DE19502103B4 - Verfahren zur Herstellung von Verpackungen und Verwendung derselben zum Füllgutabfüllen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Verpackungen mit guten Sperreigenschaften gegenüber Geschmacks- und Aromastoffen sowie gegenüber Gasen, bei dem die Kunststoff aufweisende Verpackung innen mit einem Silizium aufweisenden Gas zur Bildung einer eine Siliziumverbindung enthaltenden Sperrschicht vakuumbedampft wird, dadurch gekennzeichnet
daß zur Herstellung von im Innenraum sterilen Verpackungen das Verpackungsmaterial mittels eines gasförmigen Blasformmediums in zumindest einen Vorformling der Verpackungsform blasgeformt wird,
und daß für das gasförmige Blasformmedium das zum Vakuumbedampfen dienende Silizium aufweisende Gas verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von im Innern sterilen Verpackungen aus insbesondere Kunststoff, die gute Sperreigenschaften in bezug auf Gase und Aromastoffe besitzen, sowie die Verwendung zum Füllgutabfüllen.
  • Heutzutage werden Nahrungsmittel überwiegend in Fertigportion- oder Verbraucherverpackungen des Einweg-Typs 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-Verpackungen sind die üblichen Milch- oder Saftverpackungen aus kunststoffbeschichtetem Papier, die nach ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung entweder verbrannt, in einer Müllentsorgungsanlage dem Materialkreislauf wieder zugeführt werden oder zur Energierückgewinnung dienen. Andere bekannte 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 Einweg- oder eine Mehrweg-Verpackung ist, sind die an sie gestellten Anforderungen, daß sie einfach herzustellen und handzuhaben sein sollen und daß sie so gestaltet und konstruiert sind, daß sie dem Produkt, das in ihr abgepackt und transportiert werden soll, den bestmöglichen Schutz gewährt. Ein guter Schutz des Produkts verlangt u.a., daß die Verpackung von ausreichender mechanischer Festigkeit und struktureller Stabilität ist, um den äußeren Kräften, denen die Verpackung bei normaler Handhabung ausgesetzt sein kann, zu widerstehen, ohne deformiert zu werden oder zu zerbrechen. Außerdem soll die Verpackung eine ausreichende physikalische und chemische Dichtheit aufweisen, um eine Wanderung oder Diffusion von Flüssigkeit und/oder Gasen durch die Verpackungswände zu verhindern. In vielen Fällen ist es auch erforderlich, daß die Verpackung 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, strukturell stabil sowie genügend starr ist und physikalische und chemische Dichtheitseigenschaften aufweist, 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 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 Verpackung zusätzlich mit Dichtheitseigenschaften in bezug auf Gase und andere Substanzen auszustatten, wird das Verpackungsmaterial mit mindestens einer weiteren Schicht aus einem Material versehen, das die gewünschten Dichtheitseigenschaften aufweist. Beispiele hierfür sind Aluminium oder ein Sperrschicht-Polymer.
  • Das Verpackungsmaterial der beschriebenen laminierten Art ist daher in Aufbau und Zusammensetzung komplex. Sein Aufbau und seine Zusammensetzung werden umso komplexer, 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. es besteht im allgemeinen nur aus einer oder vielleicht zwei Materialschichten. Andererseits ist es 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 zugleich strukturell stabil ist. Das Problem bei Glasverpackungen besteht jedoch darin, daß sie äußerst stoßempfindlich sind und daher besondere Sorgfalt erfordern, um bei der Handhabung nicht beschädigt zu werden. Überdies sind Glasverpackungen 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 bei Mehrweg-Kunststoffverpackungen besteht aber darin, daß sie Kunststoffe besonderer Art und Qualität erfordern, um den fertigen Verpackungen die gewünschten Sperreigenschaften zu verleihen. Ferner sollen die gewählten Kunststoffe so beschaffen sein, daß sie für den Kontakt mit Nahrungsmitteln gut geeignet sind.
  • Es ist bereits bekannt ( US 4 552 791 ), die Sperreigenschaften von Kunstharzbehältern gegenüber Gasdiffusion durch Ionenniederschlag von anorganischen Oxiden auf Behälterwänden zu verbessern; dabei kommt z.B. SiO zur Anwendung. Ferner ist es bekannt ( EP 0 460 796 A2 ), dünne glasartige Schichten einer Dicke zwischen 20 und 500 nm aus SiO2 und Metallen auf polymere Verpackungsmaterialen aufzubringen.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer Vereinfachung der bisher bekannten Technologie. Es soll eine Kunststoffverpackung auf einfache Weise geschaffen werden, die ausgezeichnete Dichtheitseigenschaften in bezug auf sowohl Flüssigkeiten als auch Gase sowie ausgezeichnete Sperreigenschaften gegenüber Aromastoffen besitzt ohne die Notwendigkeit der Verwendung von Kunststoffen besonderer Art oder Qualität. Dabei sollte die Kunststoffverpackung auch für die aseptische Verpackung eines Produkts geeignet sein.
  • Die Erfindung ist durch ein Verfahren mit dem Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Zweckmäßige und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich ferner aus Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
  • 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 Vakuumbedampfungstechniken mit einer Innenbeschichtung aus einer Silizium aufweisenden Verbindung versehen werden kann und die mit guter Haftfestigkeit an inneren Wänden der Verpackung verbleibt. Es kann ein dünner kontinuierlicher Siliziumoxid-Überzug gebildet werden, 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 ist nicht in einem solchen Ausmaß wie bisher auf Kunststoffe besonderer Art und Qualität wie Sperrschicht-Polymere beschränkt. So kann erfindungsgemäß ein Kunststoff von billigerer Qualität und Beschaffenheit als die oben erwähnten Sperrschicht-Polymere unter der Voraussetzung gewählt werden, daß der gewählte Kunststoff eine ausreichende mechanische Festigkeit und strukturelle Steifigkeit besitzt, um eine praktische Handhabbarkeit der Verpackung zu gewährleisten.
  • Der Begriff „Vakuumbedampfung" wird hier verwendet, um herkömmliche Auftragsverfahren, wie Plasmabeschichtung, chemischen Plasmadampfauftrag (englisch: chemical plasma vapour deposition, abgekürzt mit CPVD), Sputtern etc. einzuschließen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird die Siliziumoxidschicht durch Anwendung des chemischen Plasmadampfauftrags (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 betragen kann, und die zusätzlich zu ausgezeichneten Sperreigenschaften gegenüber Gasen und Aromastoffen auch die günstige Eigenschaft besitzt, daß sie keine Geschmacks- und 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.
  • Die Dicke der auf die Innenwände der Verpackung aufgebrachten Siliziumoxidschicht sollte sehr dünn sein und weniger als 200 nm betragen je nach dem Produkt, das abgepackt werden soll. Wenn das Produkt weniger gasempfindlich ist, sind so geringe Schichtdicken wie 10 nm oder weniger ausreichend, während gasempfindlichere Produkte größere Schichtdicken erfordern, die in demselben Maße wie die Gasempfindlichkeit des Produkts zunehmen und fast 200nm erreichen können, was die obere Grenze für eine erfindungsgemäße Verpackung 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 „maßgeschneiderten" Eigenschaften ermöglicht.
  • Wie bereits erwähnt, kann eine Kunststoffverpackung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, indem man im Blasformrfahren unter Verwendung eines gasförmigen Blasformmediums zuerst einen Vorformling erzeugt. Der blasgeformte Vorformling (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 Reaktionsgase 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 Blasformmedium zur Erzeugung des blasgefarmten 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 Verwahren 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 aufgefaßt 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 Polyethylennaphthenat) in Form von beispielsweise einer Flasche gemäß der herkömmlchen Blasform-Technologie unter Verwendung eines gasförmigen Blasformmedium hergestellt, das unter Druck einen Kunststoffrohling formt, der den Konturen eines flaschenförmigen Formenhohlraums zwischen zwei beweglichen Formhälften folgt. Als gasförmiges Blasformmedium wird varzugsweise ein Prozeßgas von der gleichen Art verwendet, wie es in einer folgenden Beschichtungsstufe eingesetzt werden muß, um die Innenwände der blasgeformten Kunststofflasche gemäß der herkömmlichen chemischen Plasmadampfauftragstechnik (CPVD) mit einer dünnen Schicht zu überziehen, wie nachstehend nach 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 gasfömiges Blasformmedium verwendete obenerwähnte Prozeßgas für eine darauffolgende Verfahrensstufe enthält.
  • Dann wird die blasgeformte, geschlossene Kunststoffflasche mit dem darin eingeschlossenen Prozeßgas, gegebenen- falls 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 Flaschenwände 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 200nm erreicht hat, die der fertigen Flasche ihre gewünschten Sperreigenschaften verleiht.
  • Während die innen beschichtete Pusche 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.
  • 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 (9)

  1. Verfahren zur Herstellung von Verpackungen mit guten Sperreigenschaften gegenüber Geschmacks- und Aromastoffen sowie gegenüber Gasen, bei dem die Kunststoff aufweisende Verpackung innen mit einem Silizium aufweisenden Gas zur Bildung einer eine Siliziumverbindung enthaltenden Sperrschicht vakuumbedampft wird, dadurch gekennzeichnet daß zur Herstellung von im Innenraum sterilen Verpackungen das Verpackungsmaterial mittels eines gasförmigen Blasformmediums in zumindest einen Vorformling der Verpackungsform blasgeformt wird, und daß für das gasförmige Blasformmedium das zum Vakuumbedampfen dienende Silizium aufweisende Gas verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuumbedampfen durch chemisches Plasmadampfauftragen (CPVD) derart durchgeführt wird, daß eine als Sperrschicht dienende Überzugsschicht an der Innenseite der Verpackung gebildet wird, die aus einem Siliziumoxid der allgemeinen chemischen Formel SiOx besteht, in der x zwischen 1,8 und 2,2 beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasförmiges Blasformmedium verwendet wird, das Sauerstoff und eine verdampfte Siliziumverbindung enthält.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumbedampfung derart gesteuert wird, daß sich eine Überzugsschicht von weniger als 200 nm ergibt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß als gasförmiges Blasformmedium ein Sauerstoff, eine verdampfte organische Siliziumverbindung und inertes Gas enthaltendes Medium verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als verdampfte organische Siliziumverbindung Tetramethyldisiloxan und als inertes Gas Helium verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumbedampfung in einem elektrischen Mikrowellenfeld durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die blasgeformte Verpackung dicht verschlossen wird, während sie noch das gasförmige Blasformmedium enthält, daß die dicht verschlossene blasgeformte Verpackung in eine für einen chemischen Plasmadampfauftrag dienende Vakuumkammer gestellt wird, und daß 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.
  9. Verwendung einer nach einem der vorhergehenden Verfahren hergestellten blasgeformten Verpackung zum Abfüllen von Füllgut unter aseptischen Bedingungen mit anschließendem aseptischen Verschließen.
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