CH687601A5 - Verfahren zur Herstellung von im Innern sterilen Verpackungen mit hervorragenden Sperreigenschaften. - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von im Innern sterilen Verpackungen mit hervorragenden Sperreigenschaften. Download PDF

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CH687601A5
CH687601A5 CH00327/94A CH32794A CH687601A5 CH 687601 A5 CH687601 A5 CH 687601A5 CH 00327/94 A CH00327/94 A CH 00327/94A CH 32794 A CH32794 A CH 32794A CH 687601 A5 CH687601 A5 CH 687601A5
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Description

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CH 687 601 A5
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Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von im Innern sterilen Kunststoffverpackungen, die hervorragende Sperreigenschaften in bezug auf Gase und Aromastoffe besitzen.
Heutzutage werden Nahrungsmittel überwiegend in Fertigportion- oder Verbraucherverpackungen von Einweg-Charakter abgepackt und transportiert, d.h., in Verpackungen, die für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind und dann vernichtet oder anderen Zwecken zugeführt werden. Beispiele für diese sogenannten Einweg-Wegwerf-Verpackungen sind die üblichen Milch- oder Saftverpackungen aus kunststoffbeschichtetem Papier, die nach ihrer be-stimmungsgemässen Verwendung entweder verbrannt oder in einer Müllentsorgungsanlage dem Materialkreislauf wieder zugeführt werden bzw. zur Energierückgewinnung dienen. Andere wohlbekannte Beispiele für solche Portions- oder Verbraucherverpackungen sind die üblichen Mehrweg-Flaschen aus Kunststoff oder Glas, zum Beispiel Verpackungen, die dafür bestimmt sind, mehrfach für den gleichen Zweck eingesetzt zu werden, bevor sie schliesslich vernichtet werden.
Unabhängig davon, ob die Verpackung der einen oder der anderen Art angehört, d.h. eine Einwegoder eine Mehrweg-Verpackung ist, sind die an sie gestellten Anforderungen, dass sie einfach herzustellen und zu handhaben sein muss und dass sie so gestaltet und konstruiert sein muss, dass sie dem Produkt, das in ihr abgepackt und transportiert werden soll, den bestmöglichen Schutz gewährt. Ein guter Schutz des Produkts bedeutet unter anderem, dass die Verpackung von ausreichender mechanischer Festigkeit und struktureller Stabilität sein muss, um den äusseren Kräften, denen die Verpackung bei normaler Handhabung ausgesetzt sein kann, zu widerstehen, ohne deformiert zu werden oder zu zerbrechen, und dass die Verpackung überdies eine ausreichende physikalische und chemische Dichtheit aufweisen muss, um eine Wanderung von Flüssigkeit und/oder Gasen durch die Verpackungswände zu verhindern. In vielen Fällen ist es ebenfalls erforderlich, dass die Verpackung so gestaltet ist, dass sie das aseptische Verpacken eines Produkts ermöglicht, das sterilisiert und unter sterilen Bedingungen in einer gleichfalls sterilisierten Verpackung abgepackt wird, die nach dem Füllen in einer solchen Weise versiegelt wird, dass das abgepackte Produkt während seiner Lagerung vor seinem Verbrauch nicht mit schädlichen Mikroorganismen reinfiziert wird.
Ein guter Schutz des Produkts wird im allgemeinen durch eine geeignete Wahl des Verpackungsmaterials erreicht, das seinerseits mechanisch fest und strukturell stabil und starr sein muss und physikalische und chemische Dichtheitseigenschaften besitzen muss, um die Herstellung einer strukturell stabilen Verpackung mit den gewünschten Dichtheitseigenschaften für das betreffende Produkt zu ermöglichen. Daher besteht das Material bei den oben erwähnten Einweg-Verpackungen, die dem bisherigen Stand der Technik entsprechen, zumeist aus zahlreichen Materialschichten, die gemeinsam der Verpackung die gewünschten Eigenschaften verleihen. So umfasst ein bekanntes Verpackungsmaterial eine Basis- oder Kernschicht aus Papier oder Karton, die der Verpackung mechanische Festigkeit und strukturelle Stabilität verleiht, sowie äussere Schichten aus Polyethylen, welche die Verpackung flüssigkeitsdicht machen. Um die Verpak-kung zusätzlich mit Dichtheitseigenschaften in bezug auf Gase und andere Substanzen auszustatten, wird das Verpackungsmaterial mit mindestens einer weiteren Schicht aus einem Material, das die gewünschten Dichtheitseigenschaften aufweist, versehen, beispielsweise mit Aluminium oder einem Sperrschicht-Polymer.
Aus Gründen, die sofort ersichtlich sind, ist das Verpackungsmaterial der beschriebenen laminierten Art in Aufbau und Zusammensetzung komplex, wobei ferner sein Aufbau und seine Zusammensetzung komplexer werden, je grösser und anspruchsvoller die an die fertige Verpackung gestellten Anforderungen hinsichtlich der Erreichung eines optimalen Schutzes für das abzupackende Produkt sind.
Erwiesenermassen ist das Verpackungsmaterial von Mehrweg-Verpackungen, z.B. Glas- oder Kunststoffflaschen, einfacher als das oben beschriebene Verpackungsmaterial der laminierten Art, d.h. sie bestehen im allgemeinen nur aus einer oder vielleicht zwei Materialschichten, andererseits ist jedoch zugleich erforderlich, dass das gewählte Material alle mechanischen, physikalischen und chemischen Anforderungen erfüllt, die an die Verpackung gestellt werden, um dem verpackten Produkt den optimalen Schutz zu gewähren. An sich besitzt Glas gute Dichtheitseigenschaften gegenüber Gasen und ist überdies ein Material, das hervorragende Sperreigenschaften in bezug auf Aromastoffe besitzt und zuqleich strukturell stabil ist - das Problem bei Glasverpackungen ist jedoch, dass sie äusserst stossempfindlich sind und daher besondere Sorgfalt erfordern, um bei der Handhabung nicht beschädigt zu werden. Überdies sind Glasverpak-kungen in der Regel schwer, was ihre Handhabung noch schwieriger macht.
Ein anderes Material, das häufig bei Mehrweg-Verpackungen Verwendung findet, ist Kunststoff, der leichter und weniger stossempfindlich ist als Glas und folglich die Herstellung von Verpackungen ermöglicht, die einfacher zu handhaben sind. Das Problem, das den bekannten Mehrweg-Kunststoffverpackungen innewohnt, ist, dass sie Kunststoffe besonderer Art und Qualität erfordern, um den fertigen Verpackungen die gewünschten Sperreigenschaften zu verleihen, und die gewählten Kunststoffe überdies so beschaffen sein müssen, dass sie für den Kontakt mit Nahrungsmitteln gut geeignet sind.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Beseitigung der Probleme und Nachteile, welche der oben erörterten bisher bekannten Technologie innewohnen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Verpackung von der in der Einführung beschriebenen Art ohne die Probleme und Schwierigkeiten, unter denen die dem bisherigen
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Stand der Technik entsprechenden Verpackungen leiden.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kunststoffverpackung zu schaffen, die ausgezeichnete Dichtheitseigenschaften in bezug auf sowohl Flüssigkeiten als auch Gase sowie ausgezeichnete Sperreigenschaften gegenüber Aromastoffen besitzt, ohne die Notwendigkeit der Verwendung von Kunststoffen von besonderer Art oder Qualität, wie es beim bisher Bekannten der Fall ist.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer einfach herzustellenden und einfach zu handhabenden Kunststoffverpackung, die für die aseptische Verpackung eines Produkts äusserst gut geeignet ist.
Diese und andere Ziele werden gemäss der vorliegenden Erfindung durch das in dem beigefügten Anspruch 1 definierte und beschriebene Verfahren erreicht.
Zweckmässigen und bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens wurden femer die kennzeichnenden Merkmale, wie sie in den beigefügten untergeordneten Ansprüchen dargelegt sind, verliehen.
Gemäss der Erfindung hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, mittels an sich bekannter Technologien wie Blasformen eine Kunststoffverpackung herzustellen, die in einfacher Weise und durch ebenfalls bekannte Vakuumbedampfungs-techniken mit einer Innenbeschichtung aus einer Siliziumoxidverbindung versehen wird, die mit guter Haftfestigkeit an die inneren Wände der Verpak-kung bindet, um einen dünnen, kontinuierlichen Siliziumoxid-Überzug zu bilden, der den Verpackungen ihre gewünschten Sperreigenschaften verleiht. Da die Sperreigenschaften der Verpackung in der Praxis zur Gänze von der so aufgebrachten Siliziumoxidschicht gestellt werden und nicht von dem gewählten Kunststoff (wie es bei der bisher bekannten Technologie der Fall ist), wird die Wahl der Kunststoffe für die erfindungsgemässen Verpackungen relativ frei und unkritisch sein und nicht in einem solchen Ausmass wie zuvor auf Kunststoffe besonderer Art und Qualität wie Sperrschicht-Polymere beschränkt sein. So kann erfindungsgemäss ein Kunststoff von billigerer Qualität und Beschaffenheit als die oben erwähnten Sperrschicht-Polymere gewählt werden, unter der Voraussetzung, dass der gewählte Kunststoff eine ausreichende mechanische Festigkeit und strukturelle Steifigkeit besitzt, um eine praktische Handhabbarkeit der Verpackung zu gewährleisten.
Der Begriff « Vakuumbedampf ung» wird hier verwendet, um herkömmliche Auftragsverfahren wie Plasmabeschichtung, chemischen Plasmadampfauftrag (englisch: chemical plasma vapour déposition, abgekürzt mit CPVD), Sputtern etc. zu bezeichnen, die alle wohlbekannte Beispiele für derartige Verfahren darstellen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird die Siliziumoxidschicht durch chemischen Plasmadampfauftrag (CPVD) aufgebracht, durch den es möglich ist, eine extrem dünne, aber dennoch sehr dichte Überzugsschicht aus einer Siliziumoxidverbindung zu erzielen, welche die allgemeine Formel SiOx besitzt, in der x zwischen 1,8 und 2,2 beträgt, und die zusätzlich zu ausgezeichneten Sperreigenschaften gegenüber Gasen und Aromastoffen auch die günstige Eigenschaft besitzt, dass sie keine Geschmacksund Aromastoffe absorbiert oder anderweitig aufnimmt, die in gewissen abzupackenden Produktarten vorkommen können. Diese sogenannten Nicht-Skalping-Eigenschaften sind besonders wertvoll bei Produkten von der Art der Zitrussäfte, in denen Geschmacks- und Aromastoffe reichlich vorhanden sind.
Für den chemischen Plasmadampfauftrag sind verschiedene Verfahren denkbar, wobei jeweils die vom gewählten Verfahren abhängigen Prozessparameter in einer solchen Weise kontrolliert werden, dass die erzeugte Überzugsschicht aus einem Siliziumoxid mit der allgemeinen chemischen Formel SiOx besteht, in der x zwischen 1,8 und 2,2 beträgt. Ein derartiges Verfahren ist weiter unten detailliert beschrieben.
Die Dicke der auf die Innenwände der Verpak-kung aufgebrachten Siliziumoxidschicht muss sehr dünn sein und ist geringer als 2000 Â, je nach dem Produkt, das abgepackt werden soll. Wenn das Produkt weniger gasempfindlich ist, sind so geringe Schichtdicken wie 100 À oder weniger völlig ausreichend, während gasempfindlichere Produkte grössere Schichtdicken erfordern, die in demselben Masse wie die Gasempfindlichkeit des Produkts zunehmen und fast 2000 Â erreichen können, was die obere Grenze für eine erfindungsgemässe Verpak-kung ist.
Da die Schichtdicke relativ einfach durch die Kontrolle der betreffenden Prozessparameter zu steuern ist, bewältigt das erfindungsgemässe Verfahren leicht einen Wechsel von einer Schichtdicke zu einer anderen, so dass es die Herstellung von Verpackungen mit mehr oder weniger «massge-schneiderten» Eigenschaften ermöglicht.
Wie bereits erwähnt, kann eine Kunststoffverpak-kung gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, indem man im Blasformverfahren unter Verwendung eines gasförmigen Formmediums einen Vorformling erzeugt. Der blasgeformte Vorform-ling (der die Gestalt einer Flasche besitzen kann, aber nicht muss) wird dann in eine für einen chemischen Plasmadampfauftrag (CPVD) vorgesehene Vakuumkammer gestellt, in welche die erforderlichen Reaktionsgase (Sauerstoffgas und eine verdampfte organische Siliziumverbindung) in einem kontrollierten Mischungsverhältnis zusammen mit einem inerten Gas eingespeist werden, wobei zugleich ein elektrisches Mikrowellenfeld von bestimmter Stärke und Frequenz innerhalb der Kammer aufgebaut wird, um ein Plasma zu erzeugen. Durch eine Druckverminderung bis unterhalb eines kritischen Drucks wird das Plasma entzündet, woraufhin in dem Plasma befindliche chemische Reaktanten miteinander reagieren und auf den Innenwänden des Vorformlings abgeschieden werden, um eine allmählich wachsende Schicht aus einer Siliziumoxidverbindung mit der allgemeinen chemischen Formel SiOx zu bilden, in der x je nach dem Mischungsverhältnis der verwendeten Reakti5
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onsgase zwischen 1,8 und 2,2 betragen kann. Wenn die gewünschte Schichtdicke erreicht worden ist, wird der Prozess unterbrochen.
Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsweise des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird die Stufe des Blasformens mit der anschliessenden Stufe der chemischen Beschichtung derart kombiniert, dass das für die Beschichtung bestimmte Prozessgas (z.B. das Sauerstoffgas, die verdampfte organische Siliziumverbindung und das inerte Gas) auch bei der vorausgehenden Blasformstufe als das gasförmige Medium zur Erzeugung des blasgeformten Vorformlings verwendet wird; in diesem Fall wird der so blasgeformte Vorformling auf geeignete Weise dicht verschlossen, wobei das verwendete Prozessgas für den folgenden chemischen Plasmadampfauftrag in der Vakuumkammer in dem Vorformling eingeschlossen wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend genauer beschrieben und erklärt, und zwar mit Hilfe eines nur zum Zwecke der Erläuterung angeführten Beispiels dafür, wie das Verfahren gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Verpackung mit hervorragenden Sperreigenschaften in bezug auf Gase, insbesondere hervorragenden Sperreigenschaften gegenüber Sauerstoffgas, in die Praxis umgesetzt werden kann. Das gewählte Ausführungsbeispiel sollte daher nicht als einschränkend für den Umfang der vorliegenden Erfindung aufge-fasst oder interpretiert werden, die innerhalb des Wesens und des Umfangs der allgemeinen Beschreibung und der beigefügten Ansprüche auch die für einen Fachmann naheliegenden Modifikationen und Variationen miteinschliesst, auch wenn diese in dem unten beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht ausdrücklich erwähnt werden.
In einer ersten Stufe wird eine Verpackung aus Kunststoff (z.B. Polyester, Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid oder Polyethylennaph-thenat) in Form von beispielsweise einer Flasche gemäss der herkömmlichen Blasform-Technologie unter Verwendung eines gasförmigen Mediums hergestellt, das unter Druck einen Kunststoffrohling formt, der den Konturen eines flaschenförmigen Formenhohlraums zwischen zwei beweglichen Formhälften folgt. Als gasförmiges Medium wird vorzugsweise ein Prozessgas von der gleichen Art verwendet, wie es in einer folgenden Beschich-tungsstufe eingesetzt werden muss, um die Innenwände der blasgeformten Kunststoffflasche durch chemischen Plasmadampfauftrag (CPVD) mit einer dünnen Schicht zu überziehen, wie nachstehend noch näher beschrieben werden wird. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform besteht das gewählte Prozessgas aus einem Gemisch von Sauerstoffgas, verdampfter organischer Siliziumverbindung (z.B. Tetramethyldisiloxan) und einem inerten Gas (z.B. Helium), die in einem bestimmten Mischungsverhältnis miteinander gemischt sind, um unter gewählten Verfahrensbedingungen in den anschliessenden Beschichtungsstufen die gewünschte Überzugsschicht auf den Innenwänden der Flasche zu bilden. Die blasgeformte Flasche wird danach in einer geeigneten Weise dicht verschlossen, wobei sie noch das als gasförmiges Blasmedium verwendete obenerwähnte Prozessgas für eine darauffolgende Verfahrensstufe enthält.
Dann wird die blasgeformte, geschlossene Kunststoffflasche mit dem darin eingeschlossenen Prozessgas, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung, zur obenerwähnten Beschichtungsstufe transportiert, wo die Flasche zunächst in einer kontrollierten Weise geöffnet oder mittels eines geeigneten Durchdringungsmittels durchdrungen wird, um eine Verbindung oder ein Loch in dem aufgebrachten Flaschenverschluss zu schaffen, wobei zugleich die Atmosphäre, welche die Flasche umgibt, durch eine Vakuumpumpe verdünnt wird, wodurch der Druck des in der Flasche eingeschlossenen Prozessgases auf ein spezielles Niveau für die Plasmaentladung gebracht wird. Die Flasche wird anschliessend in eine für einen chemischen Plasmadampfauftrag vorgesehene Verfahrenskammer eingebracht, wo mittels eines elektrischen Mikrowellenfeldes von vorbestimmter Stärke und Frequenz ein Plasma entzündet wird. Der Zweck des Plasmas ist ein zweifacher. Zunächst werden die Moleküle des Prozessgases durch die in dem Plasma enthaltene Energie angeregt, so dass sie eine Schicht aus der gewünschten Siliziumoxidverbindung bilden, die auf den Innenwänden der Flasche wächst, und zweitens werden, da Plasma oxidative Eigenschaften besitzt, die Innenwände der Flasche gleichzeitig bis zur Sterilität gereinigt, mit dem Ergebnis, dass die Flasche innen steril wird und zugleich durch die so gebildete Siliziumoxidschicht Sperreigenschaften gegen die Wanderung von Gas und Aroma durch die Raschenwände gewinnt.
Wie bereits erwähnt, kann die Zusammensetzung der so gebildeten Siliziumoxidschicht sowie ihre Dicke durch die Einstellung der Zusammensetzung des Prozessgases bzw. der Dauer des chemischen Plasmadampfauftragsverfahrens in der Verfahrenskammer gesteuert werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Zusammensetzung des verwendeten Prozessgases hinsichtlich der darin enthaltenen chemisch reagierenden Gase (Sauerstoffgas und verdampfte organische Siliziumverbindung) so eingestellt, dass die erzeugte Überzugsschicht aus einer Siliziumoxidverbindung mit der allgemeinen chemischen Formel SiOx besteht, in der x zwischen 1,8 und 2,2 betragen kann, was sich als bester Zusammensetzungsbereich für die Beschichtung erwiesen hat. Zudem kann die Dicke der Überzugsschicht variiert werden, wobei der Prozess unterbrochen wird, wenn die Schicht eine Dicke von weniger als 2000 Â erreicht hat, die der fertigen Flasche ihre gewünschten Sperreigenschaften verleiht.
Während die innen beschichtete Flasche noch immer innen steril ist, wird die Flasche in eine folgende sterile Kammer eingebracht, wo dem zuvor nur teilweise durchdrungenen Flaschenverschluss eine geeignete Gestalt für die spätere aseptische Versiegelung verliehen wird, wonach die Flasche innen mit steriler Luft gespült wird. Schliesslich wird die Flasche mit dem passenden Produkt gefüllt und wird für den weiteren Transport zu einem Ort des Verkaufs oder Konsums aseptisch verschlossen.
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Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich ist, verwirklicht die vorliegende Erfindung ein einfaches, effizientes Verfahren zur Herstellung einer Verpackung, beispielsweise einer Flasche, die hervorragende Sperreigenschaften gegen Gase und Aromastoffe besitzt, indem sie eine vorteilhafte Kombination von an sich bekannten Technologien anwendet. Ein besonders wertvoller Vorteil, der von dem Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung geboten wird, ist, wie bereits dargelegt, dass der so hergestellten Verpackung zusätzlich zu den hervorragenden Sperreigenschaften eine innere Sterilität verliehen wird, die vorteilhaft bei der aseptischen Abpackung eines Produkts genutzt werden kann.

Claims (5)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer im Innern sterilen Verpackung mit hervorragenden Sperreigenschaften, in welchem Verfahren durch Blasformen unter Verwendung eines gasförmigen Blasformmediums eine Verpackung aus Kunststoff hergestellt wird, wonach die blasgeformte Verpackung durch Vakuumbedampfung auf ihren Innenwänden mit einer Beschichtung versehen wird, die als Sperrschicht dient und aus einer Siliziumverbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Blasformen der Verpackung verwendete gasförmige Medium ebenfalls als Prozessgas bei der Vakuumbedampfung zur Bildung der Überzugsschicht auf den Innenwänden der Verpackung eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumbedampfung durch chemischen Plasmadampfauftrag (CPVD) erfolgt, wobei die betreffenden Prozessparameter in einer solchen Weise kontrolliert werden, dass die so erzeugte Überzugsschicht aus einem Siliziumoxid mit der allgemeinen chemischen Formel SiOx besteht, in der x zwischen 1,8 und 2,2 beträgt.
3. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiges Blasformmedium bzw. Prozessgas ein Gasgemisch verwendet wird, das Sauerstoffgas und verdampfte Siliziumverbindung enthält.
4. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die blasgeformte Verpackung nach der Vakuumbedampfung unter aseptischen Bedingungen mit einem Produkt gefüllt wird.
5. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die blasgeformte Verpackung dicht verschlossen wird, während sie noch das gasförmige Blasformmedium enthält, und in eine für einen chemischen Plasmadampfauftrag vorgesehene Vakuumkammer gestellt wird, wobei die Versiegelung oder der Verschluss der Verpackung durchdrungen wird, während gleichzeitig der die Verpackung umgebende Umgebungsdruck unter einen bestimmten kritischen Druck erniedrigt wird, bei dem das gebildete Plasma durch ein in der Kammer erzeugtes elektrisches Mikrowellenfeld von vorbestimmter Stärke und Frequenz entzündet wird.
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