DE10049665A1 - Mehrschichtige Verpackung für fettende Güter - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrschichtige Verpackung für fettende Güter oder einen Teil einer solchen Verpackung, umfassend eine Trägerschicht aus einem polymeren Material als Hauptkomponente und mindestens eine auf die Trägerschicht aufgebrachte, nicht die Außenseite der Verpackung bildende Schicht, die ein Stärkederivat als Hauptkomponente enthält. Außerdem ist sie auf die Verwendung eines Stärkederivats als Hauptkomponente einer Schicht gerichtet, die auf einer Trägerschicht aus einem polymeren Material als Hauptkomponente aufgebracht ist. Hierdurch lassen sich fettdichte Verpackungsmaterialien erzeugen.

Description

Gegenstand der Erfindung sind mehrschichtige, fettdichte Verpackungsmaterialien mit einer Trägerschicht, die aus Papier/Karton oder anderen geeigneten, auf Polymeren basierenden Stoffen besteht.

Tiernahrung, Backwaren, Konfekt und Schokolade fordern von der Verpackung eine besonders hohe Fettdichtigkeit, die beispielsweise durch die sog. KIT-Zahlen mit Werten zwischen 8 und 12 angegeben werden. Hohe KIT-Zahlen stehen dabei für hohe Fettdichtigkeiten, bereits ab Werten von 6 liegt eine gute Fettdichtigkeit vor.

Entsprechende im Handel angebotene Papier-/Kartonverpackungen sind üblicherweise einer fettabweisenden Oberflächen- und/oder Massebehandlung unterzogen worden. Für diese Massebehandlung bzw. Oberflächenbehandlung werden derzeit vor allem Fluorpolymere eingesetzt, wobei etwa bis zu 5 Gew.-% Beschichtungsmaterial auf das Material gelangen. Bereits Fettdichten <6 bis 8 können nur durch Kombinationen von Schicht- und Massebehandlung erreicht werden, Fettdichten mit KIT-Zahlen <12 können mit den gegenwärtigen Systemen nicht garantiert werden. Beispielsweise erfordert das Verpacken von trockenem Tierfutter mit niedrigem Fettgehalt (<10%) eine Behandlung der Rückseite in der Masse, bei höheren Fettgehalten wird eine Barriere durch Massebehandlung in Kombination mit einer Oberflächenbeschichtung durchgeführt.

Papier-, Papp- und Kartonverpackungen werden ordnungsgemäß über den Altpapierkreislauf entsorgt. Die als Fettbarriere eingesetzten Halogenpolymere gelangen somit über die Papieraufbereitung entweder in die Papierneuware oder in das Prozeßabwasser.

Stärkeether sind als Hilfsstoffe und Einsatzstoffe in der Papierindustrie bekannt. Dabei genutzte Eigenschaften sind in der einschlägigen Literatur ausführlich beschrieben. Sie werden eingesetzt in der Oberflächenbeschichtung bzw. dem Strich sowie in pigmentierten Papierbeschichtungen. Auch für den Lebensmittelkontakt zugelassene Papiere, Kartons und Pappen dürfen nach dem BGVV Stärkeether (z. B. Hydroxyethyl- und Hydroxypropylether) enthalten. Stärkeether werden wegen ihrer guten Filmbildungseigenschaft und ihrem Wasserbindevermögen außerdem als Bestandteil von Klebstoffen verwendet. Literatur hierzu findet sich beispielsweise in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie; W. Baumann/B. Herberg: Papierchemikalien - Fakten zum Umweltschutz (Springer-Verlag); O. B: Würzburg: Modified Starches: Properties and Uses (CRC Press).

Weiterhin ist bekannt, daß Stärkeether-Derivate zu Folien/Filmen verarbeitet werden können, vornehmlich in Gießtechnik aus einer wäßrigen Lösung. Dabei sind in den Eigenschaften Unterschiede festzustellen, wenn die Stärkeetherderivate auf unterschiedliche Weisen hergestellt wurden (sog. Autoklav- bzw. Slurryverfahren), unterschiedliche Rohstoffe eingesetzt wurden (HA-Erbsenstärke, HA-Maisstärke, Kartoffelstärke, Weizenstärke) und/oder die Aufbereitung der Stärkelösung unterschiedlich ist (Konzentrierungsgrad, Salzgehalt, etc.).

Wenn die Herstellung der Stärkeether nach dem sog. Slurry-Verfahren erfolgt, wird die wäßrige Stärkesuspension im Alkalischen bei Temperaturen bis zu 50°C derivatisiert. Die DS- Grade liegen dabei meist um 0,2. Charakteristisch für diese Verfahren ist die bevorzugte Derivatisierung am C₂-Atom. Ein anderes, vornehmlich aus wissenschaftlichen Untersuchungen bekanntes Verfahren (Autoklav-Verfahren) geht von alkalisch aktivierter Stärke aus und kommt bei geringeren TS- Konzentrationen zu homogeneren Derivatisierungen, wobei der DS-Grad allerdings ähnlich eingestellt wird. Ein Vorgehen nach dieser Strategie ist in der DE 42 23 471 A1 beschrieben, wobei die so erhaltenen Stärkeether zur Folienherstellung eingesetzt werden sollen, und zwar insbesondere für die Anwendung als Overhead-, Kopier- und Druckerfolien oder für die Oberflächenveredlung von Spezialpapieren sowie als Verpackungsmaterial. Darüber hinaus wird in dieser Druckschrift erwähnt, dass die genannten Etherderivat-Folien auch im Verbund mit anderen Materialien verwendet werden können.

Daten zur Fettdichtigkeit von Stärkeether-Derivat-Beschichtungen auf Substraten, die aus vorzugsweise natürlichen Polymeren bestehen oder diese enthalten, sind bisher nicht verfügbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von lebensmittelrechtlich zulässigen, fettdichten Verpackungsmaterialien.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass mit Stärke- oder Amylosederivaten beschichtete Substrate, die selbst keine ausreichende Fettbeständigkeit aufweisen, wie Papier, Karton Pappe oder andere aus oder mit Cellulose hergestellte Materialien, fettdicht sind.

Die vorliegende Erfindung stellt daher mehrschichtige Verpackungen für fettende Güter oder Teile solcher Verpackungen bereit, die eine Trägerschicht aus einem polymeren Material als Hauptkomponente sowie mindestens eine auf die Trägerschicht aufgebrachte, nicht die Außenseite der Verpackung bildende Schicht aufweisen, wobei die auf die Trägerschicht aufgebrachte Schicht ein Stärkederivat als Hauptkomponente enthält.

Die Beschichtung eines Trägermaterials mit der Funktionsschicht "Stärkederivat" realisiert ein fettdichtes Verbundsystem. Die Stärkekomponente ist dabei verantwortlich für die Fettdichtigkeit und weist zudem die Eigenschaft der biologische Abbaubarkeit auf.

Die Verpackungen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf spezifische Ausgestaltungen beschränkt. Ein beispielhafter, bevorzugter Anwendungsbereich sind Verpackungen von Lebens- und Tierfuttermitteln mit geringen Wassergehalten und gleichzeitig hohen Fettgehalten, insbesondere Faltschachteln. Beispiele hierfür sind Verpackungen für Kekse, Schokoladen, sonstige Süßwaren, trockenes Tierfutter, bei denen eine besonders gute Barriere gegen den Durchtritt von Wasserdampf nicht erforderlich ist. Aber auch Verpackungen für fetthaltige Nicht-Lebensmittel (z. B. Kosmetika, Catering, ölhaltige Farbpigmente oder dgl.) können erfindungsgemäß gestaltet werden.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen in der Beschichtung von anderen Polymeren als Cellulose mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Material (z. B. andere Verpackungskunststoffe) für ähnliche Verpackungsaufgaben. Auch die Beschichtung von Papier im Sinne eines Einschlagpapieres ist eine mögliche Anwendung.

Mit den Verpackungsmaterialien der vorliegenden Erfindung lassen sich hohe Fettdichtigkeiten erzielen, die im Bereich ab einer KIT-Zahl von 6, vorzugsweise von mindestens 8, in der Regel aber wesentlich höher liegen. So können Dichtigkeiten einer KIT-Zahl von 10 oder 12 und mehr erreicht werden, die mit den bisherigen, nicht biokompatiblen bzw. -abbaubaren Systemen nicht garantiert werden können.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Verpackungen sind, dass ihre Herstellung mit üblichen Verfahren der Papier- bzw. Kartonherstellung kompatibel ist und dass sie biologisch abbaubar sind, wobei sie hinsichtlich der ökonomischen und/oder ökologischen Bewertungen im Vergleich zu üblichen Systemen als besonders vorteilhaft einzustufen sind, insbesondere wenn die Faktoren Preis der Beschichtung einschl. Verfahrenskosten und die Verträglichkeit mit dem Papierrecyclingprozess berücksichtigt werden sollen.

Aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit gewährleisten die erfindungsgemäß beschichteten Verpackungen eine gute Verträglichkeit mit den Aufbereitungs- und Abwasserreinigungsmöglichkeiten von Altpapierentsorgungsanlagen. Hier stellt das Abbauverhalten im Papierkreislauf im Sinne der Vermeidung eines weiteren Störstoffeintrags einen entscheidenden Vorteil dar.

Geeignete Materialien für die Trägerschicht sind insbesondere Papier, Pappe oder Karton, ggf. in Mischung mit anderen geeigneten oder in der Verpackungstechnologie von Lebensmitteln üblichen oder zulässigen Stoffen wie Bindemitteln oder Farbstoffen. Aber auch andere, bevorzugt auf natürlichen Polymeren wie Cellulose oder dgl. basierende Materialien oder Kunststoffe können eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß gut geeignete Stärke-Derivate sind solche, die aus mit einem Alkylenoxid wie Ethylenoxid oder Propylenoxid oder einem längerkettigen Alkylenoxid derivatisierter Stärke bestehen. Ein hoher Amylosegehalt der Stärke ist wünschenswert. Günstig sind Derivatisierungsgrade im Bereich zwischen 0,05 und 1,5, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 1,0. Bereits geringe Substitutionsgrade können zu positiven Effekten führen. Die angelagerten Gruppen vergrößern die Abstände zwischen den Molekülketten und steigern damit deren Beweglichkeit. Der damit gegebene innere Weichmachungseffekt kann nur durch eine Zerstörung der chemischen Bindung rückgängig gemacht werden. Als besonders geeignetes Stärkeetherderivat im Sinne der vorgesehenen Anwendung hat sich eine Hydroxypropyletherstärke auf der Basis HA (High Amylose) Erbsenstärke erwiesen.

Das Stärkederivat sollte vorzugsweise einen geschlossenen Film bilden. Sofern dies der Fall ist, können bereits sehr dünne Schichten ab etwa 6 g/m² Flächengewicht fettdicht sein, sofern das Trägermaterial eine relativ hohe Glätte aufweist.

Die Beschichtung kann als Oberflächenschicht der Innenseite der Verpackung und/oder als Zwischenschicht, ggf. auch mit der Funktion einer verklebenden Schicht, zwischen Papier oder Kartonagelagen oder dgl. vorgesehen sein. Auch mehrere direkt aufeinander aufgebrachte Beschichtungen können vorteilhaft sein. Ebenso kann vor der Beschichtung mit dem Stärkederivat ein sog. Vorstrich (z. B. mit üblichen Papierbeschichtungsmitteln wie Kaolin oder Stärke) zur Anwendung kommen, der den Zweck einer Vorglättung der Oberfläche hat. Flächengewichte zum Erzielen einer fehlstellenfreien Schicht können so ggf. reduziert werden.

Die Stärkederivat-haltige Schicht kann ggf. durch Aufbringen einer selbsttragenden Schicht aus diesem Material auf die Trägerschicht gelangen. Vorzugsweise wird jedoch eine Lösung oder Suspension des Stärkederivats mit einer geeigneten Menge an Trockensubstanz erzeugt und auf dem Trägermaterial aufgetragen, vorzugsweise aus wässriger Lösung oder Suspension. Eine gut geeignete Menge an Trockensubstanz des Stärkederivates liegt im Bereich von etwa 5 bis etwa 50 Gew.-%, bevorzugt im Bereich von etwa 10 bis etwa 40 Gew.-%, wobei die tatsächlich zu wählende Menge vom vorgesehenen Auftragsverfahren abhängt. So kann in manchen Fällen eine Menge von bis hinunter zu 4 Gew.-% ausreichend sein.

Das Auftragen kann beispielsweise mit einem Rakel, Sprühen oder per Walzenauftrag erfolgen, ebenso durch "Druckgießen" einer konzentrierteren Lösung sowie durch das flächige Aufbringen einer thermoplastifizierten Schmelze ("Extrusion"). In allen Fällen sollte der Wassergehalt der Stärkederivates nach dem Aufbringen auf dem Trägermaterial vorzugsweise auf <25 Gew.-% reduziert werden (z. B. durch Trocknen mit IR oder konvektiv).

Neben dem Stärkederivat kann die auf der Trägerschicht aufzubringende Schicht auch weitere Additive enthalten. Zum einen bietet sich die Zugabe von Pigmenten (wie generell in der Papierindustrie üblich) an, andererseits die Zugabe von Glycerin, Harnstoff, Borax, Glyoxal oder anderen Zusatzstoffen mit ähnlichen Eigenschaften und Effekten, um gewünschte Werte bezüglich der Elastizität und der Wasser- und Langzeitstabilität zu erzielen. Der Anteil an Stärkederivat sollte vorzugsweise aber immer so hoch sein, daß die Ausbildung eines fehlstellenfreien Films gewährleistet ist. Hierfür ist die Verwendung einer Hydroxypropyletherstärke besonders geeignet, und ganz besonders die einer solchen Stärke aus HA Erbsenstärke.

Es konnte festgestellt werden, dass sich bei Verwendung von handelsüblichen Stärkeetherderivaten (z. B. Pure-Flow 1442 oder National 465 der Fa. National Starch) im Beschichtungsmaterial der vorliegenden Erfindung bessere Fettdichtigkeiten erhalten lassen, als sie handelsübliche, mit Fluorcarbonsäuren beschichtete Papier- bzw. Kartonverpackungen aufweisen. Diese Stärkeetherderivate wurden in getrocknetem Zustand in Wasser redispergiert und zur Beschichtung eingesetzt.

Besonders günstig hat sich jedoch die Verwendung von nach dem Autoklav-Verfahren hergestellten Hydroxypropyletherstärken, insbesondere aus HA Erbsenstärke erwiesen, die als Lösungen mit TS-Gehalten von 12 bis 20% Gew.-% und vorzugsweise mit Derivatisierungs-(DS-)Graden von 0,1 bis 1,0 eingesetzt werden. Diese zeigen im Vergleich mit Handelsmustern (mit Fluorcarbonsäuren beschichtet) deutlich bessere Fettdichtigkeiten auf, insbesondere auch in Knickstellenbereichen, die bei Faltschachtelanwendungen besonders kritisch sind. Im Vergleich zu den zuvor genannten erfindungsgemäßen Beschichtungen mit handelsüblichen Stärkederivaten konnten die für die Beschichtung eingesetzten Flächengewichte reduziert werden.

Eine Hydroxypropyl-Stärke-Ether-Lösung kann unter Anwendung der nachfolgend genannten Verfahrensschritte nach dem sog. Autoklav- Verfahren hergestellt werden: Die Stärke (z. B. HA Markerbsenstärke oder HA Maisstärke) wird in wässriger Alkalilauge desintegriert und sofort bei Raumtemperatur mit Propylenoxid modifiziert. Anschließend wird das Produkt neutralisiert. Nach Abtrennung störender Inhomogenitäten durch Separation und Entsalzung mittels Ultrafiltration wird die modifizierte Stärke in kaltwasserlöslicher Form erhalten. Bei schonenden Temperaturen wird der für die Weiterverarbeitung gewünschte Trockensubstanz-(TS-)Gehalt eingestellt. Ggf. erforderliche Verdünnungen werden mit entionisiertem Wasser vorgenommen.

Nach Zusatz der gewünschten Additive (z. B. Konservierungsstoffe, Füllstoffe, Antistatika, Mittel zur Verbesserung der Elastizität) kann mittels Filter oder Zentrifuge eine mechanische Separation durchgeführt und dabei gleichzeitig eine Entgasung der zu verarbeitenden Lösung erreicht werden.

Die wässrige Gießlösung kann vorzugsweise bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten Temperaturen mit einem geeigneten Auftragssystem auf die zu beschichtende Materialbahn (Papier) aufgebracht werden.

Eine wie oben beschrieben hergestellte Gießlösung mit einem Trockensubstanz-Gehalt an modifizierter Stärke von 18 Mässe-%, aufgetragen mit einer Handrakel auf ein übliches Verpackungspapier, lieferte ein Verpackungsmaterial mit einer KIT-Zahl von <16.

Mit dem genannten Verfahren lässt sich das spezifische rheologische Verhalten der wässrigen Gießlösung auf die folgenden, für die Beschichtungslösung erfindungsgemäß besonders geeigneten Werte einstellen:
Eine dynamische Viskosität von 0,1 Pas bis 40 Pas bei einer Temperatur von 25°C und einer Schergeschwindigkeit von 30,7 s^-1. Viskoelastische Eigenschaften der Polymerlösung, wobei das Verhältnis zwischen viskosem und elastischem Anteil Tan κ Werte zwischen 1 und 10 (max. 50) bei einer Temperatur von 25°C und einer Schergeschwindigkeit von 30,7 s^-1 annimmt.

Das genannte Verfahren bietet ferner den Vorteil, dass die Stärke besonders schonend und insbesondere durchgängig bei relativ niedrigen Temperaturen (<60°C) oder vollständig bei Raumtemperatur umgesetzt und verarbeitet wird, was positive Effekte für die Beschichtung des Trägermaterials bewirkt. Durch die Kaltwasserlöslichkeit nach der Neutralisation, Separation, Ultrafiltration und dem Aufkonzentrieren kann derart schonend verarbeitet werden, dass keine oder nur unbedeutende Abbaureaktionen einsetzen.

Claims (10)

1. Mehrschichtige Verpackung für fettende Güter oder Teil einer solchen Verpackung, umfassend
eine Trägerschicht aus einem polymeren Material als Hauptkomponente und
mindestens eine auf die Trägerschicht aufgebrachte, nicht die Außenseite der Verpackung bildende Schicht, die ein Stärkederivat als Hauptkomponente enthält.

2. Mehrschichtige Verpackung oder Teil einer solchen Verpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material der Trägerschicht ein natürlich vorkommendes Polymer, vorzugsweise Cellulose, ist.

3. Mehrschichtige Verpackung oder Teil einer solchen Verpackung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stärkederivat eine mit einem C₂-C₆-Alkylenoxid, vorzugsweise Propylenoxid, modifizierte Stärke ist und/oder einen hohen Amylosegehalt aufweist.

4. Mehrschichtige Verpackung oder Teil einer solchen Verpackung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Stärkederivat als Hauptkomponente enthaltende Schicht zusätzliche Bestandteile, ausgewählt unter Pigmenten, Weichmachern, die Langzeitstabilität erhöhenden Mitteln, die Wasserstabilität erhöhenden Mitteln und die Elastizität beeinflussenden Mitteln, enthält.

5. Mehrschichtige Verpackung oder Teil einer solchen Verpackung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Bestandteile ausgewählt sind unter Glycerin, Harnstoff, Borax oder Glyoxal.

6. Verwendung eines Stärkederivats als Hauptkomponente einer Schicht, die auf einer Trägerschicht aus einem polymeren Material als Hauptkomponente aufgebracht ist, zur Erzeugung eines fettdichten Verpackungsmaterials.

7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material der Trägerschicht ein natürlich vorkommendes Polymer, vorzugsweise Cellulose, ist.

8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stärkederivat eine mit einem C₂-C₆-Alkylenoxid, vorzugsweise Propylenoxid, modifizierte Stärke ist und/oder einen hohen Amylose-Gehalt aufweist.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Stärkederivat als Hauptkomponente enthaltende Schicht zusätzliche Bestandteile, ausgewählt unter Pigmenten, Weichmachern, die Langzeitstabilität erhöhenden Mitteln, die Wasserstabilität erhöhenden Mitteln und die Elastizität beeinflussenden Mitteln, enthält.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Bestandteile ausgewählt sind unter Glycerin, Harnstoff, Borax oder Glyoxal.