AT519264A4 - Mit einer Platine versiegelte Kapsel - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eme mit einer Platine versiegelte Kapsel für Bestandteile von Getränken, insbesondere Kaffee oder Tee. Zur Erreichung einer Berstfestigkeit bis 15 bar ist vorgesehen, dass die Kapsel aus PBT (Polybutylenterephthalat) besteht, und dass die Platine, von der bestimmungsgemäßen Innenseite (Siegelseite) aus gesehen, zumindest aus einer Schicht PBT, coextrudiert auf eine PET (Polyethylenterephthalat) Kemschicht, und einer Barriereschicht, bevorzugt aus Aluminium, besteht. Zusätzliche Schichten können vorgesehen sein.

Description

Zusammenfassung:
Die Erfindung betrifft eine mit einer Platine versiegelte Kapsel für Bestandteile von Getränken, insbesondere Kaffee oder Tee.
Zur Erreichung einer Berstfestigkeit bis 15 bar ist vorgesehen, dass die Kapsel aus PBT (Polybutylenterephthalat) besteht, und dass die Platine, von der bestimmungsgemäßen Innenseite (Siegelseite) aus gesehen, zumindest aus einer Schicht PBT, coextrudiert auf eine PET (Polyethylenterephthalat) Kemschicht, und einer Barriereschicht, bevorzugt aus Aluminium, besteht. Zusätzliche Schichten können vorgesehen sein.
/ 13
Die Erfindung betrifft eine mit einer Platine versiegelte Kapsel für Bestandteile von
Getränken, insbesondere Kaffee oder Tee, die auch bei Drücken bis 15 bar dicht bleibt, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Kapseln zur Zubereitung von Getränken sind beispielsweise aus der EP 2 100 824 bekannt, wobei in dieser Druckschrift Drücke von 10 bar speziell angeführt werden. Betreffend Aufbau und Innenleben der Kapseln wird insbesondere auf diese Druckschrift verwiesen, im Stand der Technik sind die möglichen Formen und die damit verbundenen Vor- und Nachteile verschiedentlich dargestellt und dem Fachmann somit bekannt, sodass hier darüber nichts Näheres ausgeführt werden muss, es soll nur kurz auf die Funktionsweise bei der Benützung eingegangen werden:
Die Kapsel wird in einem Hohlraum des Getränkeautomaten weitgehend mit flächigem Kontakt eingesetzt, beim Schließen der Form wird die Platine, die die Kapsel verschließt, von einer oder mehreren Hohlnadeln durchstoßen und durch diese wird in der Folge Dampf und/oder Wasser unter großem Druck eingebracht, wobei beim Erreichen von etwa 6 bar eine dafür vorgesehene Schwachstelle am Boden der Kapsel aufspringt und dort das fertige Getränk aus der Kapsel abfließt. Der dabei aufgebrachte Druck ist für die Qualität des Getränks in so gut wie allen Fällen bestimmend, weshalb man sich bemüht, diesen Druck von derzeit etwa 10 bar auf 15bar zu erhöhen. Dies ist bisher nur mit extrem kostspieligen Kapseln und insbesondere Platinen möglich, da eine ausreichende Siegelstärke zwischen dem Rand der Kapsel und dem Rand der Platine nicht leicht zu erzielen ist.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Kapsel der eingangs genannten Art, die in der Lage ist, die Getränkeabgabe bei derart hohen Drücken zu gewährleisten, ohne dass es zum Platzen im Bereich der Siegelnaht oder zu anderen Undichtigkeiten kommt. Zusätzlich muss die versiegelte Kapsel eine hohe Aromadichtigkeit und eine geringe Durchlässigkeit für Wasserdampf und Sauerstoff aufweisen, um die hohe Qualität des Kaffeepulvers während der Lagerung in der Kapsel über lange Zeiträume bis zu 24 Monate (shelf-life) zu erhalten. Optimal sind Werte von weniger 1 cm3/m2 bar 24 h (OTR) und 1 g/m2 bar 24 h (WVTR).
Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Kapsel mit Polypropylen-basierendem
Kapselmaterial ist dieses gegen ein Deckfolien-Barrierelaminat mit Polypropylen-basierender
Siegelfolie gesiegelt. Dabei ist das Polypropylen-basierende Material mit Polyurethan2/13
Kaschierklebstoffen gegen Aluminium kaschiert, das wiederum mit Polyurethan-KaschierKlebstoff gegen BOPET kaschiert ist.
Der Aufbau der PP - Kapseln benötigt für eine Aroma- und Sauerstoffdichtigkeit eine dicke Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymer (ehern Abkürzung EVOH, bzw. EVAL™ der Fa. Kuraray) Schicht (allgemeine Beispiele aus dem Stand der Technik sind bspw. aus der EP 2 748 086 Bl zu entnehmen):
Stand der Technik Möglichkeit 1:
PP: ca. 110 μm
EVOH: ca. 16 μm
PP: ca.110 μm
Stand der Technik Möglichkeit 2:
PP: ca. 90 μm
EVOH: ca. 16 μm
PP: ca. 60 μm
Aufgrund der hohen Wasseraufnahme-Kapazität des Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymer bleibt dieses und dadurch die Barriereeigenschaften bei hoher Umgebungsfeuchtigkeit nicht stabil, sodass der große Aufwand nur bedingt Erfolg hat.
Es ist das Ziel und die Aufgabe der Erfindung, eine solche Kapsel anzugeben.
Diese Ziele werden durch eine Kapsel erreicht, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist, mit anderen Worten, die Kaffeekapsel besteht aus PBT (Polybutylenterephthalat) und die Platine besteht, von der bestimmungsgemäßen Innenseite (Siegelseite) aus gesehen, aus einer Schicht PBT, coextrudiert auf eine Schichte PET (Polyethylenterephthalat) und einer Barriereschicht, die entweder direkt an das PET anschließt oder nach zumindest einer Zwischenlage vorgesehen ist, sowie gegebenenfalls weiteren äußeren Lagen, die beispielsweise bedruckt oder auch anders ausgestaltet sein können.
/ 13
Die Wasseraufnahmefähigkeit des PBT Harzes beträgt nur 0,08 Gew.-% im Gegensatz zu den Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymer-Harzen, die bis über 10% aufnehmen können. Dazu wird auf einschlägige Publikationen und Produktbeschreibungen, beispielsweise von der Fa. Kuraray verwiesen.
Die PBT-PBT-Siegelung zwischen Platine und Kapsel kann bei einer Siegeltemperatur zwischen 240 °C und 270 °C in einer Zeit von 0,5 Sekunden und 2,35 bar Siegeldruck durchgeführt werden, wobei trotz dieser kurzen Siegelzeit eine Siegelkraft von mindestens 20 N/15 mm, gemessen unter Standardbedingungen, erreicht wird, was bei den üblichen Abmessungen der Kapsel für eine ausreichende Druckfestigkeit (eigentlich Berstfestigkeit) sorgt.
Im Folgenden werden einzelne spezielle Ausbildungen der Erfindung näher erläutert, wobei stets von einer PBT-Kapsel mit einer Wandstärke von mind. 250 μm bis max. 1 mm, durchschnittlich 700 μm, ausgegangen wird.
Basisschicht:
Die getestete Folie wies, von innen nach außen, eine PBT-Siegelschicht mit einer Stärke von 3 μm, coextrudiert mit einer PET-Kemschicht mit einer Stärke von 26 μm und einer PETKaschierschicht mit einer Stärke von 1 μm auf. Die Kaschier-Deckschicht PET enthält zusätzlich Antiblock- und Gleitmittel zur Einstellung der Gleitreibung (Folienoberfläche außen gegen Folienoberfläche innen, d.h. hier PET-Deckschicht gegen PBT-Siegelschicht) und Wickelqualität der Rolle, der Kaschier-Folienaufbau ist hier insgesamt ein 3-lagiger coextrudierter Komplex PBT (Siegelschicht)-PET (Kemschicht)-PET (Deckschicht) mit biaxialer Orientierung.
Auf diese PET-Kaschierschicht wurde mittels eines üblichen Kaschierklebers eine Alufolie bzw. ein Aluminiumband mit einer Stärke von 15 μm zwecks Bereitstellung einer absoluten Barriereschicht aufkaschiert, darüber liegende Schichten wie Druckvorlage, Druckschicht und Druckschutzlack werden hier und im Folgenden nicht weiter angeführt.
Im Falle der Verwendung von Kapsel-Material aus PBT (teilkristallinem, thermoplastischem, gesättigtem Polyester auf der Basis von Polybutylenterephthalat) erfolgt eine Versiegelung gegen Deckfolien-Barrierelaminat mit PBT-basierender oder PBT-haltiger Siegelschicht
4/13 (siehe unten angeführte Beispiele). Diese PBT-basierenden, versiegelten Kapseln - Platinen weisen eine Berstfestigkeit bis zu 15bar und eine besonders hohe Aromadichtigkeit (Barriere) auf. Die PBT-Kapseln selbst (ohne Deckfolie) werden durch Spritzgussverfahren zur Kapselform ausgeformt.
Die zugrundeliegenden PBT Werkstoffe werden im Allgemeinen für hochwertige, hochbelastete technische Teile in vielen industriellen Bereichen eingesetzt. Weitere besondere Merkmale dieser Werkstoffe sind hohe Steifigkeit und Festigkeit, eine sehr gute Formbeständigkeit auch in der Wärme, geringe Wasseraufnahme und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen viele Chemikalien. Für das Einsatzgebiet in Kaffeekapseln ist es in besonderem Maße geeignet, da PBT bereits als Einzelschicht eine sehr gute Aromadichtigkeit bietet und keine Einschränkung bezüglich der Verwendung in direktem Lebensmittelkontakt aufweist.
Ausführungsbeispiele
Beispiel 1
Nicht durchlässige Ausführung, Aufzählung von innen (siegelnde Seite) nach außen.
Die Schichten 1 bis 3 stellen die im Weiteren genannte Grundfolie dar
Schicht 1 3 μm PBT
Schicht 2 26 μm PET-Kemschicht
Schicht 3 1 μm PET-Deckschicht (enthält Antiblock/Gleitmittel)
Schicht 4 3 g/m2 2K Polyurethan Kaschierklebstoff
Schicht 5 15 μm Aluminiumband (weich geglüht)
Schicht 6 2 g/m2 2K-Polyurethan Überlack + Druckfarbe
In Figur 1 wird die Siegelkurve des oben beschriebenen Deckelmaterials gegen eine PBT Folie beschrieben.
Siegelzeit: 0,5 s; Siegelpartner: PBT-Folie 270pm
Siegeldruck: 2,35 N/mm2
Die Ergebnisse des Tests sind in Fig. 1 angegeben, eine Berstfestigkeit von 15 bar
Kapselinnendruck während des Brühprozesses in der Kaffeemaschine wird ohne Entstehen von Undichtigkeiten bzw. Abplatzen der Deckfolie erreicht
5/13
Beispiel 2:
Schicht 1 3μm PBT
Schicht 2 26 μm PET
Schicht 3 1 μm PET (enthält Antiblock/Gleitmittel)
Schicht 4 3g/m2 Kaschierklebstoff 2K-Polyurethan
Schicht 5 lOnm Aluminiumoxid oder Siliciumoxid
Schicht 6 12pm PET
Schicht 7 lg/m2 Überlack 2K-Polyurethan
Auf die eingangs genannte dreischichtige Grundfolie PBT-PET-PET (Basisschicht) wurde ein mehrschichtiges Substrat aufgebracht. Von dieser dreischichtigen Siegelschicht ausgehend wird gegebenenfalls mit einem Haftvermittler bzw. Kaschierklebstoff eine 12gm starken PET Schicht, welche an der Außenseite mit Aluminiumoxid oder Siliciumoxid beschichtet zur Bereitstellung ausreichende hoher Sperreigenschaften gegen Aroma/Wasserdampf/Sauerstoff bei guter Transparenz der Deckelfolie, kaschiert, auf dieser wiederum als äußerste Schicht einen Zweikomponenten-Polyurethan-Überlack aufgetragen wird.
In Figur 2 wird die Siegelkurve oben beschriebenen Deckelmaterials gegen eine PBT Folie angeführt
Siegelzeit: 0,5 s Siegelpartner: PBT-Folie 270μm
Siegeldruck: 2,35 N/mm2
Berstfestigkeit: 15bar Kapselinnendruck während des Brühprozesses in der Kaffeemaschine wird ohne Entstehen von Undichtigkeiten oder Abplatzen der Deckfolie erreicht
Die Aluminiumoxid oder Siliciumoxid-Schicht stellt eine Barriereschicht für Wasserdampf/Sauerstoff und Aromastoffe dar, die transparent ist. Diese Beschichtung kann sich auch auf der Deckschicht PET oder auf der anderen Seite zwischen Überlack 2KPolyurethan und PET befinden.
Es können sich wahlweise zur weiteren Erhöhung der Barrierewirkung gegen Sauerstoff auch zusätzliche Barrierelacke, vorzugsweise auf Basis von Polyvinylalkohol auf der
Aluminiumoxid oder Siliciumoxid-Schicht zusätzlich aufgebracht befinden.
6/13
Der Druck (Druckfarbe) kann auch auf der Oberfläche zwischen PET und Überlack 2K
Polyurethan aufgebracht sein.
Vergleichsbeispiel 3
Stand der Technik mit Heiss-Siegellack-Ausfuhrung:
Schicht 1 23 μm PET
Schicht 2 3 g/m2 Kaschierklebstoff 2K-Polyurethan
Schicht 3 12 μm PET
Schicht 4 lOnm Aluminiumoxid oder Siliciumoxid
Schicht 5 4g/m2 Heiss-Siegellack auf Basis von Poly(meth)acrylat-Olefm 4g/m2 (siegelfähig gegen PBT)
In Figur 3 wird die Siegelkurve des eingangs genannten Deckelmaterials gegen eine PBT Kapsel dargestellt (siehe Anhang).
Siegelpartner: PBT-Folie 270gm
Berstfestigkeit: 8bar Kapselinnendruck während dem Brühprozess in der Kaffeemaschine werden ohne Entstehen von Undichtigkeiten erreicht, d.h. sobald höhere Kapselinnendrucke beaufschlagt werden entstehen Undichtigkeiten bzw. kommt es zum Abplatzen der Deckfolie von der Kapsel.
->Dies bedeutet, dass die Siegelnahtfestigkeit dieser Ausführung nicht ausreichend ist, um mehr als lObar Berstfestigkeit zu erreichen!
Vergleichsbeispiel 4a:
PET12gm/Druckfarbe + Kleber 3g/m2/Alu20gm weich/Kleber 3g/m2/BOPP30gm
Vergleichsbeispiel 4b:
PET 12gm/Druckfarbe+Kleber3 g/m2/PET 12 gm/Kleber 3 g/m2/cPP75 μm
In den Siegelkurven der Fig. 4 wurden zwei unterschiedliche Deckelmaterialien aus Beispiel
4a (Blau) und Beispiel 4b (Grün) gegen PP Folie gesiegelt.
7/13
Siegelzeit:
Siegeldruck:
Aus der folgenden Tabelle lässt sich die unterschiedliche Permeabilität ablesen:
1,0 s
2,35 N/mm2
Dichte [g/cm3] o2 Permeabilität co2 Permeabilität : n2 Permeabilität h2o Permeabilität
ml · mm/m2 · d Mpa g-mm/m2d
PBT 1.31 30 120 6 1.2
PP 0.89 900 2,700 160 0.3-0.4
Bedingungen: 25°C/0%r.h. für Gasdichtigkeit
40°C/90% für Wasserdampfdichtigkeit
Die Wasserdampfpermeabilität wurde nach Norm JESZ0208 gemessen.
Die Sauerstoffpermeabilität wurde nach ASTM D3985 und die anderen Gaspermeabilitäten wurden nach ASTM Dl434 gemessen.
8/13
Durchstoßfestigkeiten - Vergleich
Beispiel 1 (Aluminiumban d-haltige Deckfolie für PBT-Kapsel) Aluminiuml5p m, weich geglüht Klebstoff 3g/m2 PET30pm, Verbund siegelbar gegen PBT Beispiel 2 (Transparen te Deckfolie für PBTKapsel) Petl2pm/Al Oxbeschichtet Klebstoff 3g/m2 PET30pm, Verbund siegelbar gegen PBT Vergleichsbeis piel 4b (Stand der Technik für nicht Aluminiumba nd-haltige PP KapselDeckfolie) PET12/PET12 /CPP75, Verbund gegen PP siegelbar Vergleichsbeis piel 4a (Stand der Technik für Aluminiumba nd-haltige PPKapselDeckfolie) PET 12 μm Klebstoff 3g/m2 Aluminium 20μιη, weich geglüht Klebstoff 3g/m2 ΒΟΡΡ30μηι, Verbund siegelbar gegen PP Vergleichsbeis piel 3 Aluminiumba nd 3 8 μm, weich geglüht (nicht kaschiert und nicht siegelbar):
Durchstoßf estigkeit [N] nach DIN14477 Mit DomDurchmess er 2,5mm 41,5 63,4 48,8N 66,8 13,4
Die Durchstoßversuche wurden von außen nach innen durchgeführt und geniessen
9/13
Als allgemeine Grenzen zum Erreichen des Erfindungszieles können angegeben werden:
Allgemeine Bereichsgrenzen - nicht transparent (wie Beispiel 1):
Schicht 1 1-5 μm PBT
Schicht 2 10-28 μm PET Kemschicht
Schicht 3 1-5 μm PET Deckschicht
Schicht 4 1-6 g/m2 2K Polyurethan Kaschierklebstoff
Schicht 5 6-50 μm Aluminiumband (weich geglüht)
Schicht 6 0,5-5 g/m2 2K-Polyurethan Überlack + gegebenenfalls Druckfarbe
Allgemeine Bereichsgrenzen - transparent (wie Beispiel 2):
Schicht 1 1 - 5pm PBT
Schicht 2 10 -28pm PET Kemschicht
Schicht 3 1 - 5pm PET Deckschicht (enthält Antiblock/Gleitmittel)
Schicht 4 1-6 g/m2 Kaschierklebstoff z.B. 2K Polyurethan
Schicht 5 wahlweise 1 - 4g/m2 wahlweise Druckfarbe plus Druckprimer (Haftvermittler)
Schicht 6 8 - 50nm Aluminiumoxid oder Siliciumoxid
Schicht 7 8 - 36pm PET
Schicht 8 0,5 - 5 g/m2 Überlack 2K-Polyurethan
messbare Gesamtschichtdicke Schicht 1+2+3: etwa 30pm
Die theoretische minimal mögliche Gesamtschichtdicke von Schicht 1+2+3 beträgt 12pm.

Claims (7)

  1. Patentansprüche:
    1. Mit einer Platine versiegelte Kapsel für Bestandteile von Getränken, insbesondere
    Kaffee oder Tee, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel aus PBT (Polybutylenterephthalat) besteht, und dass die Platine, von der bestimmungsgemäßen Innenseite (Siegelseite) aus gesehen, zumindest aus einer Schicht PBT, coextrudiert auf eine PET (Polyethylenterephthalat) Kemschicht, und einer Barriereschicht besteht.
  2. 2. Mit einer Platine versiegelte Kapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem PET und der Barriereschicht zumindest eine Zwischenlage, insbesondere enthaltend oder bestehend aus PET mit einem Antiblock/Gleitmittel und/oder einem Haftvermittler oder Klebstoff, vorgesehen ist.
  3. 3. Mit einer Platine versiegelte Kapsel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine, weitere, äußere, Lagen, wie Druckuntergrund, Druckschicht, Druckschutzschicht, aufweist.
  4. 4. Platine für eine Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PBT Schicht in einer Dicke von 1 bis 5 μm vorliegt.
  5. 5. Platine für eine Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PET Kemschicht in einer Dicke von 10 bis 28 μm vorliegt.
  6. 6. Platine für eine Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht aus einer Aluminiumschicht in einer Dicke von 1 bis 5 μm vorliegt.
  7. 7. Platine für eine Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der PET Kemschicht und der Barriereschicht aus einer PET Schicht in einer Dicke von 1 bis 5 μm vorliegt.
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