AT519264B1 - Mit einer Platine versiegelte Kapsel - Google Patents

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Abstract

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) Kernschicht, und einer Barriereschicht, bevorzugt aus Aluminium, besteht. Zusätzliche Schichten können vorgesehen sein.

Description

Beschreibung [0001] 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.
[0002] 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:
[0003] 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.
[0004] 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).
[0005] 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 Polyurethan-Kaschierklebstoffen gegen Aluminium kaschiert, das wiederum mit Polyurethan-Kaschier-Klebstoff gegen BOPET kaschiert ist.
[0006] Der Aufbau der PP - Kapseln benötigt für eine Aroma- und Sauerstoffdichtigkeit eine dicke Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymer (chem Abkürzung EVOH, bzw. EVAL™ der Fa. Kuraray) Schicht (allgemeine Beispiele aus dem Stand der Technik sind bspw. aus der EP 2 748 086 B1 zu entnehmen):
[0007] Stand der Technik Möglichkeit 1:
PP: ca. 110 μm
EVOH: ca. 16 μm
PP: ca.110 μm [0008] Stand der Technik Möglichkeit 2:
PP: ca. 90 μm
EVOH: ca. 16 μm
PP: ca. 60 μm [0009] Aufgrund der hohen Wasseraufnahme-Kapazität des Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymer bleibt dieses und dadurch die Barriereeigenschaften bei hoher Umgebungsfeuchtigkeit nicht /9
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Patentamt stabil, sodass der große Aufwand nur bedingt Erfolg hat.
[0010] Es ist das Ziel und die Aufgabe der Erfindung, eine solche Kapsel anzugeben.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] Basisschicht:
[0016] Die getestete Folie wies, von innen nach außen, eine PBT-Siegelschicht mit einer Stärke von 3pm, 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 (Kernschicht)-PET (Deckschicht) mit biaxialer Orientierung.
[0017] 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.
[0018] 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 (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.
[0019] 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.
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Patentamt
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE [0020] Beispiel 1 [0021] 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-Kernschicht
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 [0022] 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 [0023] 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 [0024] Beispiel 2:
Schicht 1 3pm PBT
Schicht 2 26pm PET
Schicht 3 1pm PET (enthält Antiblock/Gleitmittel)
Schicht 4 3g/m2 Kaschierklebstoff 2K-Polyurethan
Schicht 5 10nm Aluminiumoxid oder Siliciumoxid
Schicht 6 12pm PET
Schicht 7 1g/m2 Überlack 2K-Polyurethan
[0025] 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 12pm 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.
[0026] In Figur 2 wird die Siegelkurve oben beschriebenen Deckelmaterials gegen eine PBT Folie angeführt
Siegelzeit: 0,5 s Siegelpartner: PBT-Folie 270pm
Siegeldruck: 2,35 N/mm2
Berstfestigkeit: 15bar Kapselinnendruck während des Brühprozesses in der Kaffeemaschine wird ohne Entstehen von Undichtigkeiten oder Abplatzen der Deckfolie erreicht [0027] 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 2K-Polyurethan und
PET befinden.
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Patentamt [0028] 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.
[0029] Der Druck (Druckfarbe) kann auch auf der Oberfläche zwischen PET und Überlack 2K Polyurethan aufgebracht sein.
[0030] Vergleichsbeispiel 3 [0031] Stand der Technik mit Heiss-Siegellack-Ausführung:
Schicht 1 23pm PET
Schicht 2 3g/m2 Kaschierklebstoff 2K-Polyurethan
Schicht 3 12pm PET
Schicht 4 10nm Aluminiumoxid oderSiliciumoxid
Schicht 5 4g/m2 Heiss-Siegellack auf Basis von Poly(meth)acrylat-01efm 4g/m2 (siegelfähig gegen PBT)
[0032] In Figur 3 wird die Siegelkurve des eingangs genannten Deckelmaterials gegen eine PBT Kapsel dargestellt (siehe Anhang).
Siegelpartner: PBT-Folie 270pm [0033] 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.
[0034] ->Dies bedeutet, dass die Siegelnahtfestigkeit dieser Ausführung nicht ausreichend ist, um mehr als 10bar Berstfestigkeit zu erreichen!
[0035] Vergleichsbeispiel 4a:
[0036] PET 12pm/Druckfarbe + Kleber 3g/m2/Alu20pm weich/Kleber 3g/m2/BOPP30pm [0037] Vergleichsbeispiel 4b:
[0038] PET12pm/Druckfarbe+Kleber3g/m2/PET12pm/Kleber3g/m2/cPP75pm [0039] In den Siegelkurven der Fig. 4 wurden zwei unterschiedliche Deckelmaterialien aus Beispiel 4a (Blau) und Beispiel 4b (Grün) gegen PP Folie gesiegelt.
Siegelzeit: 1,0 s
Siegeldruck: 2,35 N/mm2 [0040] Aus der folgenden Tabelle lässt sich die unterschiedliche Permeabilität ablesen:
Dichte [g/cm3] o2 Permeabilität CO2 Permeabilität n2 Permeabilität H2O Permeabilität
ml mm/m2 d Mpa gmm/m2d
120
2,700
160
900
PBT
[0041] Bedingungen: 25°C/0%r.h. für Gasdichtigkeit
40°C/90% für Wasserdampfdichtigkeit [0042] Die Wasserdampfpermeabilität wurde nach Norm JESZ0208 gemessen.
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Patentamt [0043] Die Sauerstoffpermeabilität wurde nach ASTM D3985 und die anderen Gaspermeabilitäten wurden nach ASTM D1434 gemessen.
DURCHSTOßFESTIGKEITEN - VERGLEICH
Beispiel 1 (Aluminiumban d-haltige Deckfolie für PBTKapsel) Aluminium15pm, weich geglüht Klebstoff 3g/m2 PET30pm, Verbund siegelbar gegen PBT Beispiel 2 (Transparente Deckfolie für PBT-Kapsel) Pet12pm/Al Oxbeschichtet Klebstoff 3 g/m2 PET30pm, Verbund siegelbar gegen PBT Vergleichsbeispiel 4b (Stand der Technik für nicht Aluminiumband-haltige PP KapselDeckfolie) PET12/PET12 /CPP75, Verbund gegen PP siegelbar Vergleichsbeispiel 4a (Stand der Technik für Aluminiumband-haltige PP-KapselDeckfolie) PET12pm Klebstoff 3g/m2 Aluminium 20 μm, weich geglüht Klebstoff 3g/m2 BÖPP30pm, Verbund siegelbar gegen PP Vergleichsbeispiel 3 Aluminiumband 38pm, weich geglüht (nicht kaschiert und nicht siegelbar):
Durchstoßfestigkeit [N] nach DIN14477 Mit DornDurchmesser 2,5mm 41,5 63,4 48,8N 66,8 13,4
[0044] Die Durchstoßversuche wurden von außen nach innen durchgeführt und gemessen
ALS ALLGEMEINE GRENZEN ZUM ERREICHEN DES ERFINDUNGSZIELES KÖNNEN ANGEGEBEN WERDEN:
[0045] Allgemeine Bereichsgrenzen - nicht transparent (wie Beispiel 1):
Schicht 1 1-5 μm PBT
Schicht 2 10-28 μm PET Kernschicht
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
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Patentamt [0047] Allgemeine Bereichsgrenzen - transparent (wie Beispiel 2):
Schicht 1
Schicht 2
Schicht 3
Schicht 4
Schicht 5
1-5pm PBT
- 28pm PET Kernschicht
1-5pm PET Deckschicht (enthält Antiblock/Gleitmittel)
1-6 g/m2 Kaschierklebstoff z.B. 2K Polyurethan 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 [0048] messbare Gesamtschichtdicke Schicht 1+2+3: etwa 30pm [0049] Die theoretische minimal mögliche Gesamtschichtdicke von Schicht 1+2+3 beträgt 12pm.
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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) Kernschicht, 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 Kernschicht 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 Kernschicht und der Barriereschicht aus einer PET Schicht in einer Dicke von 1 bis 5 μm vorliegt.
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