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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer Öffnung eines Behälters mittels einer Dichtscheibe. Die Erfindung betrifft außerdem eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Dichtscheibe.
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Behälter dienen zur Aufnahme von Inhalt, beispielsweise zur Aufnahme von Getränken oder pulverförmigen Lebensmitteln oder anderen Substanzen. Die Behälter weisen zum Befüllen und zum Entleeren auf ihrer Oberseite eine Öffnung oder Mündung auf. Häufig ist es gewünscht oder auch erforderlich, diese Behältermündung mit einer scheibenförmigen Versiegelung zu verschließen, die den Inhalt dicht gegenüber äußeren Einflüssen abschließt, also mit einer Dichtscheibe.
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Bereits aus der
DE 91 08 868 U1 und aus der
US 2007/0007229 A1 sind Dichtscheiben zum Verschließen eines Behälters bekannt, welche durch Induktionsversiegelung auf dem Öffnungsrand des Behälters befestigt werden können. Die Dichtscheibe weist hierzu eine Metallfolie auf. Auf der Unterseite der Metallfolie, also auf der dem Öffnungsrand benachbarten Seite, ist eine sehr dünne Kunststofffolie aufgebracht. Es ist nun möglich, mittels Induktionsversiegelung diese Folie fest auf dem Öffnungsrand des Behälters anzubringen. Wird Wirbelstrom in die Metallfolie von oben induziert, wird sie entsprechend erwärmt, und somit auch durch den wärmeleitenden Kontakt ebenso die unter ihr befindliche, dadurch aufschmelzende Kunststofffolie. Auch der Öffnungsrand des Behälters, beispielsweise eines Kunststoffbechers, erwärmt sich auf diese Weise und es entsteht eine relativ feste Verbindung der Kunststofffolie mit dem Öffnungsrand des Behälters. Damit wird die Öffnung des Behälters geschlossen und der Behälterinhalt gegenüber dem Zutritt von Luft, Wasserdampf oder anderen Stoffen aus der Umgebung geschützt. Der gesamte Mündungsbereich einschließlich des Öffnungsrandes wird dann noch mit einer Schraubkappe abgedeckt, die mechanisch die Dichtscheibe und den Mündungsbereich schützt.
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Insbesondere im Bereich der Verpackung von Lebensmitteln in Behältern hat sich dieses Verfahren zum Verschließen mittels induktiver Versiegelung bewährt und durchgesetzt. In den vergangenen Jahrzehnten ist eine Vielzahl von Verbesserungen an den Induktionsanlagen zur Versiegelung der Behälter erfolgt, um diesen Vorgang immer weiter zu optimieren. Die induktive Versiegelung von Behältern für Lebensmittel bietet ein hohes Maß an Produktschutz und an Konsumentensicherheit. Moderne Versionen des Verfahrens sind beispielsweise in der
EP 2 834 162 B1 beschrieben.
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Zur Durchführung der induktiven Versiegelung sind zwingend Dichtscheiben mit Mehrschichtfolien erforderlich. Diese Mehrschichtfolien weisen zumindest eine Metallschicht für die induktive Einkopplung der elektrischen Energie, meist eine Aluminiumschicht, und außerdem eine Siegelschicht auf, in der Regel aus einem gut schmelzenden Kunststoff. Neben diesen beiden Schichten sind häufig auch noch weitere Funktionsschichten enthalten, um weitere Anforderungen erfüllen zu können, beispielsweise zur Wärmedämmung.
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Der Erfolg der Verpackungen, die mittels Induktionsversiegelung verschlossen werden, lässt einen Wechsel dieser Technologie auf den ersten Blick nicht erforderlich erscheinen.
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Dennoch wäre es wünschenswert, wenn es weitere günstige Eigenschaften von Dichtscheiben und von Verfahren zum Verschließen von Mündungen von Behältern gäbe.
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Von daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Versiegelung von Öffnungen und Behältermündungen vorzuschlagen, die zusätzliche günstige Eigenschaften besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die Schicht der Dichtscheibe benachbart zum Öffnungsrand aus einem polaren Kunststoff besteht, und
dass eine Erwärmung des polaren Kunststoffs in der Schicht der Dichtscheibe dielektrisch erfolgt.
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Eine Dichtscheibe, mit der dieses erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, zeichnet sich dadurch aus, dass die Dichtscheibe aus mehreren Schichten aufgebaut ist, von denen mindestens eine, die beim Verschließvorgang der Mündung des Behälters zugedeckt ist, unter Verwendung eines polaren Kunststoffs aufgebaut ist.
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Mit derartigen Lösungen lassen sich unerwartet sehr günstige positive zusätzliche Eigenschaften für Dichtscheiben und für Verfahren zum Verschließen einer Öffnung eines Behälters mittels einer Dichtscheibe finden, erreichen. Durch die Erfindung entsteht nämlich eine Lösung, welche eine verbesserte Recyclingfähigkeit anbietet, zugleich aber die Qualität der Versiegelung selbst in gleicher Weise ermöglicht, wie dies bei bekannten Verschlusstechniken möglich ist.
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Betrachtet man sich die Verpackungen und Behälter allerdings nicht nur hinsichtlich der Qualität des angestrebten Verschlusses oder der vorteilhaften Form und der Möglichkeit, einen verschlossenen Behälter mit Originalitätsgarantie wieder öffnen zu können, sondern bedenkt auch die angestrebte Kreislaufwirtschaft der verwendeten Werkstoffe und ihre Optimierung, so werfen die mehrschichtigen Werkstoffe mit Schichten aus Aluminium einerseits und Kunststoffen andererseits Probleme bei der Entsorgung und beim Recycling auf, da in dieser Phase nach der Verwendung als Behälterverschluss auch eine Entsorgung in irgendeiner Form vorgenommen werden muss, auch wenn Behälterverschlüsse im Vergleich zu den Behältern selbst nur kleine Volumina darstellen.
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Die Erfindung führt zu einer besseren Möglichkeit zum Recyceln von Behälterverschlüssen. Sie führt eine völlig neue, bei Behälterverschlüssen bisher noch nicht durchgeführte Verfahrenstechnik ein, nämlich eine dielektrische Erwärmung eines polaren Kunststoffs anstelle der bisher durchgeführten, bewährten und daher für erforderlich gehaltenen induktiven Erwärmung einer Metallschicht. Mit der Erfindung wird eine Verschweißungstechnik eingesetzt, die anders als die herkömmliche und bewährte Induktionsversiegelung keine Metallschicht benötigt. Die herkömmlich zwingend erforderliche Schicht aus Aluminium in derartigen Dichtscheiben für Behälterverschlüsse kann somit entfallen und wird durch eine andere Kunststoffschicht ersetzt. Da die Behälterverschlüsse auf diese Weise metallfrei werden, ist ein wesentlich vereinfachtes Recycling möglich.
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Eine dielektrische Erwärmung als solche ist in ganz anderem Zusammenhang bekannt. Sie wird bisher beispielsweise vorgenommen, um feuchte Stellen im Inneren von Holz abzutrocknen und Schädlinge zu bekämpfen. Der Einsatz zielt stets darauf ab, dass in diesem Stand der Technik vorhandene Feuchtigkeit, also Wassermoleküle, dielektrisch erwärmt wird und so die Wassermoleküle gezielt wärmer werden, als ihre Umgebung, was dann zum Trocknen von Holz oder zum Bekämpfen von Schädlingen, deren Körpertemperatur auf einen hohen Wert gesteigert wird, genutzt wird.
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Bei Behältern und Behälterverschlüssen steht aber im Regelfall gar keine Feuchtigkeit oder Wasserdampf in den Dichtscheiben zur Verfügung, sondern es wird erfindungsgemäß der physikalische Effekt genutzt, dass es auch polare Polymere gibt, die einer dielektrischen Erwärmung zugänglich sind. Das ist bisher technisch nicht genutzt worden, da eine dielektrische Erwärmung von Wassermolekülen stets als ausreichend betrachtet wird und bei allen bisherigen Anwendungsfällen Wasser zur Verfügung steht. Eine Dichtscheibe, bei der zumindest eine Schicht aus einem entsprechenden polaren Werkstoff aufgebaut ist, lässt sich jedoch auch durch eine dielektrische Zufuhr von Energie gezielt behandeln. Es wird in einer Anlage Energie mit einer entsprechenden Frequenz in der polaren Kunststoffschicht einer Dichtscheibe eingebracht. Diese polare Schicht selbst oder eine ihr benachbarte Schicht wird dadurch gezielt aufgeschmolzen, während alle anderen Schichten unbeeinflusst und somit kühler bleiben. Nur die Siegelschicht ändert somit ihren Zustand, schmilzt etwas auf und ermöglicht so den Versiegelungsvorgang auf einem Rand einer Behältermündung, auf dem diese Siegelschicht aufliegt.
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Für die Erzeugung einer dielektrischen Erwärmung, die nach einem Übertrag auf eine benachbarte Siegelschicht ausreicht, um das eigentliche Aufschmelzen und Versiegeln auf einem umlaufenden Rand einer Mündung eines Behälters vorzunehmen, werden bevorzugt polare Polymere eingesetzt. Dabei wird angestrebt, möglichst hohe Werte für die Dielektrizitätszahl εr und für den dielektrischen Verlustfaktur tan δ zu haben.
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Bei ersten Versuchen haben sich als geeignete Polymere insbesondere Polyesterwerkstoffe wie etwa Polyethylenterephthalat (PET), Polyamide (PA), Ethylen-Vinylalkohol-Copolymere bzw. Vinylalkohol (EVA, EVOH) herausgestellt.
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Je höher dabei die Dielektrizitätszahl einerseits und der dielektrische Verlustfaktur andererseits sind, desto stärker erwärmt sich der entsprechende Werkstoff und desto mehr Wärmeenergie steht dann in der Siegelschicht zur Verfügung.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verschließen einer Öffnung eines Behälters mittels einer Dichtscheibe und auch mit der für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Dichtscheibe lässt sich das hohe Maß an Produktschutz und Konsumentensicherheit aufrecht erhalten, dass von den Endverbrauchern und der Fachwelt erwartet wird. Gegenüber einer induktiven Versiegelung von Behältern für Lebensmittel treten mithin keine Nachteile auf.
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Hinsichtlich der Recyclingmöglichkeit der entsprechenden Verpackung treten jedoch erhebliche Vorteile ein. Anstelle eines Verbundwerkstoffes aus Metallen und Kunststoffen kann jetzt eine nur aus Kunststoffen bestehende Dichtscheibe eingesetzt werden. Je nach Ausführungsform wird je nach dem nur eine Kunststoffsorte eingesetzt oder jedenfalls bekannte Kunststoffsorten, deren Recyclingfähigkeit nicht zu Problemen führt. Die Anwendung einer dielektrischen Erwärmung bei Kunststoffverschlüssen mit einer Dichteinlage zum Versiegeln von Behältern und Flaschen überrascht den Fachmann durch ihre Zuverlässigkeit und zugleich Einfachheit. Wirtschaftliche Nachteile sind ebenfalls nicht gegeben, da keine kostspieligen oder anspruchsvollen Werkstoffe verwendet werden müssen.
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Die erfindungsgemäß eingesetzten Dichtscheiben sind bevorzugt zweiteilig und werden mittels Extrusionskaschierung hergestellt. Sie sollten kein Karton oder Papier enthalten, da auch das einer Kreislaufwirtschaft entgegenstehende Werkstoffe sind und darüber hinaus Karton oder Papier auch Feuchtigkeit enthalten könne, die zwar dielektrisch genutzt werden kann, aber ein problematischeres Verhalten zeigt. Aus diesen Gründen wird voraussichtlich auch von einer Wachskaschierung abzusehen sein.
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Weitere bevorzugte Merkmale sind in den Unteransprüchen und in der folgenden Figurenbeschreibung angegeben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung perspektivisch von der Seite einer explodierten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung von der Seite einer explodierten weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform von der Seite der Erfindung.
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Eine in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Dichteinlage oder Dichtscheibe 10 dient dazu, einen Behälter (nicht dargestellt) mit einer Öffnung (ebenfalls nicht dargestellt) zu verschließen. Im Folgenden wird von einer kreisförmigen Öffnung ausgegangen. In anderen Ausführungsformen sind auch andere Formen möglich. Die Dichteinlage bzw. Dichtscheibe 10 entspricht der Form und dem Durchmesser der Öffnung.
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Die Öffnung wird mithilfe eines Verschlusses abgedeckt. Der Verschluss ist beispielsweise ein Schraubverschluss oder ein Nockendrehverschluss (ebenfalls nicht dargestellt). Der Verschluss kann aus sehr unterschiedlichen Kunststoffen bestehen, die danach ausgewählt werden, welches Produkt in den Behälter eingefüllt werden soll, aus welchem Material der Behälter besteht und welche sonstigen Anforderungen zu berücksichtigen sind. Bewährt sind Verschlüsse beispielsweise aus einem Polyolefin, einem hochdichten Polyethylen (HDPE) oder aus Polypropylen.
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Der Verschluss besitzt üblicherweise einen vom Umfang nach unten ragenden Rand. Das erleichtert es, eine kreisförmige Dichtscheibe in den Verschluss einzulegen.
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Nach dem Einfügen des Behälterinhaltes wird der Verschluss mit der eingelegten Dichtscheibe 10 auf die Behälteröffnung gelegt und schließt diese zunächst noch nicht dicht und nicht fest, aber vorübergehend nach oben ab.
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Dann wird eine dielektrische Verschweißung vorgenommen. Die Dichtscheibe 10 weist als erste Schicht 11 in der in 1 dargestellten Ausführungsform einen Polyolefinschaum, beispielweise einen Polyethylen- oder Polypropylenschaum auf, der benachbart zum Verschluss eingelegt wird. Dieser Schaum der ersten Schicht ist mittels einer zweiten Schicht 12, beispielsweise mit einem Polyolefin-Kaschierfilm vollständig abgedeckt, wobei auch hier wiederum ein Polyolefin- oder Polypropylen-Kaschierfilm verwendet werden kann.
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Als dritte Schicht 13 ist eine siegelfähige Folie vorgesehen. Diese siegelfähige Folie besteht aus einem polaren Kunststoff und ist somit dielektrisch erhitzbar.
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Ein mögliches Material für diese siegelfähige und dielektrisch erhitzbare Folie ist beispielsweise ein Monomaterial wie Polyethylenterephthalat (PET) bei einem Verschließen von Behältern oder Flaschen aus Polyethylenterephthalat.
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Der Öffnungsrand und die auf ihm liegende siegelfähige Folie der dritten Schicht 13 bestehen dann aus dem gleichen Material. Eine dichte Verbindung kann durch eine dielektrische Verschweißung auf diese Weise sehr gut erzielt werden.
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Der Behälter mit seinem Behälterinhalt und dem Verschluss sowie der Dichtscheibe zwischen der Behälteröffnung und dem Verschluss kann dann transportiert und gelagert werden.
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Beim Öffnen des Behälters wird von dem Verbraucher nun die siegelfähige Folie der Schicht 13 mechanisch von dem Polyethylenschaum der Schicht 11 mit dem Polyolefin-Kaschierfilm der Schicht 12 getrennt. In der 1 ist durch das Bezugszeichen A angedeutet, welche der Schichten 11,12 einerseits und 13 andererseits getrennt werden.
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Bei dieser Trennung verbleibt der Polyolefinschaum mit dem Polyolefin-Kaschierfilm im Verschluss. Die siegelfähige Folie der Schicht 13 bleibt auf dem Behälter bzw. dem Öffnungsrand des Behälters. Durch den Kaschierfilm kann hier eine einfache Öffnung erfolgen, da hierzu ein Material verwendet werden kann, das keine Verbindung der Schichten 12 und 13 herstellt bzw. eine Verbindung mit nur schwacher Adhäsionskraft bildet. Das kann durch die Materialwahl gezielt ausgewählt werden.
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Um an den Behälterinhalt zu gelangen, kann dann mechanisch die auf dem Öffnungsrand verbliebene Folie der Schicht 13 entfernt werden. Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen der Verschluss nach der Entfernung der Folie der Schicht 13 mit dem im Verschluss verbliebenen Polyolefinschaum der Schicht 11 wieder abgedeckt werden kann. Der Polyolefin-Kaschierfilm der Schicht 12 grenzt dann an die Behälteröffnung und dichtet diese vorübergehend wieder ab.
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Betrachtet man nach dem Verbrauch des Behälterinhaltes den weiteren Verbleib der Bestandteile, so kann der Behälter mit den Folienresten gemeinsam entsorgt werden, da es sich in bevorzugten Ausführungsformen und identische Kunststoffe handelt.
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Achtet man darüber hinaus auch auf eine Materialgleichheit von Verschluss bzw. Verschlusskappe einerseits und dem Polyolefinschaum andererseits, kann auch der gesamte Verschluss einem entsprechenden Recyclingstrom zu sortiert werden.
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In den meisten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtscheiben 10 ist die Folie eine zwei- oder mehrschichtige Folie. Eine dieser Schichten wird hier dielektrisch erwärmt. Im vorstehenden Beispiel handelt es sich direkt um die Siegelschicht. Andere Möglichkeiten sind aber ebenfalls gegeben. Die Auswahl der Siegelschicht kann an dezidierte Behältermaterialien angepasst werden.
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Es ist auch möglich, weitere Schichten 14, 15 in der Dichtscheibe 10 vorzusehen, die beispielweise der Verbesserung von mechanischen oder Barriereeigenschaften dienen.
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Kern der verschiedenen Ausführungsformen ist der Verzicht auf das Material „Metall“. Neben der besseren Recyclingfähigkeit tritt noch hinzu, dass auch das Gewicht der Dichtscheiben reduziert wird.
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In der 2 ist eine spezielle Ausführungsform dargestellt, bei der die Siegelschicht 13a und die dielektrisch erhitzbare Schicht 13b, zwei verschiedene Schichten sind.
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Vorgesehen ist außerdem in diesem Falle eine Funktionsschicht 14 und eine Schicht mit Druckfarben 15, mit der beispielsweise die Logos von Markenartikeln auf der Dichtscheibe 10 sichtbar gemacht werden, um den Behälterinhalt für den Endverbraucher zu verdeutlichen.
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In der 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Schichten 11 aus Polyolefinschaum zur Verbesserung ihrer mechanischen oder Barriereeigenschaften zusätzlich mit Schichten 12 mit Folien auf beiden Seiten kaschiert sind. Gedacht ist dabei an Folien aus Polyolefin oder Polypropylen. In der 3 zum besseren Verständnis weggelassen sind die erfindungsgemäß wichtigen dritten Schichten 13, die dielektrisch erhitzbar sind und die Versiegelung der Dichtscheibe 10 auf der Mündung des Behälters vornehmen.
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Die verwendeten Wertstoffe für die Schicht 13 bzw. 13a sollten eine ausreichende dielektrische Erwärmung erzeugen können. Um diesen Effekt zu erzielen, werden polare Polymere bevorzugt, die möglichst hohe Werte für die Dielektrizitätszahl εr und den dielektrischen Verlustfaktor tan δ haben.
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Als Polymere haben sich in Tests bereits als geeignet herausgestellt Polyester, Polyethylenterephthalat, Polyamide, Ethylen-Copolymere mit Acrylatenoder Vinylacetat bzw. Vinylalkohol (EVA, EVOH).
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Je größer die Dielektrizitätszahlen und die Verlustfaktoren der eingesetzten Werkstoffe sind, desto stärker erwärmt sich das Material.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Dichtscheibe
- 11
- erste Schicht, vorzugsweise Polyolefinschaum
- 12
- zweite Schicht vorzugsweise Kaschierfolie
- 13
- dritte Schicht, insbesondere die elektrisch erhitzbare Siegelschicht
- 13a
- dritte Schicht, dielektrisch erhitzbare Schicht
- 13b
- dritte Schicht, Siegelschicht
- 14
- Funktionsschicht
- 15
- Schichten mit Druckfarbe
- A
- Trennung beim Öffnungsvorgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 9108868 U1 [0003]
- US 2007/0007229 A1 [0003]
- EP 2834162 B1 [0004]
