DE60022779T2

DE60022779T2 - Verfahren zur herstellung eines laminierten verpackungsmaterials

Info

Publication number: DE60022779T2
Application number: DE60022779T
Authority: DE
Inventors: Mikael Berlin; Mats Bentmar; Katarina Flemmer-Karlsson
Original assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Current assignee: Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: SE9903176D0; DE60022779D1; BR0013797A; EP1237721B1; PT1237721E; WO2001017774A1; CN1387479A; SE9903176L; ATE304940T1; EP1237721A1; RU2236943C2; US7033455B1; SE516918C2; CN1160192C; ES2245316T3; AU7326300A; JP2003508274A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines laminierten Verpackungsmaterials mit einer Kernschicht aus Papier oder Karton und einer Sperr- bzw. Barriereschicht, die auf einer Seite der Kernschicht aufgebracht wird.
Das Verfahren stellt besonders vorteilhafte Verpackungslaminate bereit, bei denen Polyvinylalkohol – vorzugsweise in Kombination mit Nanopartikeln – als Sperrschichtmaterial verwendet wird.
Stand der Technik
Es ist in der Verpackungsindustrie bekannt, laminiertes Einweg-Verpackungsmaterial zum Verpacken und Transportieren flüssiger Nahrungsmittel zu verwenden. Normalweise bestehen solche laminierten Verpackungsmaterialien aus einer formsteifen aber faltbaren Kernschicht, z.B. aus Papier oder Karton, um eine gute mechanische Formstabilität zu erreichen. Flüssigkeitsdichte Beschichtungen aus Kunststoff werden auf beide Seiten der Kernschicht aufgebracht und schützen die Flüssigkeit absorbierende Kernschicht aus Fasermaterial vor dem Eindringen von Feuchtigkeit. Diese äußeren Schichten bestehen normaler weise aus einem Thermoplast, vorzugsweise Polyethylen, das dem Verpackungsmaterial darüber hinaus hervorragende Warmverschweißbarkeit verleiht, wobei das Verpackungsmaterial in die fertige Packung mit der gewünschten geometrischen Form umgeformt werden kann.
Laminiertes Verpackungsmaterial, das nur aus Papier oder Karton und flüssigkeitsdichtem Kunststoff besteht, weist jedoch keine Dichteigenschaften gegenüber Gas, insbesondere gegenüber Sauerstoff, auf. Das ist ein großer Nachteil beim Verpacken von vielen Nahrungsmitteln, deren Lagerzeit sich stark verkürzt, wenn sie in Kontakt mit Sauerstoff kommen, wie z.B. Fruchtsäfte. Um dem Verpackungsmaterial eine Gasbarriere, insbesondere eine Sauerstoffbarriere zu verleihen, wird bekanntermaßen eine Sauerstoff abweisende Schicht, z.B. eine Aluminiumfolie oder Polyvinylalkohol auf der Seite der Kernschicht aufgetragen, die sich in der Packung auf der Innenseite befinden soll.
Im Vergleich zu Aluminiumfolie hat Polyvinylalkohol viele positive Eigenschaften, was zur Folge hat, dass er in vielen Fällen das bevorzugte Barriere- bzw. Sperrmaterial ist. Diese Eigenschaften sind u.a. hervorragende Festigkeit, Kompatibilität mit Lebensmitteln und Wirtschaftlichkeit kombiniert mit hervorragenden Sauerstoff-Sperreigenschaften. Außerdem ist es vom Standpunkt von Umweltverträglichkeit und Recycling in manchen Fällen angebracht, Aluminiumfolie als Gassperr-Material in Nahrungsmittelverpackungen zu ersetzen.
Wie viele andere mögliche Sperr- oder Klebstoffpolymere, wie z.B. Ethylenvinylalkohol, Stärke, Stärkederivate, Karboxymethylzellulose oder andere Zellulosederivate oder Mischungen davon, wird Polyvinylalkohol in einem Beschichtungsvorgang aufgetragen, z.B. in Form einer Dispersion oder wässerigen Lösung, die beim Aufbringen in einer dünnen gleichmäßigen Schicht auf das Substrat, bzw. die Trägerschicht, aufgesprüht und dann getrocknet wird. Wir haben herausgefunden, dass ein Nachteil in diesem Prozess ist, dass eine wässerige Polymerdispersion oder Polymerlösung z.B. aus Polyvinylalkohl optional mit einem Zusatz von EAA, die auf die Kernschicht aus Papier oder Karton aufgebracht wird, in die Flüssigkeit absorbierenden Fasern der Kernschicht eindringt. Beim Entfernen des Wassers zum Trocknen und möglichen Härten der angebrachten Sperrschicht wird die Kernschicht ebenfalls erhöhten Temperaturen ausgesetzt, was das Risiko von unerwünschter Rissbildung im Papier- oder Kartonmaterial erhöht, als Folge des schwer anzupassenden Feuchtigkeitsgehalt und damit des Trockenvorgangs dieser Schicht.
Das Schwedische Patent Nr. 440519 schlägt das Aufnehmen eines Verdickungsmittels vor, wie z.B. Alginat, um das Eindringen von Wasser in den Karton zu reduzieren. Die Verwendung von PVOH als Sperrmaterial, das über einer Polymerschicht zur Verhinderung von Rissbildung und Glättung der Kartonoberfläche aufgebracht wird, wurde in WO97/13639 offenbart.
Der Nachteil ist, dass Polyvinylalkohol empfindlich gegenüber Feuchtigkeit ist und seine Sperreigenschaft verliert, wenn er einer feuchten Umgebung ausgesetzt wird. Dieser Nachteil wurde bisher gemäß WO97/22536 durch das Kombinieren des Polyvinylalkohol mit einem oder mehreren bekannten nahrungsmittelkompatiblen Polymeren umgangen, z.B. mit Ethylen-Akrylsäure-Kopolymer (EAA) oder Styrol-Butadien-Kopolymer. Diese bilden zusammen mit Polyvinylalkohol vorteilhafterweise eine konsistente, gut integrierte Schicht mit hervorragenden Gassperr-Eigenschaften, insbesondere Sauerstoff-Sperreigenschaften, wobei gleichzeitig die gewünschten hervorragenden Gassperr-Eigenschaften des Polyvinylalkohol selbst in einer feuchten Umgebung erhalten bleiben.
WO/97/22536 offenbarte, dass Polyvinylalkohol gemischt mit EAA-Ethylen-Kopolymer oder einem ähnlichen Material mit einem Dispersionsbschichtungsverfahren auf einem Karton aufgebracht werden kann, der zuvor mit einem Polymer beschichtet wurde, und dann bei Temperaturen bis zu 170°C getrocknet und gehärtet werden kann, um ein laminiertes Verpackungsmaterial mit einer sehr guten Sperr-Eigenschaft und einer guten Haftung zwischen der Sperrschicht und der Trägerschicht herzustellen.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie zu beschränken, geht man davon aus, dass die verbesserten Sauerstoff- und Wassersperreigenschaften aus einer Veresterungsreaktion zwischen dem PVOH und dem EAA bei der erhöhten Härtetemperatur resultieren, wobei das PVOH mit dem hydrophoben EAA-Polymerketten vernetzt wird, die dadurch in die Struktur des PVOH eingebaut werden.
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Polyvinylalkohol als Sperrschicht anstelle einer Aluminiumfolie ist, dass es bei der Lagerung von lichtempfindlichen Nahrungsmitteln in vielen Fällen nötig ist, in das Verpackungsmaterial eine Lichtsperre aufzunehmen. Papier oder Karton lässt (für das nackte Auge) kein Licht durch, aber Licht in unsichtbaren Wellenlängenbereichen dringt dennoch von außerhalb des Verpackungsbehälters in das verpackte Nahrungsmittel ein und kann sich negativ auf die Lagerungsdauer auswirken. Die Verwendung von Aluminiumfolie im Verpackungsmaterial hat den Vorteil, dass Aluminiumfolie selbst eine gute Sperre sowohl gegen Gase als auch gegen Licht ist. Polyvinylalkohol ist dagegen so gut wie völlig transparent selbst in Mischungen mit einem hydro phoben Polymer wie Ethylen-Akrylsäure-Kopolymer oder Styrol-Butadien-Kopolymer. Das Beimischen von konventionellen Lichtsperren wie Carbon Black oder Titandioxid in eine der Kunststoffschichten des laminierten Verpackungsmaterials gemäß WO97/22536 ist per se möglich, würde aber zu einer ästhetisch unattraktiven Packung führen.
Ein weiterer Nachteil eines Verpackungsmaterials mit Sperrschichten beispielsweise aus Polyvinylalkohol zusammen mit einem anderen Polymer ist, dass das Verpackungsmaterial nicht unter Verwendung derselben Produktionsausrüstung hergestellt werden kann, wie sie für die Produktion von Verpackungsmaterial mit Aluminiumfolie als Sperrschicht benutzt wird, was größere Investitionskosten für neue Produktionsausrüstung nach sich zieht.
Ziele der Erfindung
Wir haben herausgefunden, dass ein laminiertes Verpackungsmaterial mit hervorragenden Sperreigenschaften insbesondere gegenüber Gasen mit einem Verfahren hergestellt werden kann, das konventionelle Produktionsausrüstung verwendet, wie sie auch für die Herstellung von Verpackungsmaterialien mit Aluminiumfolie als Sperrschicht verwendet wird.
Wir haben ebenfalls festgestellt, dass es bei einem Verpackungsmaterial auf Kartonbasis für das Verpacken von flüssigen Nahrungsmitteln möglich ist, hervorragende Sperreigenschaften gegenüber Sauerstoff durch Verwendung einer Gassperr-Zusammensetzung, die ein dispersionsfähiges oder lösliches Polymer enthält, zu erreichen.
Dadurch, dass das Aufbringen einer flüssigen Gassperr-Zusammensetzung auf die Kernschicht beim Laminieren des Ver packungsmaterials vermieden wird, konnten wir außerdem das Risiko eines starken Eindringens von Wasser in die Kernschicht verhindern und folglich das Risiko einer Rissbildung, wenn die beschichtete Kernschicht aus Papier oder Karton getrocknet wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines laminierten Verpackungsmaterials mit einer Kernschicht aus Papier oder Karton und einer Sperrschicht, die auf einer Seite der Kernschicht aufgebracht wird, bereit gestellt, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssige Sperrschicht-Zusammensetzung, die eine Dispersion oder Lösung eines Polymers enthält, in einem ersten Schritt als Sperrschicht auf wenigstens eine Seite einer Trägerschicht aufgebracht wird und durch Erhitzen getrocknet wird, um das Dispergiermittel oder Lösungsmittel bei einer ersten Trockentemperatur zu entfernen, und dadurch dass die Trägerschicht mit der aufgebrachten, getrockneten Sperrschicht mit einer Seite der Kernschicht in einem zweiten Schritt kombiniert und dauerhaft mit dieser verbunden wird, wonach die getrocknete Sperrschicht in einem dritten Schritt durch Erhitzen bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, gehärtet wird.
Ein großer Vorteil des Härtens der Sperrschicht in einem Schritt nach dem Laminieren der Trägerschicht, die die getrocknete Sperrschicht trägt, an die Kernschicht, ist, dass weniger Wärmeenergie benötigt wird, weil die Kartonschicht als Wärme isolierende Schicht dient, wenn die Oberfläche der obersten Sperrschicht auf eine höhere Härtetemperatur erhitzt wird. Die Wärme kann vorzugsweise durch Beflammen der Sperrschicht-Oberfläche erfolgen.
Ein anderer wichtiger Vorteil ist, dass ein Film aus hitzeempfindlichen Kunststoff als Trägerschicht verwendet werden kann, auch wenn das Härten der getrockneten Sperrschicht bei Temperaturen über 130°C ausgeführt wird.
Die Trägerschicht, die wenigstens eine Sperrschicht trägt, kann vorzugsweise mit der Kernschicht kombiniert und verbunden werden, indem eine Thermoplastschicht dazwischen extrudiert wird.
Wenn die Trägerschicht die Sperrschicht auf einer Seite trägt, kann sie mit der Kernschicht verbunden werden, indem eine Thermoplastschicht zwischen die Trägerschicht und die Kernschicht extrudiert wird.
Eine äußere Schicht aus Thermoplast, vorzugsweise Polyethylen, wird dann auf die Sperrschicht durch Extrudieren aufgebracht.
Wenn die Trägerschicht die Sperrschicht auf einer oder beiden Seiten trägt, kann sie mit der Kernschicht verbunden werden, indem eine Thermoplastschicht zwischen die Trägerschicht und die Kernschicht extrudiert wird.
Wenn die Trägerschicht die Sperrschicht auf beiden Seiten trägt, kann eine Thermoplast-Schicht auf die äußere Sperrmaterial-Schicht durch Extrudieren aufgebracht werden.
Die Sperrschicht wird vorzugsweise durch Beschichten als Flüssigkeitsfilm aufgebracht, mit einer flüssigen, vorzugsweise wässerigen, Verbindung, die eine Dispersion oder Lösung eines Polymers aufweist. Es kann beispielsweise PVOH in Form einer wässerigen Lösung aufgebracht werden.
Das Polymer ist vorzugsweise ein stark Wasserstoff bindendes Polymer mit Wasserstoffbrückengruppen oder ionischen Gruppen in einer Menge von 20 Gew.-% und mehr des Polymermoleküls. Vorzugsweise hat das Polymer funktionale Hydroxylgruppen und kann beispielsweise aus der Gruppe aufweisend Polyvinylalkohol (PVOH), Ethylenvinylalkohol (EVOH), Polysaccharide wie Stärke, Stärkederivate, Karboxymethylzellulose oder andere Zellulosederivate oder Mischung eines oder mehrerer davon, ausgewählt werden. Polymere mit Stickstoff enthaltenden Gruppen können ebenfalls verwendet werden. Am meisten wird bevorzugt, dass das Polymer ein Polymer ist, das selbst Gassperr-Eigenschaften hat, insbesondere Polyvinylalkohol, Stärke oder Stärkederivate.
Die wässerige Polymerdipersion oder Polymerlösung, die als Sperrschicht aufgebracht wird, kann bei einer ersten Trockentemperatur von vorzugsweise ungefähr wenigstens 80°C getrocknet werden.
Am meisten wird bevorzugt, dass Materialien mit PVOH oder EAA zunächst bei Bahnentemperaturen von 80 bis 160°C (vorzugsweise 140 bis 160°C) in einem ersten Schritt getrocknet werden und bei Bahntemperaturen von 170 bis 230°C (vorzugsweise 170 bis 190°C) in einem zweiten Schritt gehärtet werden, was zu verbesserten Gassperreigenschaften bei 80% relativer Feuchtigkeit führt. Gemäß der vorliegenden Erfindung können das Träger- und das Sperrmaterial zwischen den beiden Schritten abkühlen.
Ein Polymer mit funktionalen Karboxylsäure-Gruppen kann ebenfalls aufgenommen werden. Dieses kann mit den Polymeren mit den funktionalen Hydroxylgruppen während des Trocken-/Härtevorgangs reagieren.
Das Polymer mit funktionalen Karboxylsäure-Gruppen wird vorzugsweise aus Ethylenakryl-Kopolymeren und Ethylenmetakrylsäure-Kopolymeren oder Mischungen daraus gewählt.
Eine bevorzugte Sperrschichten-Mischung besteht aus Polyvinylalkohol und Ethylen-Akrylsäure-Kopolymer (EAA). Eine andere besonders bevorzugte Sperrschicht-Mischung besteht aus Polyvinylalkohol, EAA und einer anorganischen Laminarverbindung. Das EAA-Kopolymer ist in der Sperrschicht in einer Menge von ungefähr 1 bis 20 Gew.-% des Trockengewichts enthalten.
Die anorganische Laminarverbindung oder sogenannte Nanopartikelverbindung ist vorzugsweise zu einem expandierten Zustand dispergiert, d.h. die Lamellen der geschichteten anorganischen Verbindung sind voneinander durch ein flüssiges Medium getrennt.
Die geschichtete Verbindung kann also vorzugsweise gequollen oder gespalten sein durch die Polymerdispersion oder -lösung, die bei der Dispersion in die geschichtete Struktur des anorganischen Materials eingedrungen ist. Sie kann auch durch ein Lösungsmittel gequollen sein, bevor sie der Polymerlösung oder der Polymerdispersion zugegeben wird. Die anorganische Laminarverbindung ist also zu einem expandierten und delaminierten Zustand in der flüssigen Gassperrschicht-Zusammensetzung und in der getrockneten Gassperrschicht dispergiert.
Der Begriff Tonmineral beinhaltet jeweils Mineralien des Kaolinit-, Antigorit-, Smektit-, Vermiculit-, und Mikatyps. Insbesondere können Laponit, Kaolinit, Dickit, Nakrit, Halloysit, Antigorit, Chyrolith, Pyrophyllit, Montmorillonit, Hectorit, Natriumtetrasiliziummica, Natriumtäniolit, Kaliglimmer, Mar garit, Vermiculit, Phlogopit, Xanthophyllit u.ä. als geeignete Tonmineralien genannt werden.
Die anorganische Laminarverbindung bzw. das Tonmineral hat vorzugsweise eine Verhältniszahl von 50 bis 5000 und eine Partikelgröße bis zu ungefähr 5 μm im expandierten Zustand.
Die Sperrschicht beinhaltet vorzugsweise 1 bis ungefähr 40 Gew.-% der anorganischen Laminarverbindung basierend auf dem Trockengewicht der Beschichtung, mehr bevorzugt wird ein Anteil von 1 bis ungefähr 30 Gew.-%, am meisten bevorzugt wird ein Anteil von 5 bis ungefähr 20 Gew.-%. Wenn die Menge zu gering ist, werden die Dichteigenschaften gegenüber Gas der aufgebrachten und getrockneten Sperrschicht nicht wesentlich im Vergleich zu einer Sperrschicht ohne anorganische Laminarverbindung verbessert. Wenn der Anteil zu hoch ist, wird es schwierig, die flüssige Verbindung als Beschichtung aufzubringen, außerdem wird es schwieriger, sie in den Tanks und Leitungen des Aufbringsystems handzuhaben.
Die Sperrschicht beinhaltet vorzugsweise ungefähr 99 bis 60 Gew.-% des Polymers basierend auf dem Trockengewicht der Beschichtung, mehr bevorzugt wird ein Anteil von ungefähr 99 bis 70 Gew.-%, am meisten bevorzugt wird ein Anteil von ungefähr 95 bis 80 Gew.-%.
Ein Zusatz wie z.B. ein Dispersionsstabilisierer o.ä. kann in der Gassperr-Zusammesetzung enthalten sein, vorzugsweise in einer Menge von nicht mehr als 1 Gew.-% des Trockengewichts der Beschichtung.
Die Sperrschicht wird bei einer Temperatur von bis zu 230°C, vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 170°C gehärtet.
Das Härten bei hoher Temperatur kann von kurzer Dauer sein und der Bahnvorschubgeschwindigkeit, die normalerweise bei der Laminatherstellung verwendet wird, entsprechen.
Die Sperrschicht wird normalerweise auf die Trägerschicht in einer Menge aufgetragen, die von der Polymerart abhängt; sie beträgt ungefähr 0,5 bis 20 g/m², vorzugsweise 1 bis 10 g/m², basierend auf dem Trockengewicht. Wenn die aufgetragene Menge zu gering ist, sind die Gassperr-Eigenschaften zu schlecht, wenn die Menge zu hoch ist, besteht das Risiko, dass die Sperrschicht inflexibel wird und es zu Rissbildung kommt.
Die Trägerschicht kann aus Papier, Kunststoff oder aus Kunststoff beschichteten Papier bestehen; die bevorzugten Materialien werden im Nachfolgenden beschrieben. Wenn Papier verwendet wird, ist es vorzugsweise dünn. Die Trägerschicht besteht in einer Ausführungsform aus Papier mit einem Quadratmetergewicht von ungefähr 5 bis 35 g/m², z.B. 7 bis 25 g/m², mehr bevorzugt wird ein Quadratmetergewicht von 10 bis 20 g/m². Mehr bevorzugt wird, dass das dünne Papier mit einer dünnen Kunststoffschicht beschichtet ist, wie z.B. Polyethylen.
Die Kunststoffschicht wird zwischen der Kernschicht und der Trägerschicht aufgebracht, oder die Sperrschicht kann eine Substanz enthalten, die als Lichtsperre dient. Dies wird insbesondere dann bevorzugt, wenn die Trägerschicht aus Papier oder einem anderen undurchsichtigen Material besteht.
Eine flüssige Sperr-Zusammensetzung, die eine Polymerdispersion oder Polymerlösung und vorzugsweise außerdem eine anorganische Laminarverbindung enthält, wird in einem eigenen Produktionsabschnitt als Sperrschicht auf wenigstens eine Seite einer Trägerschicht aufgetragen und dann durch Erhitzen ge trocknet, um das Wasser zu entfernen, danach wird die Trägerschicht mit der getrockneten Sperrschicht dauerhaft mit einer Seite der Kernschicht verbunden, wonach das Härten der getrockneten Sperrschicht erfolgt; dadurch entsteht ein laminiertes Verpackungsmaterial mit einer Sperrschicht, das exzellente Sauerstoffsperr-Eigenschaften aufweist.
Dadurch dass die Sperrschicht bei einer erhöhten Temperatur nicht zusammen mit dem Laminieren des Verpackungsmaterials getrocknet wird, wird das Risiko einer zu großen Wasserabsorption in der Kernschicht und einem anschließenden Trockenen der Kernschicht aus Papier oder Karton, was das Risiko einer Rissbildung nach sich zieht, völlig ausgeschlossen.
Wenn die Kunststoffschicht, die zwischen der Kernschicht und einer Trägerschicht aus Papier aufgebracht wird, eine Sperrsubstanz, die als Lichtsperre dient, enthält, idealerweise Carbon Black, kann eine Lichtsperrschicht realisiert werden, deren unattraktives schwarzes Äußeres in einer Schicht zwischen einer Kernschicht und einer dünnen Papierschicht, die die Sperrschicht trägt, verborgen werden kann.
Ein wichtiger Vorteil dieses Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Sperrschicht, die in einem eigenen Produktionsabschnitt hergestellt wird, bei der Produktion eines laminierten Verpackungsmaterials auf gleiche Art und Weise und unter Verwendung der gleichen Produktionsausrüstung verwendet werden kann, wie sie heute bei der Produktion von Verpackungsmaterial mit Aluminiumfolie als Sauerstoff-Sperrschicht verwendet wird.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Härten des Sperrschichtpolymers in einem eigenen Schritt, nachdem die Trägerschicht mit der getrockneten Sperrschicht mit der Kernschicht laminiert wurde, bei einer höheren Härtetemperatur durchgeführt wird, ist, dass auch hitzeempfindliche Trägerschichten wie dünne Thermoplastfilme, z.B. Polyethylen mit geringer Dichte (LDPE), verwenden werden können, ohne dass das Risiko besteht, dass der Film schmilzt, schrumpft, sich ausdehnt oder auf andere Art und Weise seine Abmessungen ändert. Weiterhin wird aufgrund des wärmeisolierenden Effekts der Papierkernschicht der erwärmten Bahn weniger Wärmeenergie benötigt, um die Härtetemperatur der Bahnoberfläche zu erreichen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail mit Hilfe nicht einschränkender Beispiele des Verfahrens und mit dem Verfahren erhältlicher Laminate anhand bevorzugter Ausführungsformen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einer Trägerschicht mit einer Sperrschicht;
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens des laminierten Verpackungsmaterials;
3 einen Querschnitt durch ein laminiertes Verpackungsmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
4 eine perspektivische Ansicht von oben auf einen konventionellen, formstabilen Behälter, der aus einem gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten laminierten Verpackungsmaterial hergestellt wurde.
Es wird nun auf Figuren Bezug genommen. 1 und 2 zeigen schematisch ein exemplarisches Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines laminierten Verpackungsmaterials 10 wie in 3 dargestellt. Eine Bahn aus einer Trägerschicht 11, z.B. aus dünnem Papier, das vorzugsweise mit dünnen Kunststoffschichten beschichtet ist, wird von einer Vorratsrolle 12 abgerollt und an einer Aufbringvorrichtung 13, die nahe an der Bahn positioniert ist, (vorzugsweise einem Apparat zum Aufbringen eines flüssigen Films) vorbei geführt, wodurch wenigstens eine Sperrschicht 14 aus einer wässerigen Zusammensetzung, die eine Dispersion oder Lösung aus einem Polymer und eine anorganische Laminarverbindung enthält, auf eine Seite der Trägerschicht 11 aufgebracht wird, um eine im Wesentlichen kohäsive Sperrschicht 14 zu bilden. Falls die Trägerschicht eine mit Kunststoff beschichtete Papierschicht ist, wird die Polymerdispersion oder -lösung vorzugsweise auf die mit Kunststoff beschichtete Seite aufgetragen. Die Menge der aufgetragenen Lösung kann variieren, wird aber vorzugsweise in einer Menge aufgetragen, dass nach dem Trocknen eine durchgängige und im Wesentliche ungebrochene Schicht gebildet wird, z.B. 0,5 bis 20 g/m², vorzugsweise 1 bis 10 g/m2 basierend auf dem Trockengewicht.
Wenn eine PVOH enthaltende Verbindung, die vorzugsweise auch eine anorganische Laminarverbindung enthält, verwendet wird, besteht die Trägerschicht 11 aus einer dünnen Papierschicht mit einem Quadratmetergewicht von ungefähr 5 bis 35 g/m², vor zugsweise 7 bis 25 g/m², bevorzugter 10 bis 20 g/m², oder einer mit Kunststoff beschichteten Papierschicht; sie kann jedoch auch ein Kunststoffilm sein. Dünnes Papier hat jedoch den Vorteil, dass es nicht empfindlich gegenüber der erhöhten Temperatur beim Trocknen ist, was bei Kunststoffilmen der Fall sein kann.
Die Sperrschicht 14 wird auf die Trägerschicht 11 in Form einer wässerigen Zusammensetzung aufgetragen, die eine Polymerdisperson oder Polymerlösung enthält und vorzugsweise eine anorganische Laminarverbindung, wobei die Zusammensetzung ein Polymer mit solchen Eigenschaften enthält, die für eine aufgebrachte Schicht gewünscht werden, z.B. ein Polymer mit funktionalen Hydroxylgruppen, wie zum Beispiel Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Stärke, Stärkederivate, Karboxymethylzellulose oder andere Zellulosederivate oder Mischungen davon.
Die Sperrschicht 14 kann auch ein hydrophobes Polymer, wie in WO 97/22536 beschrieben, enthalten, z.B. Styrol-Butadien-Kopolymer.
Die Sperrschicht 14 kann auch ein Polymer mit funktionalen Gruppen enthalten, die mit den funktionalen Hydroxylgruppen im oben genannten Polymer reagieren, um eine vernetzte Sperrschicht 14 herzustellen. Solche Polymere können Polyolefine sein, die mit Karbonsäuregruppen modifiziert wurden, oder Pfropfkopolymere mit Monomeren, die Karbonsäuregruppen in einem olefinen Homo- oder Kopolymer enthalten. Alternativ können solche Polymere zufällig ausgewählte Kopolymere von olefinen Monomeren und Monomeren, die funktionale Karbonsäuregruppen, wie Karbonsäuren, Karbonsäureanhydride, Metallsalze von Karbonsäuren oder Derivate davon, enthalten, sein. Beispiele für geeignete funktionale Polyolefine beinhalten Polyethylen- und Polypropylen- Homopolymere oder Kopolymere, die mit Maleinsäureanydrid, Ethylenakrylsäure (EAA) oder Ethylenmetakrlysäure (EMAA) oder zufällig ausgewählten Kopolymeren veredelt sind.
Es wird besonders bevorzugt, dass die Sperrschicht 14 eine Mischung aus Polyvinylalkohol und Ethylenakrylsäure-Kopolymer oder eine Mischung aus Polyvinylalkohol, EAA und einer anorganischen Laminarverbindung enthält. Das Mischverhältnis zwischen Polyvinylalkohol und Ethylenakrylsäure-Kopolymer in der Sperrschicht 14 sollte so sein, dass der Polyvinyalkohol einen durchgängigen Schutz gegen Gastransport im Verpackungslaminat bilden kann, während gleichzeitig die Menge an Ethylenakrylsäure-Kopolymer ausreichend sein sollte, um eine kohäsive Phase zu bilden, die teilweise den Polyvinylalkohol schützt und teilweise effektiv dem Transport von Flüssigkeit durch das Polymer der Sperrschicht entgegenwirkt, bzw. diesen verhindert.
Die wässerige Zusammensetzung wird vorzugsweise durch Aufbringen als flüssiger Film aufgebracht; dieses Verfahren wird auch als "Dispersionsbeschichten" oder "Nassbeschichten" bezeichnet, was in im Stand der Technik bekannt ist; andere Beschichtungsverfahren sind gemäß der vorliegenden Erfindung möglich und hängen von der Viskosität der Zusammensetzung ab.
Die Trägerschichtbahn 11 wird nach dem Beschichten an einem Trockenapparat 15 vorbei geführt, z.B. einem Infrarot-Trockner oder einem Heißlufttrockner, der auf die beschichtete Seite der Trägerschicht 11 einwirkt, um Wasser zu entziehen und die aufgebrachte Sperrschicht 14 bei einer Bahnenoberflächentemperatur von ungefähr 80 bis 150°C zu trocknen.
Schließlich wird die fertige Trägerschicht 11 mit der aufgebrachten Sperrschicht 14 aufgerollt und kann dann gelagert werden oder direkt in einem konventionellen Laminierprozess verwendet werden, um ein laminiertes Verpackungsmaterial 10 mit hervorragenden Sperreigenschaften herzustellen.
Die Trägerschicht 11 mit der aufgebrachten Sperrschicht 14 kann idealerweise für die Herstellung von Verpackungsmaterial 10 verwendet werden, wobei die Herstellung der Herstellung von Verpackungsmaterial mit Aluminiumfolie als Sperrschicht entspricht und auch entsprechende Ausrüstung verwendet werden kann. 2 zeigt eine Bahn aus einer formstabilen, aber faltbaren Kernschicht mit einem Quadratmetergewicht von ungefähr 100 bis 500 g/m², vorzugsweise ungefähr 200 bis 300 g/m², das eine bekannte Faserschicht aus Papier oder Karton mit geeigneten Verpackungsqualitäten sein kann. Die Kernschicht 16 wird durch den Zwischenraum zwischen zwei rotierenden Walzen 17 geführt und wird mit einer Trägerschichtbahn 11 mit der getrockneten oder gehärteten Sperrschicht 14 vereint, indem – unter Verwendung eines Extruders 18 – eine oder mehr Schichten aus extrudierbaren Thermoplast 19, vorzugsweise Polyethylen, zwischen die Kernschicht 16 und die Trägerschicht 11 aufgebracht wird bzw. werden. Wie dargestellt, ist das Sperrmaterial 14 vorzugsweise auf der äußeren Seite der Trägerschicht.
Die Bahn wird im Nachfolgenden zu einer Härtestation 24 vorgeschoben, wo die Bahn, die die äußerste Sperrschicht 14 aufweist, Wärme so ausgesetzt wird, dass die Oberflächentemperatur auf ungefähr 170°C oder mehr ansteigt. Es kann jede Wärmequelle verwendet werden, vorzugsweise wird die Wärme auf die Bahnenoberfläche durch eine Flamme aufgetragen, wie im Stand der Technik bekannt. Das Härten durch Wärme ist von kurzer Dauer, während die Bahn mit normaler Bahnengeschwindigkeit für die Herstellung eines Verpackungslaminats vorgeschoben wird.
Die so laminierte Bahn wird schließlich durch den Zwischenraum zwischen zwei rotierenden Walzen 20 vorgeschoben, wobei gleichzeitig auf beide äußere Seiten unter Verwendung eines Extruders dünne Schichten 21, 22 von extrudierbaren Thermoplast aufgetragen werden, vorzugsweise Polyethylen. Das fertige laminierte Verpackungsmaterial 10 hat eine Querschnittsstruktur wie schematisch in 3 dargestellt. Alternativ können zwei Extruder 23 hinter einander für das aufeinanderfolgende Extrudieren von dünnen Thermoplastschichten 21 und 22 auf die jeweiligen äußeren Seiten der laminierten Bahn angeordnet werden.
Die beiden Kunststoffschichten 21 und 22 sollen das Verpackungsmaterial 10 einerseits vor dem Eindringen von Flüssigkeit und Feuchtigkeit von außen schützen, außerdem sind sie nötig, um das Material für das sogenannte Warmverschweißen verschweißbar zu machen, bei dem gegenüberliegende Kunststoffschichten mit Hilfe von Wärme und Druck durch Oberflächenfusion verbunden werden. Das Warmverschweißen führt während dem Umwandeln des Verpackungsmaterial zu fertigen Verpackungsbehältern zu mechanisch widerstandsfähigen, flüssigkeitsdichten Versiegelungsnähten.
Die äußere Kunststoffschicht 22, die auf das Verpackungsmaterial 10 auf der Seite der Kernschicht 16 angebracht wird, die im fertigen Verpackungsbehälter außen ist, kann mit einem dekorativen und/oder informativen Druck versehen werden, um das verpackte Produkt zu identifizieren.
Aus dem laminierten Verpackungsmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, können flüssigkeitsdichte, formstabile Packungen mit hervorragenden Gassperr-Eigenschaften hergestellt werden, unter Verwendung bekannter Verpackungs- und Füllmaschinen, die das Material in einem kontinuierlichen Prozess zu fertigen Packungen 50 formen, füllen und versiegeln. Ein Beispiel für einen solchen konventionellen Verpackungsbehälter 50 wird in 4 dargestellt.
Zunächst werden die Längskanten des bahnenförmigen Verpackungsmaterials 10 verbunden, um einen Schlauch zu formen, der mit dem gewünschten Inhalt gefüllt wird. Danach werden einzelnen Packungen 50 von der Bahn durch wiederholtes Querversiegeln des Schlauchs unterhalb des Inhaltsniveaus abgetrennt. Die Packungen 50 werden durch Schneiden in den Querversieglungszonen von einander getrennt und erhalten ihre gewünschte geometrische (normalerweise parallelepipede) Form durch eine abschließende Faltung und Versiegelung.
Ein weiterer wichtiger Vorteil einer bevorzugten Ausführungsform des dargestellten Verfahrens ist, dass die Schritte des Aufbringens und Trocknens der flüssigen Gassperr-Zusammensetzung außerhalb der Laminierlinie durchgeführt werden, wodurch teure Modifikationen und Umbaumaßnahmen der Laminierausrüstung zum Herstellen von Verpackungsmaterial mit einer Kernschicht entfallen. Durch das Aufbringen der Sperrschicht auf eine dünne Trägerschicht, wie z.B. auf einen Kunststoffilm oder dünnes Papier mit einer glatten, im Wesentlichen nicht absorbierenden Oberfläche, und dem nachfolgenden Laminieren mit den weiteren Kunststoffschichten und der Kernschicht, kann der Laminiervorgang auf der gleichen Ausrüstung und unter Verwendung der gleichen Verfahren, wie sie heute für das Laminie ren von Alumniumfolie und Innenschichten verwendet werden, durchgeführt werden.
Das Verfahren, die Sperrschicht bei einer erhöhten Temperatur in einem Schritt nach dem Laminieren der Trägerschicht mit der Kernschicht zu härten, ist besonders vorteilhaft, weil die Trägerschicht in diesem Fall nicht dimensional wärmebeständig sein muss und weniger Wärmeenergie benötigt wird, um die Härtetemperatur zu erreichen. Wenn die Sperrschicht gehärtet wird, wenn sie nur auf der dünnen Trägerschicht aufgebracht ist, dissipiert die Wärmeenergie schnell durch die dünne Trägerschicht aus der Bahn und es dauert deshalb länger, bis die benötigte Härtetemperatur der Bahnoberfläche erreicht ist.
Aus blatt- oder bahnenförmigen, vorzugsweise vorab mit Falzlinien versehen und bedruckten Zuschnitten des Verpackungslaminats 10, werden flüssigkeitsdichte, vorzugsweise formstabile Einwegbehälter mit bekannter "Form-Füll-Versiegel-Technologie" hergestellt, bei der die Packungen in modernen, wirtschaftlichen Verpackungs- und Füllmaschinen geformt, gefüllt und versiegelt werden. Aus einer Verpackungslaminatbahn werden solche Packungen beispielsweise dadurch hergestellt, dass die Bahn zunächst in einen Schlauch geformt wird, indem beide Längskanten durch Warmversiegeln an einer überlappenden Naht verbunden werden. Der Schlauch wird mit dem entsprechenden Inhalt gefüllt, z.B. einem flüssigen Nahrungsmittel, und wird durch wiederholtes Querversiegeln des Schlauchs quer zu Längsachse des Schlauches unterhalb des Flüssigkeitsniveaus in einzelne Packungen geformt. Die Packungen werden schließlich durch Querschnitte entlang der Querversiegelungen von einander getrennt, wodurch kissenförmige versiegelte Verpackungen entstehen. Die kissenförmigen Packungen können so verteilt werden; sie können aber auch zunächst die gewünschte (meist parallele pipede) Form durch zusätzliche per se bekannte Form- und Warmversiegelschritte erhalten.
Es muss beachtet werden, dass die verschiedenen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Verpackungslaminate zusätzlich zu den in den Zeichnungen dargestellten Schichten eine Mehrzahl von Schichten aufweisen können. Dem Fachmann ist klar, dass die Schichtenzahl variieren kann und dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.
Herstellungsbeispiel 1
Eine wässerige Dispersion von ungefähr 1 bis 5 Gew.-% von expandierten, flockenförmigen Mineralpartikeln (natürliche, z.B. Montmorillonit oder synthetische z.B. Laponit) mit einer Verhältniszahl von ungefähr 50 bis 5000 wird mit einer wässerigen Lösung von ungefähr 5 bis 30 Gew.-% PVOH (mit einem Molekulargewicht von 16000 bis 200000 g/mol und einem Verseifungsgrad von 95 bis 100) bei 60 bis 90°C für 2 bis 8 Stunden gemischt. Die Dispersion aus expandierten Laminar-Mineralpartikeln kann mit Hilfe eines Stabilistationszusatzes stabilisiert werden. Alternativ werden die Laminar-Mineralpartikel in der PVOH-Lösung bei 60 bis 90°C für 2 bis 8 Stunden expandiert. Eine wässerige Etylenakrylsäure-Kopolymer Dispersion wird zu der wässerigen Mischung aus PVOH und Mineralpartikel gegeben. Die daraus entstehende Mischung wird durch Dispersionsbeschichten in einer Menge von ungefähr 1 bis 10 g/m² basierend auf dem Trockengewicht auf eine dünne mit Kunststoff beschichtete Papierschicht aufgebracht. Die nasse Beschichtung wird als Lösung/Dispersion in Wasser aufgebracht und bei einer Bahnenoberflächentemperatur von 100 bis 150°C getrocknet. Die Trägerschicht mit der getrockneten Sperrschicht wird durch Extrudieren auf die Kernschicht laminiert und im Nachfolgenden einer Bahnenoberflächentemperatur von 170 bis 190°C ausgesetzt, um die Sperrschicht zu härten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines laminierten Verpackungsmaterials (10), das eine Kernschicht (16) aus Papier oder Karton und eine Sperrschicht (14), die auf einer Seite der Kernschicht aufgebracht wird, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssige Sperrschicht-Zusammensetzung, die eine Dispersion oder Lösung eines Polymers enthält, in einem ersten Schritt als Sperrschicht (14) auf wenigstens eine Seite einer Trägerschicht (11) aufgebracht wird und durch Erhitzen getrocknet wird, um die Flüssigkeit bei einer ersten Trockentemperatur zu entfernen, und dass die Trägerschicht (11) mit der aufgebrachten, getrockneten Sperrschicht (14) mit einer Seite der Kernschicht (16) in einem zweiten Schritt kombiniert und dauerhaft mit dieser verbunden wird, wonach die getrocknete Sperrschicht (14) in einem dritten Schritt durch Erhitzen bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste ist, gehärtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (11), die wenigstens eine getrocknete Sperrschicht (14) trägt, mit der Kernschicht (16) kombiniert und verbunden wird, indem eine Thermoplastschicht dazwischen extrudiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (14) auf die Trägerschicht als flüssige Sperrverbindung durch Aufbringen als flüssiger Film aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Sperrverbindung, die als Sperrschicht (14) aufgebracht wird, ein Polymer mit funktionalen Hydroxylgruppen enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer mit den funktionalen Hydroxylgruppen ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Stärke, Stärkederivate, Karboxylmethylzellulose oder anderen Zellulosederivaten oder Mischungen zweier oder mehrerer davon.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Sperrverbindung, die als Sperrschicht (14) aufgebracht wird, bei einer Bahnoberflächentemperatur von ungefähr 80 bis 160°C getrocknet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Sperrverbindung, die als Sperrschicht (14) aufgebracht wird, auch ein Polymer mit funktionalen Karboxylsäuregruppen beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer mit den funktionalen Karboxylsäuregruppen ausgewählt wird der Gruppe bestehend aus Ethylenakryl-Kopolymer und Ethylenmetakrylsäure-Kopolymer oder Mischungen daraus.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (14) im Wesentlichen aus einer Mischung aus Polyvinylalkohol und Ethylenakrylsäure-Kopolymer besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht im Wesentlichen aus einer Mischung aus Polyvinylalkohol, Ethylenakrylsäure-Kopolymer und einer anorganischen Laminarverbindung besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die getrocknete Sperrschicht (14) bei einer Bahnoberflächentemperatur bis zu 200°C, vorzugsweise ungefähr 170–190°C, gehärtet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht (14) auf die Trägerschicht (11) in einer Menge von ungefähr 1 bis 10 g/m² basierend auf dem Trockengewicht der Beschichtung aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (11) aus dünnem Papier besteht, das optional mit einer Kunststoffschicht oder einem Kunststoffilm beschichtet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (11) aus Papier mit einem Quadratmetergewicht von ungefähr 5 bis 35 g/m² besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass äußere Schichten (21, 22) aus Thermoplast, vorzugsweise Polyethylen, auf die Sperrschicht (14) und die Kernschicht (16) durch Extrudieren aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (19), die zwischen der Kernschicht (16) und der Trägerschicht (11) aufgebracht wird, eine Substanz enthält, die als Lichtsperre dient.