DE19917076A1

DE19917076A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbunden, Verbunde sowie Verwendung derartiger Verbunde

Info

Publication number: DE19917076A1
Application number: DE1999117076
Authority: DE
Inventors: Ulrich Moosheimer; Horst-Christian Langowski; Torsten Kerbstadt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2000-10-19
Also published as: AU4107100A; WO2000063012A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Verbunden und damit hergestellte Verbunde. Derartige Verbunde werden überall dort eingesetzt, wo Gegenstände vor Umwelteinflüssen geschützt werden müssen, beispielsweise bei der Verpackung von Lebensmitteln, chemischen, pharmazeutischen, technischen und/oder landwirtschaftlichen Produkten. DOLLAR A Der Verbund gemäß der Erfindung erzielt einen guten Schutz des Füllgutes vor Umwelteinflüssen und eine hohe Sperrwirkung gegenüber Gas, Wasserdampf und Aromastoffen, indem auf eine erste Folie (50) eine Zwischenschicht (51) aus einem organischen Monomer, beispielsweise einem Triazin oder Melamin, aufgedampft wird und anschließend auf diese Zwischenschicht eine weitere Folie (52) aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Verbunden, damit hergestellte Verbunde sowie auf die Verwendung derartiger Verbunde. Solche Verbunde werden überall dort eingesetzt, wo Gegenstände vor Umwelteinflüssen geschützt werden müssen, beispielsweise bei der Verpackung von Lebensmitteln, chemischen, pharmazeutischen, techni schen und/oder landwirtschaftlichen Produkten. Zum Schutz des Füllgutes vor Umwelteinflüssen ist eine gute Sperrwirkung des Packstoffes gegenüber Gas, Was serdampf und Aromastoffen erforderlich, um die Lebensmittelqualität zu erhalten.

Zur Herstellung von Folienverbunden für Verpac kungsanwendungen werden üblicherweise im Vakuum mit tels eines Widerstandsverdampfers Aluminium bei Temperaturen über 1400°C verdampft und auf einer vorbeigeführten Folie abgeschieden. Auch andere anorganische Beschichtungsmaterialien, wie Aluminiumoxid oder Siliziumoxid finden Anwendung. Diese werden beispielsweise durch Elektronenstrahl verdampfer oder chemische Abscheidung aus der Gasphase auf einer vorbeigeführten Folie abge schieden. Im Anschluß an die Beschichtung der Folie wird eine zweite Folie hinzugeführt und mit der ersten Folie verklebt, so daß eine Verbundfolie entsteht.

So zeigt beispielsweise die DE 43 28 767 C2 ein Ver fahren zum Herstellen von Folienverbunden ohne Ka schierkleber, bei dem zwei Folien im Vakuum verbunden werden, wobei zwischen den beiden Folien eine Funktionszwischenschicht aufgedampft wird. Die Funktionszwischenschicht besteht dabei aus anorgani schen Materialien wie Siliziumoxid, Indiumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, und/oder Zinkoxid. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß die Verdampfung bei sehr hoher Temperatur erfolgen muß, so daß ein hoher Energieverbrauch entsteht und die beschichteten Folien thermisch belastet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver fahren zur Herstellung von Verbunden, einen Verbund sowie die Verwendung derartiger Verbunde zur Ver fügung zu stellen, das einfach, kostengünstig und zuverlässig durchgeführt werden kann und Verbunde mit besseren funktionellen Eigenschaften ergibt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Ober begriff des Anspruchs 1, einen Verbund nach dem Ober begriff des Anspruchs 14 in Verbindung mit ihren jeweiligen kennzeichnenden Merkmalen sowie durch die Verwendung nach Anspruch 15 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verbund aus mindestens zwei flachen Materialien mit einer zwischen diesen befindlichen Funktionszwischenschicht hergestellt, indem die Zwischenschicht bei der Bin dung des Verbundes auf mindestens einem der flachen Materialien auf der dem anderen flachen Material zugewandten und mit dieser später verklebten Seite aufgedampft wird. Erfindungsgemäß wird als Funktionszwischenschicht ein organisches Monomer auf gedampft ohne es anschließend weiter zu behandeln, beispielsweise ohne es anschließend nachzuvernetzen. Die so erzeugte Zwischenschicht entwickelt nicht nur eine Barrierewirkung gegenüber Aromastoffen, Sauerstoff oder Wasserdampf sondern dient als Haftvermittlung zwischen den beiden miteinander verklebten Folien. Besonders vorteilhaft an dem er findungsgemäßen Verfahren ist, daß es einen sehr geringen Energieverbrauch aufweist aufgrund der für die organischen Monomere geringen Verdampfungs temperaturen und daß weniger aufwendige Ver dampfungstechniken eingesetzt werden können. Weiter hin werden kostengünstige Verdampfungsmaterialien verwendet, so daß die Prozeßkosten niedrig gehalten werden. Da für organische Beschichtungen die Abhän gigkeit der Barrierewirkung von der Schichtdicke nur gering ist, können auch bei rauheren flachen Materialien als Substrate für die Verdampfung durch die aufgedampfte organische Schicht die Barrierewerte verbessert werden.

Die miteinander zu verklebenden flachen Materialien können unmittelbar in der Verdampfungskammer miteinander verbunden werden. Als Monomer sind besonders Triazine, insbesondere 1,3,5-Triazine oder deren Salze oder Mischungen dieser geeignet. Als Zwischenschicht haben sich daher Monomere wie Melamin, Ammelin, Ammelid, Cyanursäure, 2- Ureidomelamin, Melam, Melem, Melon oder Melaminsalze wie Melamincyanurat, Melaminphosphat, Dimelamin pyrophosphat oder Melaminpolyphosphat oder funktionalisierte Melamine wie Hexamethoxymethyl- Melamin oder acrylatfunktionalisiertes Melamin oder eine Mischung der obigen Substanzen als günstig er wiesen. Diese können beispielsweise durch thermisches Verdampfen auf die flachen Materialien aufgebracht werden.

Als flache Materialien eignen sich vorteilhaft bahnförmige Materialien, insbesondere Folien aus Polymeren, beispielsweise Polyester, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polycarbonat oder Papier, Kar ton oder Metallbänder oder deren Kombinationen.

Selbstverständlich können auf jedem der mindestens zwei flachen Materialien auf den einander zugewandten Seiten oder auch auf den Außenseiten ein oder mehrere weitere. Schichten aufgedampft werden. So können durch anorganische Schichten aus Aluminium-, Aluminium oxid-, Siliziumoxid oder deren Mischungen die Bar riereeigenschaften bezüglich Aromastoff-, O₂- oder H₂O-Diffusion verbessert werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die Schicht aus organischem Monomer zuletzt aufgedampft wird, um eine gute Haftung zu vermitteln. Vor dem Aufdampfen der Schichten kann das entsprechende flache Material bereits mehrfach vor behandelt, lackiert oder vorbeschichtet sein, um die Anhaftung der jeweiligen Schicht weiter zu verbes sern. Die Vorbehandlung, beispielsweise Vorbeschich tung, kann außerhalb der Vakuumkammer oder auch erst unmittelbar vor der Beschichtung mit dem Monomer in der Vakuumkammer erfolgen. Eine weitere Veredelung des Verbundes kann ebenfalls durch Vorbehandlung, Beschichtung, beispielsweise Kaschieren und/oder Lackierung, erfolgen.

Die so erzeugten Verbunde können insbesondere zur Verpackung von Lebensmitteln, chemischen, phar mazeutischen, technischen und/oder landwirtschaftlichen Produkten eingesetzt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vor liegenden Erfindung beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau einer Hochvakuumbedampfungsanlage mit einem Verdampfer;

Fig. 2 den Aufbau einer Hochvakuumbedampfungsanlage mit mehreren Verdampfern;

Fig. 3 den Aufbau einer Bandbedampfungsanlage mit mehreren Verdampfungskammern;

Fig. 4 den Aufbau einer Bedampfungsanlage mit einer Bedampfungswalze;

Fig. 5 verschiedene erfindungsgemäße Verbundfolien;

Fig. 6 eine weitere erfindungsgemäße Verbundfolie.

Die Hochvakuumbandbedampfungsanlage aus Fig. 1 be steht aus einer Wickelkammer 10 und einer hiervon getrennten Bedampfungskammer 11. In der Wickelkammer 10 sind zwei Abwickelrollen 1, 2 und eine Aufwickel rolle 5 angeordnet. Zwischen der Wickelkammer 10 und der Bedampfungskammer 11 befinden sich zwei Bedampfungswalzen 3, 4, über die zwei bahnförmige Folien 6, 7, die auf den Abwickelrollen 1 bzw. 2 auf gewickelt sind, zusammengeführt werden. Aus einem Verdampfer 9 wird die haftvermittelnde organische Schicht (z. B. Melamin) in den Spalt zwischen den beiden Walzen 3 und 4 verdampft. Das auf den Folien 6, 7 kondensierende Verdampfungsgut verbindet die Folien 6, 7 und bildet neben einer haftvermittelnden Schicht u. U. auch gleichzeitig eine Sperrschicht. Der gebildete Folienverbund 8 wird anschließend auf die Aufwickelwalze 5 aufgewickelt. Die Abwickelwalzen 1, 2 können auch außerhalb der Verdampfungskammer an geordnet werden, so daß die Folien 6, 7 durch Schleusen in die eigentliche Bedampfungskammer 10, 11 eingeführt werden. Als Verdampfungsquellen stehen thermische Verdampfer, die direkt widerstandsbeheizt, induktiv oder indirekt durch Strahlung beheizt wer den, aber auch Elektronenstrahlverdampfer zur Ver fügung. Eine Vorbehandlung der eingesetzten Folien kann durch ein Plasma- oder eine Glimmentladung in der Anlage erfolgen.

Fig. 2 zeigt eine Bedampfungsanlage, die wie in Fig. 1 ausgeführt ist, wobei jedoch statt einer mehrere Verdampfungsquellen 9, 12, 13 in der Verdampfungskam mer 11 angeordnet sind. Entsprechende Elemente wie in Fig. 1 sind in Fig. 2 mit entsprechenden Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Durch die Anordnung zusätzlicher Verdampfungsquellen 12, 13 können vor der eigentlichen Verbindung der beiden Folien 6, 7 weitere Schichten auf die Folien auf getragen werden. Eine der Schichten, die durch die Verdampfungsquellen 9, 12 oder 13 aufgetragen werden, besteht dabei aus einem erfindungsgemäßen organischen Monomer.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der gegenüber der Ausführungsform aus Fig. 2 die zusätzlichen Verdampfer 12 und 13 durch Sputterquel len 14, 15 die in einer Sputterkammer 16, 17 an geordnet sind, ersetzt sind. Dadurch können die ein zelnen Folien 6, 7 vor der Verbundbildung mit weiteren separaten Funktionszwischenschichten durch Sputtern beschichtet werden. Auch diese Vorrichtung ist selbstverständlich mit einer Plasmaquelle zur Vorbehandlung der Folien bzw. zur Aktivierung kom binierbar.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel bei dem die Verdampfungsquelle unterhalb einer Bedampfungs walze 3 angeordnet ist. Über diese Bedampfungswalze 3 wird lediglich die Folie 6 geführt, so daß zuerst lediglich die Folie 6 mit dem organischen Monomer beschichtet wird. Erst anschließend werden durch die Bedampfungswalze 3 und eine Anpreßwalze 18 die Folien 6, 7 zu einem Verbund zusammengeführt und die bedampfte Seite der Folie 6 auf die Folie 7 auf gedrückt.

Die zugeführten Folien können auf Ihrer Oberfläche auch lackiert oder beschichtet sein. Weiterhin kann die Folienoberfläche z. B. durch eine Vorbehandlung (Corona, Beflammung, Plasma, Glimmentladung oder Behandlung mit z. B. Ozongas) in oder außerhalb der Bedampfungsanlage aktiviert werden.

In Fig. 5 sind einige mit den erfindungsgemäßen Ver fahren hergestellte Verbundfolien dargestellt. Fig. 5a zeigt einen Sperrschichtverbund ohne Ka schierkleber unter Verwendung von orientiertem Polypropylen 50 mit einer Schichtdicke von 20 µm, einer Melamin-Sperr- und Haftschicht 51 und siegel fähigem Polypropylen mit einer Schichtdicke von 50 µm als zweite Folie 52.

Fig. 5b zeigt einen Verbund aus 12 µm dicker PET- Folie 53 und 70 µm dicker PE-Folie 55 mit einer da zwischenliegenden Melaminschicht 54.

Fig. 5c zeigt eine Wärmedämmschicht 58, die zwischen zwei Polyesterfolien 56, 57 eingelagert ist, die gleichzeitig als Träger dienen. Dieser Verbund ist so aufgebaut, daß die mittlere Funktionsschicht 58 eine Silberschicht ist, die von Indiumoxid-/Zinnoxid- Funktionsschichten umgeben ist. Zwischen einer der Funktionsschichten und der benachbarten Polyester folie ist eine Haftschicht aus Melamin aufgedampft.

Fig. 5d zeigt eine optisch transparente, elektrisch leitende Oxidschicht 60, die sich zwischen zwei Polyesterfolien 59, 61 erstreckt. Als Funktions schicht wirkt hier eine Indium/Zinnoxidschicht, wobei zwischen der Funktionsschicht und den beiden jeweilig benachbarten Polyesterfolien eine Melaminschicht als Haftvermittlungsschicht aufgedampft ist.

Im folgenden werden konkrete Beispiele von erfin dungsgemäßen Folienverbunden dargestellt werden.

Beispiel 1

Gemäß Fig. 1 werden eine 20 µm dicke biaxial-orien tierte Polypropylenfolie und eine 70 µm dicke cast- Polypropylenfolie (siegelfähig) mit 100 nm Melamin bedampft. Hierdurch erhält man einen recyclefähigen Polypropylenverbund, wie in Fig. 5a dargestellt, bei welchem die Sperrschicht bereits bei der Erzeugung eingebettet vorliegt und daher vor Beschädigung ge schützt ist. Der Verbund kann z. B. als Verpackungs material eingesetzt werden.

Beispiel 2

Gemäß Fig. 3 werden zwei Polyesterfolien in den Sput terkammern 14 und 17 jeweils mit einer Mischung aus Indium- und Zinnoxid beschichtet. In der Bedampfungskammer 11 werden die beschichteten Folien zusammengeführt, wobei in den Spalt zwischen den beiden Bedampfungswalzen 3, 4 Melamin verdampft wird. Durch die Einbettung der Melaminschicht zwischen zwei Polyesterfolien ist diese vorteilhaft geschützt (Fig. 5c).

Beispiel 3

Gemäß Fig. 1, wobei der Verdampfer durch eine Kathodenzerstäubungseinrichtung ersetzt ist, wird in einen Spalt zwischen zwei Polyesterfolien Melamin aufgedamft. Es entsteht hierdurch eine Melamin schicht, die geschützt zwischen zwei Polyesterfolien eingebettet vorliegt (Fig. 5d).

Beispiel 4

Eine 20 µm dicke OPP-Folie wird analog Fig. 4 auf einer leicht modifizierten konventionellen Band bedampfungsanlage mit 100 nm Melamin bedampft. Dabei wird auf der Bedampfungswalze (nach der Bedampfung) eine 70 jim dicke siegelfähige coextrudierte cast-PP- Folie zugeführt und mit einer Anpreßwalze stark auf die bedampfte Seite des Substrates angedrückt. Die coextrudierte cast-PP-Folie besteht aus einer zusatzstofffreien Schicht und einer konventionellen Schicht mit Antiblockmittel. Die zusatzstofffreie Schicht wurde coronavorbehandelt. Dieses Seite der Folie kommt auf die Melaminschicht. Die dabei in der Bedampfungsanlage gebildete doppellagige Folie wird gemeinsam auf eine Rolle aufgewickelt. Zur Verbin dungsbildung wird diese Rolle sofort nach der Fer tigstellung in einer Druckkammer unter hohem Druck eingelagert. Es entsteht ein fester Verbund mit einer Melamin-Sperrschicht als Verbindungsstück.

Beispiel 5

Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Folienverbundes. Zwischen den beiden Folien eines Trägermaterials sowie eines Ka schiermaterials befindet sich eine inorganische auf gedampfte Schicht A und eine weitere inorganische aufgedampfte Schicht B aus Al, Al₂O₃ oder deren Mischungen sowie zwischen der aufgedampften Schicht B und dem Kaschiermaterial eine aufgedampfte Ka schierkleberschicht aus Melamin. Der Auftrag von Melamin erfolgt dabei bei relativ geringen Ver dampfungstemperaturen von ca. 250°C, wodurch das Substratmaterial nur gering belastet und daher Materialfehler, Ausschuß und damit auch Herstel lungskosten minimiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Verbunden aus mindestens zwei flächigen Materialien mit einer zwischen zwei dieser Materialien befindlichen Funktionszwischenschicht, wobei die Zwischen schicht bei der Bildung des Verbundes auf mindestens einem der Materialien auf der dem anderen Material zugewandten Seite aufgedampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischen schicht ein organisches Monomer aufgedampft wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Materialien in einer Verdampfungskammer miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht ein Triazin aufgedampft wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht ein 1,3,5-Triazin oder dessen Salze bzw. eine Mischung davon aufgedampft wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht Melamin, Ammelin, Ammelid, Cyanursäure, 2-Ureidomelamin, Melam, Melem, Melon oder Melaminsalze wie Melamincyanurat, Melaminphosphat, Dimelaminpyrophosphat oder Melaminpolyphosphat oder funktionalisierte Melamine wie Hexamethoxymethyl-Melamin oder acrylatfunktionalisiertes Melamin oder eine Mischung davon aufgedampft wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch thermisches Verdampfen aufgedampft wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß flächige, insbesondere bahnförmige Materialien, vorzugsweise Folien aus Polymeren wie beispielsweise Polyester, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polycarbonat oder Papier, Karton oder Metallbänder oder deren Kom binationen beschichtet und miteinander verbunden werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund aus bereits vorbehandelten, beschich teten oder lackierten Materialien, wie beispielsweise mit Corona vorbehandelten Poly propylenfolien oder mit Acrylaten lackierten Folien als zumindest eines der flachen Materialien hergestellt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einem der flachen Materialien auf der dem anderen flachen Material zugewandten Seite ein oder mehrere weitere Schichten auf gedampft werden.

10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Schich ten anorganische Schichten aus Al, Al₂O₃, SiO_x oder deren Mischungen aufgedampft werden.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Schicht zuletzt aufgedampft wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien vor dem Aufdampfen einer der Schichten mit einer Plasmaquelle vorbehandelt werden.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund anschließend beschichtet, beispielsweise kaschiert und/oder lackiert, wird.

14. Verbund aus mindestens zwei Folien und einer aufgedampften Zwischenschicht hergestellt durch ein Verfahren nach mindestens einem der vorher gehenden Ansprüche.

15. Verwendung eines Folienverbundes nach Anspruch 14 zur Verpackung, insbesondere zur Verpackung von Lebensmitteln, chemischen, pharmazeutischen, technischen und/oder landwirtschaftlichen Produkten.