DE202018103076U1

DE202018103076U1 - Mehrschichtige Artikel

Info

Publication number: DE202018103076U1
Application number: DE202018103076.0U
Authority: DE
Original assignee: MELODEA Ltd
Current assignee: MELODEA Ltd
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2028-06-02

Abstract

Artikel in Form einer mehrschichtigen Struktur, bestehend aus 3 bis 7 Materialschichten, wobei die mehrschichtige Struktur die Form ABC aufweist, wobei jedes A, B und C eine Materialschicht ist, wobei:
Schicht A ein Substrat ist, umfassend ein Material, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem mit Polymer beschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material;
Schicht B ein Cellulose-Nanomaterial ist, ausgewählt aus Nanokristallen (CNC) und einer Mischung aus CNC mit mindestens einem wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Additiv oder Material, wobei die Schicht frei von metallischem nanopartikulärem Material und nanofibrillierter Cellulose (NFC) ist;
Schicht C eine Deckschicht ist, die ein Material umfasst, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem polymerbeschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen mehrschichtige Artikel und deren Verwendungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Cellulose-Nanokristalle (CNC) sind eine der bekannten Formen von Cellulose, des Hauptbestandteils der Zellwände von Bäumen und Pflanzen. CNC kann als Flüssigkristalllösung in Wasser vorliegen und ist dafür bekannt, dass sie sich selbst zu makroskopisch geordneten Filmen mit Dicken im Nanobereich zusammensetzt.
Die nanogroßen Kristalle besitzen interessante größenabhängige strukturelle und optische Eigenschaften. Die Fähigkeit, mit den Verarbeitungsvariablen zu spielen, bietet die Möglichkeit, die Struktur, Zusammensetzung, Größe und den Dispersionsgrad solcher Nanokristalle zu steuern.
STAND DER TECHNIK

[1] WO2017/046798
[2] WO2013/132491

ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
Die Erfinder der hierin vorgestellten Technologie haben auf der Basis von Cellulose-Nanomaterialien, wie z. B. Cellulose-Nanokristallen (CNC), eine hochstabile und vielseitige Mehrschichtstruktur oder mehrschichtige Artikel entwickelt, die für eine Vielzahl von Anwendungen maßgeschneidert und verarbeitet werden können und die Aluminiumblechen, die z. B. in der Lebensmittelverpackungsindustrie verwendet werden, überlegen sind, und die überlegene Sperren gegenüber Gasen, organischen Lösemitteln, Ölen und anderen Wirkstoffen aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Artikel sind frei von metallischen Nanopartikeln und eignen sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich als Verpackungsmaterial für Lebensmittel, Getränke, Konsumgüter und pharmazeutische Produkte. Die Artikel können entsprechend einer oder mehreren Endverwendungen oder -Anwendungen zugeschnitten oder vorstrukturiert sein. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Artikel spezifisch als Verpackungsmaterial für trockene Lebensmittel oder als Verpackungsmaterial für flüssige Lebensmittel zugeschnitten sein.
In einem ersten Aspekt bietet die Erfindung einen Artikel in Form einer mehrschichtigen Struktur (die in Form von einem im Wesentlichen zweidimensionalen Blech vorliegen kann oder nicht), die drei oder mehr Materialschichten umfasst, wobei mindestens eine der drei oder mehr Materialschichten ein Cellulose-Nanomaterial umfasst, das aus Nanokristallen (CNC), nanofibrillarer Cellulose (NFC), mikrofibrillierter Cellulose (MFC), einer Kombination aus CNC und NFC, einer Kombination aus CNC und MFC, einer Mischung aus CNC mit mindestens einem Additiv, z. B. einem Polymer, oder einer Mischung aus NFC mit mindestens einem Additiv, z. B. einem wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Polymer (z. B. hydroxyl- oder carboxylreichen Polymeren) ausgewählt ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst der mehrschichtige Artikel ein Substrat, ein Cellulose-Nanomaterial, z. B. eine CNC-basierte Schicht, und eine Deckschicht, so dass die Cellulose-Nanomaterialschicht eine Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Deckschicht bildet.
In einigen Ausführungsformen besteht der mehrschichtige Artikel aus einem Substrat, einer CNC-basierten Schicht und einer Deckschicht, so dass die CNC-basierte Schicht eine Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Deckschicht bildet.
In einigen Ausführungsformen sind Substrat und Deckschicht gleich. In einigen Ausführungsformen sind Substrat und Deckschicht unterschiedlich.
In einigen Ausführungsformen hat der Artikel eine Schichtstruktur der Form ABC, wobei A, B und C jeweils eine Materialschicht sind, wie in 1 dargestellt, wobei: A ein Substrat ist, umfassend ein oder bestehend aus einem Material, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem polymerbeschichteten Material auf Papierbasis, z. B. einer Pappe, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material oder einem Membranmaterial; und anderen; B ein Cellulose-Nanomaterial ist, wie hierin ausgewählt, z. B. ein CNC-basiertes Material, umfassend CNC oder bestehend aus CNC; C eine Deckschicht ist, umfassend ein oder bestehend aus einem Material, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem polymerbeschichteten Material auf Papierbasis, z. B. einer Pappe, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material oder einem Membranmaterial, einem metallischen Material, z. B. einem Metallblech, oder einer Folie.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht B weder NFC noch besteht sie aus NFC.
Die Schichten A und C können zusätzlich oder alternativ, eine oder beide, beschichtet werden mit oder bestehen aus einem Lackmaterial. Wie in der Technik bekannt, sind Lacke hydrophobe Materialien, die selbst als wasserfeste Schicht, Wasserdampfsperre oder mechanischer Schutz für jede Schicht dienen können, mit der sie verbunden sind, z. B. Schicht B oder eine der hierin definierten Schichten A und C . Die Lackschichten, entweder direkt auf der Schicht B oder auf einer oder beiden Schichten A oder C, können auch so bereitgestellt sein, dass sie bedruckbar sind. Das Lackmaterial oder die -Zusammensetzung kann als handelsüblich bezogen werden oder auf den jeweiligen Zweck zugeschnitten sein. Das Lackmaterial ist typischerweise eine Zusammensetzung, die ein oder mehrere Polymere enthält, z. B. Polyurethan, Acryl, Epoxyd, Polyester; Harze wie Phenolharz, Alkydharz, Polyurethanharz; und Öle wie Leinöl, Walnussöl, Tungöl und Sojaöl.
In einigen Ausführungsformen, für bestimmte Zweck und Anwendungen, kann es sich bei dem äußeren Blech (Substrat A oder Deckschicht C, wie in 1 gezeigt) um einen Metallfilm oder eine -Folie oder einen Metallverbund handeln. Die Schicht B ist kein(e) metallische(r) Film oder Folie und umfasst auch nicht metallische(s) Material(ien).
In einigen Ausführungsformen ist weder das Substrat A noch die Deckschicht C ein Nanocellulosefilm und umfasst auch kein solches Material.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Substrat‟ und „Deckschicht“ nicht als richtungweisend für erfindungsgemäße Artikel verstanden werden sollten. Mit anderen Worten muss der Begriff „Substrat“ nicht die unterste Schicht oder die Schicht sein, von der aus die Herstellung des Artikels beginnt. Analog sollte der Begriff „Deckschicht“ weder als die oberste Schicht betrachtet werden, noch als die Schicht, die die übrigen Schichten oder Merkmale der mehrschichtigen Struktur umhüllt oder bedeckt.
Wie hierin erwähnt, umfasst die Schicht B ein Cellulose-Nanomaterial, wie z. B. CNC und NFC, oder besteht daraus. In einigen Ausführungsformen ist die Schicht B frei von NFC.
Cellulose-Nanokristalle (CNC) oder nanokristalline Cellulose (NCC) sind Fasern, die aus Cellulose hergestellt werden, wobei die CNC typischerweise hochreine Monokristalle sind. Sie bilden eine generische Klasse von Materialien mit mechanischen Festigkeiten, die den Bindungskräften benachbarter Atome entsprechen. Die daraus resultierende hochgeordnete Struktur erzeugt nicht nur ungewöhnlich hohe Festigkeiten, sondern auch signifikante Veränderungen der thermischen, elektrischen, optischen, magnetischen, ferromagnetischen, dielektrischen, leitenden und sogar supraleitenden Eigenschaften. Die Zugfestigkeitseigenschaften von CNC liegen weit über denen der heutigen Verstärkungen mit hohem Volumengehalt und ermöglichen die Verarbeitung höchster erreichbarer Verbundfestigkeiten.
Wie in der Technik bekannt, sind Cellulose-Nanofibrillen (CNF oder NFC) Cellulosematerialien, die aus mindestens einer primären Fibrille bestehen, die kristalline und amorphe Bereiche mit Aspektverhältnissen von meist größer als 50 enthält. Ihre Länge beträgt 0,1-5 µm und ihr Durchmesser 5-60 nm. Analog sind Cellulose-Mikrofibrillen (CMF oder MFC) Cellulosematerialien mit kristallinen und amorphen Bereichen, deren Aspektverhältnisse normalerweise größer als 50 sind.
Ihre Länge beträgt wenige Mikrometer und ihr Durchmesser ist größer als 100 nm. CMF kann einen Bruchteil von CNF enthalten.
In einigen Ausführungsformen zeichnet sich das Cellulose-Nanomaterial durch eine Kristallinität von mindestens 50 Prozent aus. In einigen Ausführungsformen ist das Cellulose-Nanomaterial monokristallin. In einigen Ausführungsformen ist das Cellulose-Nanomaterial hochreines monokristallines Material.
In einer Ausführungsform haben die Nanokristalle des Nanomaterials eine Länge von mindestens etwa 50 nm. In anderen Ausführungsformen sind sie mindestens etwa 100 nm lang oder höchstens 1.000 nm lang. In anderen Ausführungsformen sind die Nanokristalle zwischen etwa 100 nm und 1.000 nm lang, 100 nm und 900 nm lang, 100 nm und 600 nm lang oder 100 nm und 500 nm lang.
In einigen Ausführungsformen sind die Nanokristalle zwischen etwa 10 nm und 100 nm lang, 100 nm und 1.000 nm, 100 nm und 900 nm, 100 nm und 800 nm, 100 nm und 600 nm, 100 nm und 500 nm, 100 nm und 400 nm, 100 nm und 300 nm oder zwischen etwa 100 nm und 200 nm lang.
Die Nanokristalle können so gewählt werden, dass sie ein durchschnittliches Aspektverhältnis (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) von 10 oder mehr haben. In einigen Ausführungsformen liegt das durchschnittliche Aspektverhältnis zwischen 10 und 100, oder zwischen 20 und 100, oder zwischen 30 und 100, oder zwischen 40 und 100, oder zwischen 50 und 100, oder zwischen 60 und 100, oder zwischen 70 und 100, oder zwischen 80 und 100, oder zwischen 90 und 100, oder zwischen 61 und 100, oder zwischen 62 und 100, oder zwischen 63 und 100, oder zwischen 64 und 100, oder zwischen 65 und 100, oder zwischen 66 und 100, oder zwischen 67 und 100, oder zwischen 68 und 100, oder zwischen 69 und 100.
In einigen Ausführungsformen liegt das durchschnittliche Aspektverhältnis zwischen 67 und 100.
In einigen Ausführungsformen ist das Cellulose-Nanomaterial CNC. In einigen Ausführungsformen ist das Nanomaterial nicht NFC.
Je nachdem, welches Verfahren zur Herstellung von CNC oder NFC eingesetzt wird, kann das Material in verschiedenen Reinheiten vorliegen. In einigen Fällen kann das Cellulose-Nanomaterial Salze und/oder Kohlenhydrate wie Hemicellulose, Xyloglucan, Cellulosederivate und andere enthalten. Somit kann die gemäß der Erfindung verwendete CNC oder NFC zwischen 0,01 % und 0,5 % Verunreinigungen, z. B. Kohlenhydrate und Salze, enthalten.
Schicht B verleiht der mehrschichtigen Struktur eine oder mehrere Eigenschaften, die durch Auswahl eines geeigneten Substrats oder einer geeigneten Deckschicht verbessert, reduziert oder anderweitig modifiziert werden können. In einigen Ausführungsformen wird die Materialzusammensetzung der Schicht B so gewählt, dass sie Gassperreigenschaften, Ölsperreigenschaften und Wasserdampfsperreigenschaften aufweist. Die Gassperreigenschaften beinhalten das Verhindern, Unterbinden oder Minimieren der Permeation oder des Transports von Gasen durch die mehrschichtige Struktur, wobei das Gas aus Sauerstoff, Kohlendioxid, Aroma, SOx, NOx, Methan, fluorierten Gasen und anderen ausgewählt wird. Zu den Ölsperreigenschaften gehört das Verhindern, Unterbinden oder Minimieren der Permeation oder des Transports von Ölen wie Pflanzenöl, Mineralöl und Fett.
Schicht B kann auch so gewählt werden, dass sie eine Zusammensetzung oder eine Dicke aufweist, die der mehrschichtigen Struktur mechanische Unterstützung bietet. Es kann eine transparente oder eine opake oder undurchsichtige Schicht sein, und in manchen Fällen kann sie so angepasst sein, dass sie bestimmte Wellenlängen blockiert.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht B eine Mischung von CNC mit mindestens einem anderen Nanocellulosematerial wie NFC oder mit mindestens einem Additiv. In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht B NFC oder besteht daraus. Wenn die Schicht NFC umfasst, kann sie zusätzlich mindestens ein Additiv, wie z. B. ein Polymer, umfassen oder als Mischung mit CNC dargestellt werden.
In einigen Ausführungsformen besteht die Schicht B aus CNC oder einer Kombination aus CNC und NFC.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht B CNC und/oder NFC in Kombination mit (als Mischung) mindestens einem Polymer, ausgewählt aus PVOH, PVAc, EVOH, PVP, Stärke, Chitosan, Polyacrylsäure, Polyethylenimin, Kohlenhydraten, EVA und Polyurethanen.
In einigen Ausführungsformen ist das Additiv oder ein anderes Material, das in Kombination mit der CNC und/oder NFC verwendet wird, nicht bi-orientiertes Polypropylen (BOPP).
In einigen Ausführungsformen ist die Schicht B eine CNC-Schicht, die aus CNC bestehen kann oder eine Mischung (ein Gemisch, nicht getrennte Schichten) von CNC und mindestens einem Additiv umfassen kann, z. B. einem Polymer, das so ausgewählt ist, dass es dem CNC-Material oder der Schicht eine oder mehrere Eigenschaften verleiht, die aus Gassperre, Ölsperre, Wasserdampfsperre, besseren mechanischen Eigenschaften, thermischen Eigenschaften, Klebeeigenschaften und anderen ausgewählt sind.
Die Schicht aus Cellulose-Nanomaterial-, z. B. CNC, kann aus dem Nanomaterial, wie CNC, und mindestens einem Additiv, z. B. einem Polymermaterial, bestehen, wobei die Menge des Additivs, z. B. Polymermaterial, zwischen 0,1 und 99 Gew.- % der Nanomaterialschicht (bezogen auf die Gesamtgewichtsmenge der die Schicht bildenden Materialien) liegt. In einigen Ausführungsformen liegt die Menge des Polymermaterials zwischen 0,1 und 90 %, 0,1 und 85 %, 0,1 und 80 %, 0,1 und 75 %, 0,1 und 70 %, 0,1 und 65 %, 0,1 und 60 %, 0,1 und 55 %, 0,1 und 50 %, 0.1 und 45 %, 0,1 und 40 %, 0,1 und 35 %, 0,1 und 30 %, 0,1 und 25 %, 0,1 und 20 %, 0,1 und 15 %, 0,1 und 10 %, 0,1 und 9 %, 0,1 und 8 %, 0,1 und 7 %, 0,1 und 6 %, 0,1 und 5 %, 0,1 und 4 %, 0.1 und 3 %, 0,1 und 2 %, 0,1 und 1 %, 1 und 90 %, 5 und 90 %, 10 und 90 %, 15 und 90 %, 20 und 90 %, 25 und 90 %, 30 und 90 %, 35 und 90 %, 40 und 90 %, 45 und 90 %, 50 und 90 %, 55 und 90 %, 60 und 90 %, 65 und 90 %, 70 und 90 %, 75 und 90 %, 80 und 90 %, 85 und 90 %, 1 und 85 %, 5 und 80 %, 10 und 80 %, 15 und 75 %, 20 und 70 %, 25 und 65 %, 30 und 60 %, 35 und 55 % oder 40 und 50 %.
In einigen Ausführungsformen ist das Additiv ein Polymer wie PVOH, das in einer Menge zwischen 50 und 70 % oder zwischen 60 und 70 % oder zwischen 70 und 90 % oder zwischen 70 und 80 % einer Zusammensetzung, bestehend aus dem Additiv und CNC, vorliegt (mit anderen Worten: eine Menge zwischen 70 % und 90 % Polymer bedeutet 70-90 % Polymer und 30-10 % CNC).
In einigen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis von Additiv zu CNC 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9, 1:10, 10:1, 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 5:1, 4:1, 3:1 oder 2:1.
Das mindestens eine Additiv kann ein Polymer oder ein anderes Additiv wie ein Weichmacher, wie Glycerin oder Sorbit, sein; ein Tensid; ein teilchenförmiges Material wie Mg-Partikel oder Nanopartikel (ausgenommen Nanopartikel anderer Elemente); ein Pigment; ein Kohlenhydrat; ein Salz; ein leitendes Material; ein Sauerstofffänger und andere.
Handelt es sich bei dem Additiv nicht um ein Polymer, so kann es in den oben angegebenen Mengen oder in Mengen zwischen 1 % und 20 % vorliegen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht B CNC/PVOH. Die Schicht hat eine Dicke von 100 nm - 20 µm. In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke zwischen 100 und 900 nm, zwischen 900 nm und 20 µm, zwischen 1000 nm und 20 µm, zwischen 1 µm und 20 µm oder zwischen 1 µm und 10 µm.
In einigen Ausführungsformen liegt die Dicke zwischen 1 µm und 20 µm, zwischen 1 µm und 20 µm, zwischen 1 µm und 15 µm, zwischen 1 µm und 10 µm oder zwischen 1 µm und 5 µm.
Jede der Schichten A und C verleiht der mehrschichtigen Struktur mechanische und Sperrfähigkeiten, die auf eine oder mehrere Endanwendungen zugeschnitten werden können. Sowohl das Substrat als auch die Deckschicht können bedruckt, laminiert oder anderweitig mit einer oder mehreren Schichten, Blechen, Filmen oder Beschichtungen verbunden werden. Eine mehrschichtige Struktur mit der allgemeinen Form ABC kann zu einer Tasche oder einem Behälter oder einem Gehäuse gefaltet oder angeordnet werden, so dass entweder A oder C die Außenfläche der Tasche oder des Behälters oder des Gehäuses oder die Innenfläche davon sein kann. Je nach Endprodukt kann das Material oder die Zusammensetzung der einzelnen Schichten A und C gewählt werden.
In einigen Ausführungsformen wird jede der Schichten A und C unabhängig voneinander unter Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polymilchsäure, Polyhydroxyalkanoat, Polycaprolacton, Polyhydroxybutyrat, Polyvinylacetat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenchlorid, Cellulose, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und Polycarbonat ausgewählt.
In einigen Ausführungsformen ist eine der Schichten A und C eine polymerbeschichtete Pappe, wobei das Polymer aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polymilchsäure, Polyhydroxyalkanoat, Polycaprolacton, Polyhydroxybutyrat, Polyvinylacetat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenchlorid, Cellulose, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und Polycarbonat ausgewählt ist.
In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst mindestens eine der Schichten A und C unabhängig von der anderen ein Textilerzeugnis. Das Textilerzeugnis kann ein beliebiges Textil, Naturgewebe, synthetisches Gewebe, Strickgewebe, Webstoff, Vliesmaterial oder Netz aus einem Material sein, das aus Cellulose, Viskose, Glasfasern, Kohlefasern und synthetischen Fasern ausgewählt ist. Ebenso kann das Textilerzeugnis in Form einer nach Angabe ausgewählten Membran vorliegen.
In einigen Ausführungsformen, bei denen ein Metallblech oder eine Folie mindestens eine der Schichten A und C unabhängig von der anderen bildet, kann das Metall aus Aluminium, Silizium, Zink, Eisen, Titan oder einem Oxid oder einer Legierung davon ausgewählt werden.
Die Schichten A und B und/oder die Schichten B und C können direkt miteinander verbunden oder durch ein oder mehrere Grenzflächenmaterial(ien) getrennt sein, wie in 2 dargestellt. Das Grenzflächenmaterial zwischen A und B muss nicht das gleiche sein wie das Grenzflächenmaterial, das die Schichten B und C verbindet, oder es können ein oder beide Grenzflächenmaterialien fehlen. Unabhängig davon, ob die Schichten direkt oder über ein Grenzflächenmaterial verbunden sind, kann die Substratschicht und/oder die Deckschicht vorbehandelt werden, um eine stabile und dauerhafte Verbindung zwischen den Schichten zu ermöglichen. Die Vorbehandlung kann eine oder mehrere Plasma-, Korona-, Flammen-, Wärme- oder andere bekannte Vorbehandlungsmethoden umfassen.
Zusätzlich oder alternativ können die Schichten über ein Primermaterial oder ein Klebematerial, wie in 2 als die Schichten zwischen den Schichten A und B oder zwischen den Schichten B und C dargestellt, miteinander verbunden sein. Dieser Primer oder Klebstoff kann dem Substrat oder der Deckschicht inhärent sein (nämlich eingebettet in das Substrat/die Deckschicht oder mit dem Substrat/der Deckschicht bereits verbunden, oder das Substrat/Deckschichtmaterial darstellen) und darf daher nicht als separater Film oder separate Schicht oder als separate Vorbehandlung oder separater Prozessschritt hinzugefügt werden. In Fällen, in denen die Primer- oder Klebematerialien nicht Teil des Substrats oder der Deckschicht sind, können sie auf das Substrat oder die Deckschicht aufgetragen werden, um eine zusätzliche Schicht zu bilden, deren Zweck sein kann, eine Haftung oder Verbindung zwischen den Schichten herbeizuführen, und die typischerweise, während sie optional eventuelle mechanische oder funktionale oder sonstige charakteristischen Eigenschaften der mehrschichtigen Struktur nicht beeinflusst. Die Primer- oder Klebeschicht oder der -film wird typischerweise nicht dazu verwendet, der mehrschichtigen Struktur eine oder mehrere funktionale Eigenschaften zu verleihen. Allerdings kann die Wahl eines Primers oder eines Klebematerials dazu dienen, eine oder mehrere Eigenschaften, die mit der mehrschichtigen Struktur als Ganzes oder mit einer oder mehreren Schichten davon verbunden sind, zusätzlich einzuführen, zu verstärken oder zu vermindern. Derartige Eigenschaften können Faltbarkeit, Elastizität, Transparenz, Absorptionsvermögen, Lichtdurchlässigkeit, Durchlässigkeit von Gasen oder Lösungsmitteln, Benetzbarkeit, Wärmebeständigkeit und andere sein. Die Primerschicht oder Klebeschicht umfasst ein Material, das aus Polyurethan, Epoxyd, Acrylat, Schmelzklebern, Polyelektrolyten (z. B. Polyethylenimin) und Lackmaterialien ausgewählt ist.
In einigen Ausführungsformen besteht der mehrschichtige Struktur aus 3 Schichten: einer Substratschicht (A), einer CNC-Schicht (B) und einer Deckschicht (C), jeweils wie hierin definiert und beispielhaft in 1 dargestellt. In einigen Ausführungsformen besteht die mehrschichtige Struktur aus 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9 oder 10 Schichten, so dass mindestens eine Schicht eine Substratschicht, wie definiert, eine Cellulose-Nanomaterialschicht, wie definiert, und eine Deckschicht, wie definiert, bildet. In einigen Ausführungsformen kann sich das Material jeder Schicht vom Material einer benachbarten Schicht oder vom Material einer oder mehrerer anderen Schichten in der mehrschichtigen Struktur unterscheiden, oder es kann sich von einem Material einer beliebigen benachbarten Schicht unterscheiden, aber dasselbe wie das Material einer nicht benachbarten Schicht sein. Beispielsweise kann in einer mehrschichtigen Struktur der Form ABCC die Materialschicht A von jeder der Materialschichten C verschieden sein, und jede der Materialschichten C kann auch voneinander verschieden sein und eine mehrschichtige Struktur der Form ABC1C2 bilden. Beispielhafte Mehrfachstrukturen sind dargestellt in den 3A-D.
In einigen Ausführungsformen wird jede der Schichten A und C zweimal oder öfter wiederholt, nämlich kann eine mehrschichtige Struktur in der Form AABCC oder ABCC oder AABC oder AABCBC oder ABCBCC vorliegen, wobei jede der Schichten A, B und C der Definition hierin entspricht, und wobei jedes Paar benachbarter Schichten direkt oder über einen Primer- oder Klebefilm oder eine -Schicht verbunden sein kann. Beispielsweise kann in einer Struktur der Form AABCC jedes A anders sein als das andere und jedes C anders als ein anderes C. Da die Materialschichten A und C unter denselben Materialien ausgewählt werden können, kann die mehrschichtige Struktur symmetrisch um die zentrale Schicht B oder asymmetrisch sein.
Die erfindungsgemäße mehrschichtige Struktur kann in Form eines Blechs oder eines gefalteten oder geformten Materialblechs, wie hierin definiert, vorliegen. Bei Vorlage als Materialblech kann sie von beliebiger Größe und Form, bedruckt oder gefärbt, volltransparent oder opak sein, und kann oberflächenbehandelt sein. Das Blech kann zu einer beliebigen Form, Größe oder einem Artikel wie einer Tasche oder einem Gehäuse oder einem Umschlag oder einem Behälter geschnitten, gefaltet oder verarbeitet werden, der aus dem Blech besteht oder der mindestens ein Element oder Merkmal umfasst, das aus einer mehrschichtigen erfindungsgemäßen Struktur besteht. In einigen Ausführungsformen dient der Gegenstand zur Verpackung von Waren, Lebensmitteln, Flüssigkeiten, Pharmazeutika oder beliebigen Materialien, die Isolierung oder Schutz vor der Umwelt erfordern, z. B. Gase, Wasserdampf, bestimmte Lichtwellenlängen und andere schädliche Stoffe oder Effekte, vor denen die mehrschichtige Struktur schützen kann (durch Bildung einer undurchlässigen Sperre).
Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften kann das Blech als Ersatz für Aluminiumbleche in Verpackungsmaterialien verwendet werden. Wie in der Praxis bekannt, werden Aluminiumbleche in Verpackungsprodukten aufgrund ihrer Fähigkeit, die Permeation von Gasen, Wasser und Licht vollständig zu blockieren, sowie aufgrund ihres Beitrags zur mechanischen Stabilität der Verpackung häufig verwendet. Es gibt jedoch bestimmte Nachteile bei der Verwendung von Aluminiumfolien, die hauptsächlich mit den Auswirkungen auf die Umwelt zu tun haben, die durch deren mangelnde Abbaufähigkeit verursacht werden, und mit den Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dem Recycling von Verpackungen, die Aluminium enthalten. Lichtblockierende Eigenschaften von Aluminium werden auch als Nachteil angesehen, wenn transparente Verpackungen benötigt werden. Ein weiterer Nachteil von Aluminium ist die Wärmedurchlässigkeit, die bei Anwendungen wie vakuumisolierten Platten nicht erwünscht ist, bei denen eine gute Gassperre erforderlich ist, jedoch ohne hohe Wärmeübertragung.
Der erfindungsgemäße Schichtstruktur ist ein geeigneter Ersatz für Aluminium durch Bereitstellen eines Materials mit Sperr- und mechanischen Eigenschaften, mit dem Vorteil, dass es recycelbar und abbaufähig, lichtdurchlässig und thermisch isolierend ist und in Form von wesentlich dünneren Sperrschichten zur Verfügung gestellt werden kann, um dieselben gewünschten Sperreigenschaften zu erreichen (z. B. führt eine 2 µm dicke Sperrschicht zu dem gewünschten OTR-Wert in einer Struktur, in der üblicherweise 5 µm Aluminiumfolie verwendet wird).
Somit stellt die Erfindung mit einigen Aspekten einen Artikel in Form einer mehrschichtigen Struktur bereit, die aus 3 bis 7 Materialschichten besteht, wobei die mehrschichtige Struktur die Form ABC aufweist, wobei jedes von A, B und C eine Materialschicht ist, worin:

Schicht A ein Substrat ist, umfassend ein Material, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem mit Polymer beschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material;
Schicht B ein Cellulose-Nanomaterial ist, ausgewählt aus Nanokristallen (CNC), nanofibrillarer Cellulose (NFC), mikrofibrillierter Cellulose (MFC), einer Kombination aus CNC und NFC, einer Kombination aus CNC und MFC und einer Mischung aus CNC mit mindestens einem wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Additiv;
Schicht C eine Deckschicht ist, die ein Material umfasst, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem polymerbeschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material.

In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht des Cellulose-Nanomaterials Verunreinigungen zwischen 0,1 Gew.- % und 3 Gew.- % des Gesamtgewichts der Schicht, wobei die Verunreinigungen aus Kohlenhydraten und Salzen ausgewählt sind.
In einigen Ausführungsformen besteht der Artikel aus einer Schicht aus CNC oder einer Schicht aus einer Mischung aus CNC und mindestens einem Additiv, einem Substrat und einer Deckschicht.
In einigen Ausführungsformen besteht der Artikel aus einer Schicht aus einer Mischung von CNC und PVOH, einem Substrat und einer Deckschicht.
In einigen Ausführungsformen ist jede der Schichten A und C ein Papier oder ein Material auf Papierbasis.
In einigen Ausführungsformen ist jede der Schichten A und C aus einem polymeren Material, einem mit Polymer beschichteten Material auf Papierbasis oder einem Nanocellulose-/Polymerfilm.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Schicht B CNC und/oder NFC gemischt mit mindestens einem Polymer, ausgewählt aus PVOH, PVAc, EVOH, PVP, Stärke, Chitosan, Polyacrylsäure, Polyethylenimin, Kohlenhydraten, EVA und Polyurethanen.
In einigen Ausführungsformen liegt die Menge des mindestens einen Polymers zwischen 0,1 und 99 Gew.- % des Nanocellulosematerials.
In einigen Ausführungsformen ist das mindestens eine Additiv ein Polymer oder ein Additiv, ausgewählt aus einem Weichmacher, einem Tensid, einem teilchenförmigen Material, einem Pigment, einem Kohlenhydrat, einem Salz, einem leitenden Material und einem Sauerstofffänger.
In einigen Ausführungsformen ist das mindestens eine Additiv in einer Menge zwischen 1 % und 20 % vorhanden.
In einigen Ausführungsformen hat die Schicht B eine Dicke von 100 nm bis 20 µm.
In einigen Ausführungsformen ist jede der Schichten A und C aus einem Material, das unabhängig voneinander aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polymilchsäure, Polyhydroxyalkanot, Polycaprolacton, Polyhydroxybutyrat, Polyvinylacetat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenchlorid, Cellulose, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und Polycarbonat ausgewählt ist.
In einigen Ausführungsformen ist eine oder sind beide der Schichten A und C eine polymerbeschichtete Pappe, wobei das Polymer aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polymilchsäure, Polyhydroxyalkanoat, Polycaprolacton, Polyhydroxybutyrat, Polyvinylacetat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenchlorid, Cellulose, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und Polycarbonat ausgewählt ist.
In einigen Ausführungsformen ist oder umfasst mindestens eine der Schichten A und C unabhängig von der anderen ein Textilerzeugnis.
In einigen Ausführungsformen sind die Schichten A und B und/oder die Schichten B und C direkt miteinander verbunden oder durch ein Grenzflächenmaterial, ausgewählt aus Primermaterial und Klebematerial, getrennt.
In einigen Ausführungsformen besteht der Artikel aus 3 Schichten: einer Substratschicht, einer CNC-Schicht und einer Deckschicht.
In einigen Ausführungsformen besteht die CNC-Schicht aus einer Mischung von CNC und PVOH.
In einigen Ausführungsformen ist die mehrschichtige Struktur von einer Form, die ausgewählt ist aus AABCC, ABCC, AABC, AABCBC, ABCBCC, wobei jedes von A, B und C der Definition hierin entspricht.
In einigen Ausführungsformen wird der Artikel bei der Verwendung beim Verpacken von Waren, Lebensmitteln, Flüssigkeiten und Pharmazeutika bereitgestellt.
Die Erfindung liefert zusätzlich einen Artikel in Form einer mehrschichtigen Struktur, die aus 3 bis 7 Materialschichten besteht, wobei die mehrschichtige Struktur die Form ABC aufweist, wobei jedes A, B und C eine Materialschicht ist, wobei:

Schicht A ein Substrat ist, umfassend ein Material, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem mit Polymer beschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material;
Schicht B ein Cellulose-Nanomaterial ist, ausgewählt aus Nanokristallen (CNC) und einer Mischung aus CNC mit mindestens einem wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Additiv oder Material, wobei die Schicht frei von metallischem nanopartikulärem Material und nanofibrillierter Cellulose (NFC) ist;
Schicht C eine Deckschicht ist, die ein Material umfasst, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem polymerbeschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispiel 1: eine 3-schichtige Struktur:

Schicht A: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) - 20 µm, mit Corona behandelt
Schicht B: eine Schicht PVOH/CNC - 5 µm
Schicht C: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) - 20 µm, mit Corona behandelt und auf der behandelten Seite mit einem Klebstoff beschichtet.

Der Multilayer beinhaltet Schicht A/Schicht B/Schicht C
Herstellungsverfahren:

1. Der LDPE-Film (Schicht A) wurde mit Corona oberflächenbehandelt;
2. die PVOH/CNC-Wassersuspension wurde auf die behandelte Oberfläche des LDPE aufgetragen und anschließend vollständig getrocknet (Schicht B);
3. der mit Corona behandelter LDPE-Film wurde mit einer Klebeschicht beschichtet und auf Schicht B laminiert, wobei die klebstoffbeschichtete Seite der PVOH/CNC-Schicht (Schicht C) zugewandt war.

Die Multilayer-Struktur war transparent, flexibel und konnte weiter laminiert werden, um zusätzliche Schichten für die Herstellung von flexiblen oder starren Verpackungen mit guten Sperreigenschaften einzuschließen. Die LDPE-Schichten bieten Wasser-, Wasserdampf- und Ölsperrfähigkeiten. Die PVOH/CNC-Innenschicht bietet die Möglichkeit der Gassperre.
Beispiel 2: eine Multilayer-Struktur (3 Schichten):

Schicht A: Polypropylen - 30 µm, beschichtet mit einer Schmelzkleberschicht (z. B. Ethylen-Vinylacetat)
Schicht B: eine Schicht PVOH/CNC - 5 µm
Schicht C: Polypropylen - 30 µm, beschichtet mit einer Schmelzkleberschicht (z. B. Ethylen-Vinylacetat)

Der Multilayer beinhaltet Schicht A/Schicht B/ Schicht C
Herstellungsverfahren:

1. Der Polypropylenfilm (Schicht A) wird mit einem Schmelzkleber (z. B. Ethylen-Vinylacetat) beschichtet.
2. Die PVOH/CNC-Wassersuspension wird auf die Schmelzkleberschicht aufgetragen und anschließend vollständig getrocknet (Schicht B).
3. Der mit einer Schmelzkleberschicht beschichtete Polypropylenfilm wird auf Schicht B laminiert, wobei die klebstoffbeschichtete Seite der PVOH/CNC-Schicht (Schicht C) zugewandt ist.

Die Multilayer-Struktur ist transparent, flexibel und kann für die Herstellung von flexiblen oder starren Verpackungen mit guten Sperreigenschaften weiter laminiert werden. Die Polypropylen-Schichten bieten Wasser-, Wasserdampf- und Ölsperrfähigkeiten. Die PVOH/CNC-Innenschicht bietet Gassperreigenschaften und verbessert die mechanischen Eigenschaften.
Die mechanischen Eigenschaften der in Beispiel 2 beschriebenen Schichtstrukturen wurden mit einer Instron-Maschine im Zugversuch getestet:

• Der Elastizitätsmodul wird gegenüber der Referenz der miteinander laminierten Schichten A und C um 40 %-125 % verbessert.
• Die Bruchdehnung wird um 7-20 % gegenüber der Referenz der miteinander laminierten Schichten A und C verbessert.

Beispiel 3: eine 5-Schichtstruktur:

Schicht A1: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) - 20 µm
Schicht A2: Karton, beschichtet mit LDPE
Schicht A3: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) - 15 µm, coronabehandelt Schicht B: eine Schicht PVOH/CNC - 4 µm
Schicht C1: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) - 15 µm, coronabehandelt Schicht C2: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE)

Der Multilayer beinhaltet Schicht A1/ Schicht A2/ Schicht B/Schicht C1/ Schicht C2
Herstellungsverfahren:

1. Die LDPE-Folie (Schicht A3) wurde mit Corona oberflächenbehandelt;
2. die PVOH/CNC-Wassersuspension wurde auf die behandelte Oberfläche des LDPE aufgetragen und anschließend vollständig getrocknet (Schicht B);
3. die koronabehandelte LDPE-Folie wurde auf die Schicht B laminiert, wobei die koronabehandelte Seite der PVOH/CNC-Schicht (Schicht C1) zugewandt war;
4. das LDPE wurde auf die Oberfläche einer Pappe (Schicht A2) extrudiert;
5. das LDPE wurde von der anderen Seite der Pappe (Schicht A1) extrudiert;
6. der Multilayer der Schichten A3/B/C1 wurde auf die Schicht A2 laminiert;
7. das LDPE wurde auf die Schicht C1 (Schicht C2) extrudiert.

Diese Multilayer-Struktur kann für starre Verpackungen verwendet werden. Die Pappschicht bot mechanische Stabilität, die LDPE-Schichten Wasser-, Wasserdampf- und Ölsperrfähigkeiten. Die PVOH/CNC-Innenschicht bot Gassperrfähigkeiten:

• Diese Struktur mit Schicht B mit einer Dicke von ∼1,2 µm hatte bei 80 % rF OTR-4.
• Diese Struktur mit Schicht B mit einer Dicke von ∼2,4 µm hatte bei 80 % rF OTR-2.
• Diese Struktur mit Schicht B mit einer Dicke von ~4 µm hatte bei 80 % rF OTR-1.
• Diese Struktur mit Schicht B mit einer Dicke von ~5 µm hatte bei 80 % rF OTR< 1.

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

WO 2017/046798 [0003]
WO 2013/132491 [0003]

Claims

Artikel in Form einer mehrschichtigen Struktur, bestehend aus 3 bis 7 Materialschichten, wobei die mehrschichtige Struktur die Form ABC aufweist, wobei jedes A, B und C eine Materialschicht ist, wobei: Schicht A ein Substrat ist, umfassend ein Material, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem mit Polymer beschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material; Schicht B ein Cellulose-Nanomaterial ist, ausgewählt aus Nanokristallen (CNC) und einer Mischung aus CNC mit mindestens einem wasserlöslichen oder wasserdispergierbaren Additiv oder Material, wobei die Schicht frei von metallischem nanopartikulärem Material und nanofibrillierter Cellulose (NFC) ist; Schicht C eine Deckschicht ist, die ein Material umfasst, ausgewählt aus einem polymeren Material, einem Papier oder einem Material auf Papierbasis, einem polymerbeschichteten Material auf Papierbasis, einem Nanocellulosefilm, einem Nanocellulose-/Polymerfilm, einem Textilmaterial, einem porösen Material, einem Membranmaterial, einem mineralischen Material, einem Lack und einem metallischen Material.
Artikel nach Anspruch 1, wobei der Artikel aus einer Schicht aus CNC oder einer Schicht aus einer Mischung aus CNC und mindestens einem Additiv oder Material, einem Substrat und einer Deckschicht besteht.
Artikel nach Anspruch 1, wobei der Artikel aus einer Schicht aus einer Mischung von CNC und PVOH, einem Substrat und einer Deckschicht besteht.
Artikel nach Anspruch 1, wobei jede der Schichten A und C ein Papier oder ein Material auf Papierbasis ist.
Artikel nach Anspruch 1, wobei jede der Schichten A und C aus einem polymeren Material, einem polymerbeschichteten Material auf Papierbasis oder einem Nanocellulose-/Polymerfilm ist.
Artikel nach Anspruch 1, wobei die Schicht B aus CNC gemischt mit PVOH besteht.
Artikel nach Anspruch 6, wobei die Menge des PVOH zwischen 0,1 und 99 Gew.-% des CNC-Materials liegt.
Artikel nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Additiv oder Material ein Polymer oder ein Additiv ist, ausgewählt aus einem Weichmacher, einem Tensid, einem teilchenförmigen Material, einem Pigment, einem Kohlenhydrat, einem Salz, einem leitenden Material und einem Sauerstofffänger.
Artikel nach Anspruch 1, wobei jede der Schichten A und C aus einem Material ist, das unabhängig voneinander aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polymilchsäure, Polyhydroxyalkanoat, Polycaprolacton, Polyhydroxybutyrat, Polyvinylacetat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenchlorid, Cellulose, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und Polycarbonat ausgewählt ist.
Artikel nach Anspruch 1, wobei eine oder beide der Schichten A und C eine polymerbeschichtete Pappe ist bzw. sind, wobei das Polymer ausgewählt ist aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyvinylalkohol, Ethylenvinylalkohol, Polyamid, Polystyrol, Polymilchsäure, Polyhydroxyalkanoat, Polycaprolacton, Polyhydroxybutyrat, Polyvinylacetat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenchlorid, Cellulose, Polyethylenterephthalat, Polyvinylchlorid und Polycarbonat.
Artikel nach Anspruch 1, wobei die Schichten A und B und/oder die Schichten B und C direkt miteinander verbunden oder durch ein Grenzflächenmaterial, ausgewählt aus Primermaterial und einem Klebematerial, getrennt sind.
Artikel nach Anspruch 1, bestehend aus 3 Schichten: einer Substratschicht, einer CNC-Schicht und einer Deckschicht.
Artikel nach Anspruch 1, wobei die mehrschichtige Struktur von einer Form ist, die aus AABCC, ABCC, AABC, AABCBC, ABCBCC ausgewählt ist, wobei jedes von A, B und C wie in Anspruch 1 definiert ist.
Artikel nach Anspruch 1, wenn er in der Verpackung von Waren, Lebensmitteln, Flüssigkeiten und Pharmazeutika verwendet wird.