DE102019110593A1 - Barriereschicht für Cellulosesubstrat - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Substraten, bei dem auf ein Cellulose enthaltendes Substrat eine fließfähige erste Beschichtung enthaltend Cellulosefasern und Wasser aufgebracht wird.Um eine ausschließlich aus natürlichen Bestandteilen bestehende Verpackung mit guter Dichtigkeit zu erzielen, wird auf die erste Beschichtung eine zweite wasserdichte Beschichtung aus tierischen und/oder pflanzlichen Wachsen und/oder Lipiden aufgebracht.

Description

  • Die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Substraten, bei dem auf ein Cellulose enthaltendes Substrat eine fließfähige erste Beschichtung enthaltend Cellulosefasern und Wasser aufgebracht wird.
  • Verpackungsmittel aus Cellulose, insbesondere aus Faserguss, Karton und Papier erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Cellulosefasern sind ein häufig eingesetzter Werkstoff, der hervorragend zu recyceln ist. Ebenfalls eignen sich recycelte Rohstoffe (Holz, Papier, etc.) hervorragend zur Herstellung von cellulosehaltigen Verpackungsmitteln. Die Cellulose wird zum Beispiel im Faserguss-Verfahren verarbeitet. Dabei wird eine wässrige Pulpe mit Cellulosefasern hergestellt, aus der die Fasern in eine Form gebracht werden. Durch ein einfaches Schöpfverfahren kann durch eine Saugform das Wasser abgesaugt werden, wobei sich die Cellulosefasern auf der mit Poren versehenen Oberfläche der Saugform ablagern. Beim Transferverfahren wird der durch die Saugform gebildete Formkörper einer Transferform übergeben, so dass er von beiden Seiten geformt wird. Es können zusätzliche thermische Bearbeitungsverfahren und Pressverfahren zum Einsatz kommen, welche die Oberflächenqualität des Formkörpers erhöhen. Alternativ kann die Cellulose zu Papier oder Karton verarbeitet und als Verpackungsmittel eingesetzt werden.
  • Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, cellulosehaltige Substrate durch eine Beschichtung mit Cellulosefasern, insbesondere Mikrofibrillen und/oder Nanofibrillen aus Cellulose, im Wesentlichen gasdicht zu machen.
  • Derartige Beschichtungsverfahren sind bekannt aus den Druckschriften EP 3 444 399 A1 , JP 2015 227517 A , JP 2012 011651 A , WO 2017/144009A1 , EP2529942B1 und WO 2017/072124 A1 . Die mit Cellulose-Fibrillen beschichteten Substrate werden zusätzlich mit Polymeren wie Polyethylen oder Polypropylen, aber auch biologisch abbaubaren Polymeren wie Polymilchsäure oder Polyvinylalkohol beschichtet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitgehend gas- und wasserdichte Verpackung zur Verpackung von Lebensmitteln zu erzeugen, welche vornehmlich aus natürlichen Rohstoffen besteht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass auf die erste Beschichtung eine zweite wasserdichte Beschichtung aus überwiegend tierischen und/oder pflanzlichen Wachsen und/oder Lipiden aufgebracht wird.
  • Die zweite Beschichtung kann beispielsweise wenigstens 90 Gew.% tierische und/oder pflanzliche Wachse und/oder Lipide enthalten. Dabei kann die zweite Beschichtung wenigstens 70 Gew.% tierische und/oder pflanzliche Wachse enthalten.
  • Die ersten Beschichtung und/oder die zweite Beschichtung können durch Aufsprühen aufgetragen werden.
  • Mit anderen Worten kann die auf das Cellulosesubstrat aufgebrachte Schicht aus Cellulose-Nanofibrillen oder -Mikrofibrillen gegen Wasser und Feuchtigkeit widerstandsfähig gemacht werden, indem eine Schicht aus natürlichen Wachsen und/oder Ölen bzw. Fetten aufgebracht wird. Natürliche Wachse und/oder Lipide bestehen überwiegend aus Estern von Fettsäuren und sind als öllösliche Produkte nach dem Testverfahren CEC-L-33-A-93 gut biologisch abbaubar. Die gesamte beschichtete Verpackung besteht folglich nur aus Cellulosefasern und natürlichen Lipiden oder Wachsen, kann daher umweltverträglich entsorgt, aber auch recycelt werden.
  • In der Praxis kann die zweite Beschichtung mindestens einen der folgenden Bestandteile enthalten:
    • • Leinöl,
    • • Carnaubawachs, und/oder
    • • Bienenwachs.
  • Leinöl dient der verbesserten Formbarkeit des Öl-Wachs-Gemischs, welches die zweite Beschichtung bildet, und der Minimierung der Brüchigkeit nach dem Trocknen. Es sollte pharmazeutisches, also vollkommen geklärtes reines Leinöl verwendet werden. Leinöl ist eines der wenigen härtenden Öle und wird seit Jahrhunderten für die Holzimprägnierung benutzt. Eine Leinölschicht allein ist aber offenporig, lässt also Wasser und Luft zum Teil durch, und eignet sich nicht zur dauerhaft dichten Verpackung von Lebensmitteln.
  • Carnaubawachs ist ein sehr hartes, tropisches Wachs mit hoher Schmelztemperatur (ca. 85-89°C). Es hat kaum Eigengeruch oder Eigengeschmack und ist wasserdicht. Es ist im trockenen Zustand sehr brüchig, härtet innerhalb von Sekunden aus. Durch seine Härte ist es zudem sehr stabil gegen Abrieb. Es ist für die Verpackung von Lebensmitteln zugelassen und wird seit langem auch als Überzug zur Steigerung der Haltbarkeit von z.B. Mangos, Süßigkeiten etc. eingesetzt.
  • Bienenwachs ist ein u.a. in Europa erzeugtes Wachs, das weniger hart als Carnaubawachs ist. In einer Mischung mit Carnaubawachs trägt Bienenwachs zur Verringerung der Brüchigkeit bei. Es hat kaum Eigengeruch oder Eigengeschmack und ist ebenfalls zur Verwendung in Verbindung mit Lebensmitteln zugelassen. Sein Schmelzpunkt liegt bei ca. 65°C.
  • Insbesondere kann die zweite Beschichtung folgende Bestandteile enthalten:
    • • 20 bis 30 Gew.-% Leinöl,
    • • 40 bis 60 Gew.-% Carnaubawachs und
    • • 30 bis 40 Gew.-% Bienenwachs.
  • Diese Mischung weist die positiven Eigenschaften der drei Bestandteile auf, also eine hohe Dichtigkeit und Abriebsfestigkeit, einen neutralen Eigengeruch oder Eigengeschmack sowie eine hohe Flexibilität bei Umgebungstemperatur. Die Beschichtungseigenschaften dieser Mischung in Kombination mit der darunterliegenden Schicht aus Cellulose-Microfibrillen oder Cellulose-Nanofibrillen ist sehr gut geeignet, die Anforderungen an Wasserbeständigkeit und Gasdichtigkeit zu erfüllen, die für eine Lebensmittelverpackung erforderlich ist.
  • In der Praxis kann die fließfähige erste Beschichtungslösung zur Herstellung der ersten Beschichtung in Wasser gelöste Nanocellulose aufweisen mit Cellulose-Fibrillen mit einem Durchmesser im Median in einem Bereich von 30 bis 100 nm und/oder Cellulose-Nanofibrillen mit einem Durchmesser im Median in einem Bereich von 5 bis 20 nm. Dabei sind industriell vertriebene Cellulose-Fibrillen oft ein Gemisch von Microfibrillen und Nanofibrillen. In der Praxis hat sich eine Mischung von 2 Gew.-% Nanocellulose in 98 Gew.-% Wasser für die erste Beschichtung bewährt. Wenn ein höherer Celluloseanteil gewählt wird, kann eine Verformung des faserhaltigen Substrats durch die Feuchtigkeit reduziert oder vermieden und die Trocknungszeit verkürzt werden. In der Praxis ist ein Celluloseanteil der ersten Beschichtungslösung von 2 bis 10 Gew.-% geeignet.
  • Die erste Beschichtung mit Nanocellulose kann zunächst getrocknet werden, bevor die zweite Beschichtung aus natürlichen Wachsen und Lipiden aufgebracht wird. Die wasserhaltige erste Beschichtung aus Nanocellulose vermischt sich nicht mit der zweiten Beschichtung aus Öl und Wachs, so dass eine vollständige Trocknung vor dem Auftragen der zweiten Beschichtung anzustreben ist.
  • Wie eingangs erwähnt, kann das Substrat selbst ebenfalls aus Cellulosefasern geformt sein. Insbesondere kann das Substrat als dünnwandiges Produkt im Fasergussverfahren mit oder ohne anschließendem Pressen oder thermischem Formen hergestellt werden.
  • Es wird die Herstellung einer Kapsel angestrebt, in die ein Pulver zur Zubereitung von Getränken, insbesondere gemahlener Kaffee eingefüllt ist. Individuell verpackte Portionsverpackungen für Kaffee erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Dabei werden verschiedene Verpackungstechniken eingesetzt. Eine reine Aluminiumverpackung bietet eine hohe Dichtigkeit und ermöglicht eine lange Aufbewahrung des darin verpackten Kaffees. Allerdings erfordert sie auch einen hohen Energieeinsatz und hohe Materialkosten bei der Herstellung der Verpackung und führt zu erheblichen Abfallmengen. Sogenannte Kaffeepads sind in Cellulosevliesen verpackte Kaffeeportionen. Diese Verpackungen wiegen weniger und sind problemloser biologisch abbaubar als Aluminiumverpackungen. Allerdings mangelt es Pads an der Dichtigkeit, so dass der darin verpackte Kaffee weniger lange aufbewahrt werden kann oder an Aroma verliert.
  • Eine Kaffee-Portionsverpackung aus einer Kapsel bestehend aus dem hier beschriebenen Substrat hat eine hohe Dichtigkeit, die sehr viel höher als bei einem Pad aus unbeschichteter Cellulosefaser ist. Folglich kann man den Kaffee sehr viel länger aufbewahren. Die Kapsel kann mit einer Deckschicht versiegelt werden, die zum Beispiel aus einer Papierschicht mit der oben beschriebenen Beschichtung besteht. Diese Kapsel besteht allein aus natürlichen Rohstoffen, nämlich Cellulose und natürlichen Wachsen und Lipiden, und kann hervorragend deponiert oder wiederverwertet werden.
  • Zur Herstellung der Kapsel kann zunächst im Faserguss-Verfahren ein Tray, also ein einlagiger Schichtkörper mit mehreren Vertiefungen erzeugt werden. Dieses Tray und die Vertiefungen werden zunächst mit der Suspension mit Nanocellulose besprüht. Nach dem Trocknen dieser ersten Beschichtung wird die Mischung aus Wachsen und Ölen, insbesondere aus 25 Gew.-% Leinöl, 50 Gew.-% Carnaubawachs und 25 Gew.-% Bienenwachs als zweite Beschichtung aufgebracht. Diese zweite Beschichtung kann sprüht werden oder das Substrat mit der ersten Beschichtung kann in diese Mischung eingetaucht werden, wobei anschließend die Wachs/Ölmischung durch Erhitzen tief in den Poren des Cellulose-Substrats mit der 1. Beschichtung eindringt und gleichmäßig verteilt wird. Auf diese Weise wird die Dichtigkeit des Endprodukts gesteigert.
  • Das Tray kann auch nach dem Aufsprühen der ersten Beschichtung nachgepresst werden, insbesondere mittels einer beheizten Form. Dadurch wird der Trocknungsvorgang beschleunigt.
  • Die Wachse und Lipide der zweiten Beschichtung werden zum Auftragen erhitzt, z.B. auf eine Temperatur von 90°C, um im flüssigen Zustand zu bleiben. Das beheizte Reservoir für das Material der zweiten Beschichtung kann in unmittelbarer Nähe zu einem Trocknungskanal für die erste Beschichtung angeordnet werden. Auch die Düsen zum Auftragen der zweiten Beschichtung können beheizt sein. Die zweite Beschichtung kühlt in kurzer Zeit (wenige Sekunden) ab und härtet dabei aus. Danach ist die Lebensmittelverpackung verwendbar.
  • Die Kapseln, die durch die Mulden in dem Tray gebildet werden, werden anschließend mit der vorgesehenen Kaffee-Menge befüllt und dann mit einem Siegel verschlossen. Das Siegel kann aus einer Papier-Schicht bestehen, die ebenfalls mit einer ersten Beschichtung aus Nanocellulose und einer zweiten Beschichtung aus tierischen und/oder pflanzlichen Wachsen und/oder Lipiden versehen ist, so dass sie gasdicht und wasserbeständig ist.
  • Die Versiegelung erfolgt mittels eines Werkzeugs, dass genau auf die Tray-Form abgestimmt ist und zwischen den mit Kaffee befüllten Mulden auf die Faserguss-Stegen des Trays die Versiegelung setzt. Das Werkzeug weist ca. 5 mm breite Metallstege auf, die auf die Stege zwischen den Mulden des Trays auflegbar sind. Das Werkzeug kann beheizt und mit Druck auf das Tray, ggf. in einer Gegenform, gepresst werden. Die Gegenform ermöglicht es, den erforderlichen Druck auf die Stege des Trays aufzubringen und hält das Tray genau auf dem Platz hält, um das Siegeln durchführen zu können.
  • Das Tray kann nach dem Versiegeln in einzelne Kapseln geschnitten werden. Es ist aber auch möglich, größere Abschnitte mit mehreren Kapseln zu schneiden, die dann entweder mit einer Schere oder durch Trennen an einer Perforationslinie, die in einem versiegelten Steg zwischen zwei Mulden des Trays verläuft, getrennt werden können.
  • Es ist aber erkennbar, dass das beschichtete Substrat auch für die Verpackung anderer Gegenstände geeignet ist, insbesondere Lebensmittel, die zur Bewahrung der Frische weitgehend gasdicht zu verpacken sind. So können insbesondere getrocknete Lebensmittel wie Würzmischungen oder Pulver zum Anrühren von Suppen in einem Becher mit einer derartigen Beschichtung verpackt werden. Derartig beschichtete Substrate können auch als Essteller oder Trinkbecher verwendet werden, wobei sie kurzfristig mit Wasser in Kontakt treten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3444399 A1 [0004]
    • JP 2015227517 A [0004]
    • JP 2012011651 A [0004]
    • WO 2017/144009 A1 [0004]
    • EP 2529942 B1 [0004]
    • WO 2017/072124 A1 [0004]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung von beschichteten Substraten, bei dem auf ein Cellulose enthaltendes Substrat eine fließfähige erste Beschichtungslösung enthaltend Cellulosefasern und Wasser aufgebracht wird und diese zu einer Beschichtung verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Beschichtung eine zweite wasserdichte Beschichtung aus überwiegend tierischen und/oder pflanzlichen Wachsen und/oder Lipiden aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtung mindestens einen der folgenden Bestandteile enthält: • Leinöl, • Carnaubawachs, und/oder • Bienenwachs.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtung enthält: • 20 bis 30 Gew.-% Leinöl, • 40 bis 60 Gew.-% Carnaubawachs und • 30 bis 40 Gew.-% Bienenwachs.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fließfähige erste Beschichtung in Wasser gelöste Nanocellulose aufweist mit Cellulose-Fibrillen mit einem Durchmesser im Median in einem Bereich von von 30 bis 100 nm und/oder Cellulose-Fibrillen mit einem Durchmesser im Median in einem Bereich von 5 bis 20 nm.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Celluloseanteil der ersten Beschichtung bei 2 bis 10 Gew.-% oder darüber liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung getrocknet wird, bevor die zweite Beschichtung aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Cellulosefasern geformt wird.(redundant mit Anspruch 12?)
  8. Beschichtetes Substrat aus Cellulose, bei dem eine erste Beschichtung überwiegend Cellulosefasern enthält, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Beschichtung eine zweite wasserdichte Beschichtung aus überwiegend tierischen und/oder pflanzlichen Wachsen und/oder Lipiden angeordnet ist.
  9. Substrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtung mindestens einen der folgenden Bestandteile enthält: • Leinöl; • Carnaubawachs; • Bienenwachs.
  10. Substrat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtung enthält: • 20 bis 30 Gew.-% Leinöl, • 40 bis 60 Gew.-% Carnaubawachs und • 30 bis 40 Gew.-% Bienenwachs.
  11. Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtung Nanocellulose aufweist mit Cellulose-Fibrillen mit einem Durchmesser im Median in einem Bereich von 30 bis 100 nm und/oder Cellulose-Fibrillen mit einem Durchmesser im Median in einem Bereich von 5 bis 20 nm.
  12. Substrat nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat überwiegend Cellulosefasern enthält.
  13. Kaffekapsel, bei der die Wand der Kaffekapsel aus dem Substrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 besteht.
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