CN101351322A - 聚乳酸基容器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种形成容器坯料的工艺，该容器坯料具有由聚乳酸片材形成的挠性的折线，在所述工艺中，适于用作容器坯料的聚乳酸材料的片材安置在成形工具和大体上的平面表面之间。成形工具的温度保持在聚乳酸片材的软化温度与熔点温度之间。接着，在成形工具与平面表面之间产生高频电场来加热夹在它们之间的聚乳酸片材部分，同时将成形工具压入片材厚度至少25％的深度，并在靠近所述成形工具的相对侧面的片材上形成凸起。接着，允许聚乳酸片材冷却，同时将其保持在大体上的平面状态。

Description

聚乳酸基容器及其制造方法

本申请主张美国2005年11月10申请的名称为“容器坯料及其形成方法”美国临时专利申请第60/735,931号以及2006年4月10申请的名称为“双轴取向的聚乳酸基容器及其制造方法”美国临时专利申请第60/790,623号的优先权，这些申请公开的全部内容通过引用的方式结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及容器和包装物，尤其涉及由聚乳酸(PLA)形成容器坯料和包装物的方法，所述聚乳酸是可生物降解的聚合体片材。

背景技术

当今，塑料大量地使用在包装工业。塑料包装物提供防湿、抗污、安全卫生保护并且也使产品诱人。如今许多不同类的石油基塑料用在包装行业，例如聚酯(PET)、乙二醇聚酯(PETG)、无定形的聚脂(APET)、聚氯乙烯(PVC)等。然而，塑料垃圾对环境的影响是一个日渐增长的全球问题，并且可供选择的处理方法是有限的。并且，因为石油资源是有限的而且正变得受到限制，石油基塑料片材的价格因而上涨。

石油基塑料造成的对环境影响的不断增长问题激励了在可生物降解聚合物替代传统的不可降解的聚合物方面的研究兴趣，不可生物降解的聚合物例如聚乙烯、聚笨乙烯等。Cargill Dow LLC公司开发了一种新的命名为聚乳酸(PLA)的塑料材料，该物质取自于植物糖(plantsugars)并且由其完全拥有的子公司NatureWorks，LLC生产。

迄今为止，PLA已被用来制造挤压的塑料容器、杯子和瓶子，但是由于这种材料的脆性以及不能采用传统的技术在片材或薄膜材料中产生折线，因此其不能用作由折叠的坯料制造的盒子和容器的基材。

在塑料片材上产生折线的几种技术是为人们所知的，例如刀刻痕、射频(RF)柔性折叠和微型穿孔。德国专利第2236617号公开了一种在热塑片材上制造折线的方法，根据此方法，刀刃被电阻加热至高于塑料熔点的温度并且刀刃被压入塑料片材。

与所述专利中给出的解释不同，已发现折叠边缘的弹返回弹性(spring back resilience)不可避免地达到预期的程度。这明显是由于沿着刀刃与塑料之间的接触表面的温度最高。自此向塑料材料的内部方向温度降低。

用来折叠聚合物基材的另一种技术授予给Seufert的美国专利第5,741,570号中公开，该专利的全部内容通过引用结合在此。Seufert专利公开了一种使用交错深度的槽类凹陷在材料上制造折线的机械折叠工艺。

用于包装应用的塑料基材的柔性折叠是合乎需要的，因为这种方式获得能够折叠多次而不断裂的包装角或折叶，并且也不会因为重复折弯而变白，如同硬性折叠的聚氯乙烯(PVC)。柔性折叠可以由刻痕弯曲率来定义，刻痕弯曲率是弯曲刚度的测量，该弯曲刚度能够量化成在刻痕处将具有刻痕的基材弯曲成90°所需要的力除以将没有刻痕的相同基材弯曲成90°所需要的力。柔性折叠典型地具有大约0.2至大约0.4的刻痕弯曲率。

授予给Seufert的美国专利第4,348,449号，其全部内容通过引用结合在此，公布了一种用于柔性折叠热塑性片材的技术，该技术在打开的过程中不会在折叠盒上引起任何不适宜的弹返回弹性。该公开技术使用了一种折线或边缘成形工具，该成形工具保持在低于热塑性片材熔点的温度。当边缘成形工具优选地压入热塑性片材厚度至少25％的深度时，边缘成形工具和砧座或铺垫工具之间设立了高频电场。接着在热塑性片材弯曲或折叠之前允许其冷却。

因此，对于容器坯料和包装物有必要由可生物降解的材料替代传统的石油基塑料制造，例如PLA。而且，由可生物降解的材料制造容器坯料的经济方法也是必要的。

发明内容

本公开涉及一种用于形成容器坯料的工艺，所述容器坯料具有由聚乳酸片材形成的挠性的折线。在所述工艺中，适于用作容器坯料的聚乳酸材料的片材安置在成形工具和大体上的平面表面之间。成形工具的温度保持在聚乳酸片材的软化温度与熔点温度之间。接着，在成形工具与平面表面之间产生高频电场来加热夹在它们之间的聚乳酸片材部分，同时将成形工具压入片材厚度至少25％的深度，并在靠近所述成形工具的相对侧面的片材上形成凸起。接着，允许聚乳酸片材冷却，同时将其保持在大体上的平面状态；其后，形成由聚乳酸片材制成的容器。

本公开还涉及一种由PLA片材形成容器的方法。目前优选地，PLA材料是双轴取向的。在所述方法中，由PLA材料制成的容器坯料被标定尺寸、切割和刻痕以形成具有多个折板、多个面板和多个折线的容器坯料。再将粘接剂涂布在容器坯料的一第一部分上，并且将容器坯料折叠使得所述容器坯料的第一部分通过粘接剂固定到容器坯料的一第二部分上以形成具有至少一个开口端的容器。PLA容器坯料采用RF柔性折叠工序刻痕，该工序将在下面进行详细描述。

目前优选地，所述双轴取向的聚乳酸材料已经在大约摄氏110度与摄氏130度之间进行了退火。另外，在某些优选实施例中，所述双轴取向的聚乳酸材料在加工方向被拉伸至大约1.5到5之间的比率，在横向方向被拉伸至大约1.5到5之间的比率。

本公开还涉及一种容器坯料，所述容器坯料包括双轴取向的聚乳酸纸质基材，其中，所述基材通过压延或挤压形成并被标定尺寸、切割和刻痕以形成具有多个折板、多个面板和多个折线的容器坯料。

本发明方法并不局限于折叠盒坯料的制备，也可以用于各种其它折叠包装材料的生产、具有折叠底部或顶部的盒子或其它类似物品的生产。另外，特定的塑料材料并不是必需的，只要必要的物理属性例如抗冲击力和实用范围内的熔点温度得到满足。

本发明尤其通过提供一种由可降解的塑料替代石油基塑料制造包装物的方法来满足了前述需要。

附图说明

为了本发明所属领域的技术人员更好的理解如何制造和使用本发明，可以参照附图，其中：

图1为由PLA塑料片材制成的具有若干由RF柔性折叠法形成的刻痕线的容器坯料的平面图；

图2为由图1中的容器坯料制成的部分组装的容器或纸箱的前侧立体图；

图3为由图1中的容器坯料制成的部分组装的容器或纸箱的后侧立体图，其中所述坯料的端部折板粘附到容器的后面板；

图4为由图1中的容器坯料制成的完全组装的容器或纸箱的前侧立体图；以及

图5为用RF能量在PLA片材上形成折叠线的代表性装置的立体图。

从下面优选实施例的详细描述，本发明容器坯料的这些以及其它特征对于本领域的技术人员将变得更加明显。

具体实施方式

为了详细描述本发明优选的示范性实施例，现在参照附图。附图及具体描述是用来描述和图解所公开主题可能制造和使用的示范方式，并且不局限于它们的范围。

参照图1-4，其图示了根据本发明的示范性容器坯料100。坯料100由双轴取向的(biaxially-oriented)PLA材料的单一片材形成并且具有四个主面板10、12、14、16。粘胶折板18图示固定在面板16上。也图示了折线40，折线40将主面板10、12、14、16之间以及坯料100的其它部分之间分隔开。主面板12和16还包括次级折线42。

折板20、22、24、26图示分别固定到主面板10、12、14、16的一端，折板34图示固定到主面板14上(折板24的对边)。可以理解的是，容器坯料的许多其它形状和构造也是可能的。例如，容器可以具有比示图中更多或更少的主面板，以及具有更多或更少的折板。

图1-4的容器坯料100作为容器坯料的总体图示。可以进一步地理解为容器坯料也可以设计成与泡壳容器(blister container)或包装外壳配合。更进一步地，容器坯料也可以设计成卷绕另一个盒子、容器、包装物或产品。另外，容器坯料具有一个或多个孔。例如，容器还可以具有折叠板，用来保护容纳有一次性剃刀或药丸的泡壳包装(blister package)。而且，每个孔隙被透明物质覆盖着。

图2和图3图示了折叠成有一个靠近其顶部的开口端的容器的容器坯料100。图4图示了一个使用坯料100制成的完全组装的容器。

用于聚合物薄膜基材例如PLA的典型制造方法有熔体喷喷、熔铸以及单轴或双轴拉伸(定向)聚合物。吹塑薄膜和浇注薄膜在聚合物中具有低级分子取向，因此张力相对较弱且易延长，但具有良好的抗扯性和抗冲击性。本发明的发明人通过实验了解到现有的浇注挤压PLA片材不具有用作纸板箱坯料所需要的物理稳定性和热稳定性。

双轴取向的PLA或“拉伸”将独特的特征施加到材料上，而且产生的薄膜厚度明显地下降。作为拉伸的结果，分子取向明显增大，并且物理性能显著地提高。抗张强度和刚度在两个方向均显著地增大，然而，伸长率、抗扯性以及透气性和透湿性降低。

用于双轴取向的PLA(加工方向3.5X，行进方向5X)的典型材料和应用性能在表1中列出。

表1

双轴取向PLA材料产生一种基材，所述基材具有用在纸板箱制造中所必需的最后属性。优选地，PLA片材在加工方向拉伸到1.5到5的比率并且在横向或行进方向拉伸到1.5到5的比率，并且在双轴拉伸的过程中退火。退火应当在摄氏110度与摄氏130度之间进行。按上述比率双轴取向PLA材料和退火温度允许对薄膜进行印刷、切割和折痕(使用RF柔性折痕、微型穿孔或其它机械技术)，而不会严重扭曲或降解退化。双轴取向材料获得增强的尺寸稳定性，增强的尺寸稳定性导致更好的方向强度。而且，通过对PLA基材进行双轴取向，0.010英寸的PLA片材具有与厚度比其大两个卡尺点值(caliper point)的PVC或APET相同的刚性(即厚度为0.010英寸的PLA基材替代0.012英寸的PVC或APET)。

如上所述，双轴取向的PLA材料采用RF柔性折痕来进行折痕。尽管人们已知柔性折痕PVC材料，但其它石油基塑料，例如APET和聚丙烯采用RF折痕技术不能很好地折痕。本发明的发明人已了解到PVC能很好地进行柔性折痕，因为其是具有电容率在大约4至8的范围内的相对极性分子。电容率越高说明极性越大，且吸收RF能量能力更大。RF能量在刻痕或折痕区域加热基材至软化点，并且随后材料再凝固形成耐用的能反复折叠的折叶或转角。APET的电容率(例如大约为2.5至4.5)明显低于PVC，因此不能容易地使用RF来进行柔性折痕。然而，出乎意料地，具有大约为1.0的电容率的PLA已经被本发明的发明人采用RF技术容易地进行折痕。

图5显示了采用RF能量在PLA材料的片材上形成折线的代表性装置的立体图。在形成过程中，适于作为容器坯料的聚乳酸材料的片材200被安置在成形工具210与大体上的平面表面220之间。成形工具210的温度保持在聚乳酸片材200的软化温度和熔点温度之间。接着，在成形工具210与平面表面200之间形成高频电场，用来加热聚乳酸片材的夹在它们之间的部分，同时将成形工具压入到片材厚度至少25％的深度，在靠近所述工具的相对侧面形成凸起。接下来，允许聚乳酸片材100冷却同时将其保持在大体平面的状态。此后，利用折痕的聚乳酸片材形成容器。

如上所述，在本方法中，在RF柔性折痕中使用的边缘成形工具的温度保持低于双轴取向的PLA片材的熔点温度。而且，本发明人通过实验了解到优先地使用由铝制成的边缘成形工具。相较于传统的由复合材料(例如聚合纤维)制成的边缘成形工具，使用铝使得更好地将RF能量分配到PLA材料中。

可生物降解的塑料片材的熔点温度可以从塑料制造厂家的目录中和/或加工说明中得到。如同第‘449号专利提到的，采用冷边缘成形工具来执行本发明的工艺也是可以的，即成形工具的表面保持室温。为了达到最好的效果，边缘成形工具的温度保持高于热塑性片材的软化温度。在塑料的软化温度与熔点温度之间的温度是最有利的，由于这样促进了发生热力(development of heat)所必须的塑料分子的振动。重要的是温度梯度不是起源于边缘成形工具的表面，而是在材料内部产生最高温度。这是通过使用高频电场得以实现，高频电场结合边缘成形工具的压痕深度获得下面将详细描述的特性折线截面。

通过使用高频电场加热，PLA塑料片材的外表面保持一致性。另外，仅仅塑料材料的内部狭长带熔化，并且当表面被边缘成形工具挤压在一起，熔化的塑料向侧面稍微地移动形成凸起，以形成折线独特的横截面和独特的弯曲性能。

采用RF柔性折痕产生的折叠线使得能够制造非双轴取向的PLA聚合物片材的盒子坯料，其可以用象制作硬纸板盒一样的方式来制作。该盒子坯料没有弹返回弹性，因此他们能够在标准的纸板和包装机器上加工，因而可以交替地加工纸板和热塑性盒子。由于不需要制造或购买新装备的大的花费，这种优势是明显的。

在本发明的优选实施例中，电场的频率是根据德国联邦邮电业规定的27.5MHz。与PLA薄膜接触的处于27.5MHz的RF感应模具(RFinduced dies)的使用激烈地振动构成PLA的-OH极和-COOH群。

然而，可以将频率增加最高至80或90MHz。对于某些材料，频率越高，加工越快。在给定频率为27.5MHz时，高频压痕需要大约一秒时间，并且随后冷却需要大约另一秒时间。这样，折叠线在大约两秒时间制成。

Claims (13)

1.一种用于形成容器坯料的工艺，所述容器坯料具有由聚乳酸片材形成的挠性的折线，所述工艺包括：

a)提供适于用作容器坯料的聚乳酸片材；

b)提供至少一个成形工具和一个大体上的平面表面；

c)将聚乳酸片材安置在成形工具和平面表面之间；

d)将成形工具的温度保持在聚乳酸片材的软化温度与熔点温度之间；

e)在成形工具与平面表面之间产生高频电场来加热它们之间的聚乳酸片材，同时将成形工具压入片材厚度至少25％的深度，并在靠近所述成形工具的相对侧面形成凸起；

f)允许聚乳酸片材冷却，同时将其保持在大体上平面状态；以及

g)其后形成由片材制成的折叠容器。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述至少一个成形工具由铝制成。

3.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述聚乳酸片材是双轴取向的。

4.根据权利要求3所述的工艺，其中，所述双轴取向的聚乳酸片材已经在大约摄氏110度与摄氏130度之间进行了退火。

5.根据权利要求3所述的工艺，其中，所述双轴取向的聚乳酸片材在加工方向被拉伸至大约1.5到5之间的比率，在横向方向被拉伸至大约1.5到5之间的比率。

6.一种由聚乳酸片材形成容器的方法，所述方法包括步骤：

a)提供由聚乳酸材料制成的容器坯料，其中，所述聚乳酸材料被标定尺寸、切割并刻痕以形成具有多个折板、多个面板和多个折线的容器坯料；

b)将粘接剂涂在所述容器坯料的一第一部分；以及

c)将所述容器坯料折叠，使得所述容器坯料的第一部分通过所述粘接剂固定到所述容器坯料的一第二部分以形成具有至少一个开口端的容器，其中，所述第一和第二部分是容器坯料的一体的联接部分。

7.根据权利要求6所述方法，其中，所述容器坯料是由双轴取向的聚乳酸制成。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述容器坯料是使用RF柔性折叠工序进行刻痕，所述工序包括步骤：

a)提供至少一个成形工具和大体上的平面表面；

b)将双轴取向的聚乳酸材料安置在成形工具与平面表面之间；

c)将成形工具的温度保持在双轴取向的聚乳酸材料的软化温度与熔点温度之间；

d)在成形工具与平面表面之间产生高频电场来加热它们之间的双轴取向的聚乳酸材料，同时将成形工具压入材料厚度至少25％的深度，并在靠近所述工具的相对侧面形成凸起；

e)允许双轴取向的聚乳酸材料冷却，同时将其保持在大体上的平面状态；以及

f)其后形成由片材制成的折叠容器。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述双轴取向的聚乳酸材料已经在大约摄氏110度与摄氏130度之间进行了退火。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述双轴取向的聚乳酸材料在加工方向被拉伸至大约1.5到5之间的比率，在横向方向被拉伸至大约1.5到5之间的比率。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述至少一个成形工具由铝制成。

12.一种容器坯料，所述容器坯料包括双轴取向的聚乳酸纸质基材，其中，所述基材通过压延或挤压形成并被标定尺寸、切割和刻痕以形成具有多个折板、多个面板和多个折线的容器坯料。

13.一种容器坯料，其包括：由乳酸的单一的D-或L-异构体或它们的混和物形成的合成纸质基材，其中，所述基材已经被压延并被标定尺寸、切割和刻痕以形成具有多个折板、多个面板和多个折线的容器坯料。

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