一项所述的方法制造的涂有阻隔层的纤维素基基材(11-12;11-12-14;25a;25b;25c),其还包含第一最外保护性材料层(22a;22b;22c)和第二最内液密可热封材料层(23a;23b;23b';23c),其中,这样的所述层压包装材料具有根据ASTM F1927-14测量,在50%RH、24h、0.2atm氧气下,氧气透过值为0.5cm3/m2或更低,氧气阻隔由层压后的涂有阻隔层的纸基或纤维素基基材提供。
14.根据权利要求13所述的层压包装材料,其中所述第二最内液密可热封材料层(23a;23b;23b';23c)包括热塑性聚合物,例如聚烯烃聚合物,例如来自较低密度范围的聚乙烯,所述热塑性聚合物例如选自由LDPE、LLDPE、m-LLDPE和它们中的两者或更多者的任意混合物组成的组。
15.根据权利要求13所述的层压包装材料,其中所述第一最外保护性材料层(22a;22b;22c)和所述第二最内液密可热封材料层(23a;23b;23b';23c)均包括热塑性聚合物,例如聚烯烃聚合物,例如聚乙烯。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的层压包装材料(20a;20b;20c),其还包括纸或纸板或其他纤维素基材料主体层(21a;21b;21c),并且所述涂有阻隔层的纤维素基基材(10a;10b;25a;25b;25c)被布置在所述纸或纸板主体层的内侧,在所述主体层和所述第二最内液密可热封材料层(23a;23b;23b';23c)之间处。
17.根据权利要求16所述的层压包装材料(20a;20b;20c),其中所述涂有阻隔层的纤维素基基材(10a;10b;25a;25b;25c)通过包含来自水性组合物的粘附剂的中间粘合层(26a;26b;26c)粘合到所述主体层(21a;21b;21c),所述水性组合物包含选自由丙烯酸聚合物和共聚物、淀粉、纤维素和多糖衍生物、乙酸乙烯酯和/或乙烯醇的聚合物和共聚物组成的组中的粘合剂。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的层压包装材料(20a;20b;20c),其中所述第二最内液密可热封聚烯烃层(23a;23b;23b';23c)是包含至少一个大部分为LLDPE聚合物的层的预制聚烯烃膜,例如双向取向聚乙烯膜,以用于提高所述层压包装材料的机械性能的稳健性。
19.包装容器(50a;50b;50c;50d),其包含根据权利要求13-18中任一项所定义的层压包装材料。
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