DE3885493T2 - Faltbares metallisiertes Papier. - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft Laminate bzw. Schichtstoffe, die zur Verwendung bei der Herstellung von Faltkonstruktionen wie etwa Kartons geeignet sind.
- Fachleute auf dem Gebiet von Packstoffen auf Zellstoffbasis, d. h. Papier, Pappe, Karton usw., suchen ständig nach Entwicklungen, die das Aussehen der Packungen verbessern, sowie nach solchen, die deren Funktionalität verbessern. Laminate, die metallisierte Packstoffe auf Zellstoffbasis aufweisen, sind heute sowohl wegen ihres ansprechenden "High-Tech"-Aussehens als auch wegen ihrer Sperrschichteigenschaften gegen Feuchtigkeit und Gas sehr populär. Wie jedoch von de Leeuw et al. in US-A-4 250 209 berichtet wird, kann das Problem der Brüchigkeit eine Rolle spielen, wenn solche metallisierten Packstoffe gefaltet werden.
- Friess et al. lehrt in US-A-4 171 064 eine Möglichkeit, wie Spannungsrisse, die bei der Herstellung von Faltkartons aus Schichtstoffen auftreten, verringert werden können. Bei der Erfindung von Friess et al. wird auf die Nahtflächen des Kartonzuschnitts eine zusätzliche Kunststoffschicht aufgebracht. Die Kartons, auf die die Erfindung von Friess et al. bezogen ist, können an der Innenseite eine Lage Aluminiumfolie haben. Das Patent betrifft jedoch nicht Verpackungen mit metallisierten Oberflächen. Friess et al. lehrt das Aufbringen der Nahtverstärkung aus Kunststoff in Verbindung mit dem Bedrucken und Stanzen des Kartonzuschnitts und das anschließende Aufbringen der vollständigen Oberflächen-Kunststoffschicht auf den Zuschnitt. Dieses recht umständliche Vorgehen steht im Gegensatz zu der eleganten Einfachheit der vorliegenden Erfindung, bei der Kartonmaterial in einem einzigen großtechnischen Vorgang laminiert wird. Aus den Schichtstoffen der Erfindung hergestellte Pappkartonzuschnitte können ohne alle weiteren Beschichtungsvorgänge verwendet werden.
- Techniken zur Metallisierung von Papier- und Papperzeugnissen sind allgemein wohlbekannt; siehe beispielsweise US-A-3 620 872, 4 153 494, 4 215 170, 4 382 831, 4 473 422 und 4 490 409. US-A-3 980 512 von Rauser lehrt gattungsgemäß die Übertragung einer dekorativen, im Vakuum aufgebrachten Metallschicht von einer Tragerfolie auf eine "zweite Kunststoffolie", die ihrerseits gleichzeitig auf ein steiferes Material wie Papier, Pappe oder Schaumkunststoff laminiert werden kann. In der Offenbarung von Rauser ist diese "zweite Kunststoffolie" der Packstoff. Das Papier, die Pappe oder der Schaumkunststoff werden nur hinzugefügt, um die Steifigkeit des Kunststoff-Packstoffs zu erhöhen. Rauser gibt keine speziellen Beispiele von Schichtstoffen an, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, und er deutet auch nicht an, was mit "Kunststoff" in der "zweiten Kunststoffolie" gemeint ist. Rauser lehrt nicht, daß die Trägerfolie eine nichtpolare Folie wie etwa Polyethylen sein muß. Er lehrt ferner, daß die Metallschicht in die Oberfläche der "zweiten Kunststoffolie" eindringen sollte.
- Außerdem ist ein metallisiertes, mit Kunststoffolie beschichtetes Papierlaminat zur Verwendung als eine dekorative und Verpackungsumhüllung sowie zur reflektierenden Isolierung aus WO-A-8 203 203 bekannt. Als dehnbares Kunststoffbeschichtungsharz ist dabei Polyethylen niedriger Dichte angegeben.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung eines Kartonlaminats, das höhere Adhäsionswerte und bessere Abriebfestigkeit hat.
- Gemäß der Erfindung wird ein Kartonlaminat angegeben, das zur Verwendung bei der Herstellung von Faltkonstruktionen geeignet ist und folgendes aufweist:
- (a) ein Kartonstützelement,
- (b) ein dehnbares Beschichtungskunstharz einer Dicke von mindestens 8,9 um (0,35 mil), das haftend auf dem Kartonstützelement vorgesehen ist, und
- (c) eine Metallschicht, die haftend auf dem Beschichtungskunstharz vorgesehen ist,
- wobei das dehnbare Beschichtungskunstharz Ethylen-Acrylsäure-Copolymere aufweist.
- Die Erfindung kann als ein Kartonlaminat beschrieben werden, das zur Verwendung bei der Herstellung von Faltkonstruktionen wie etwa Kartons geeignet ist. Dieses Laminat ist durch gute Rillbruchbeständigkeit gekennzeichnet. Die Metallschicht ist dabei bevorzugt durch eine Schutzbeschichtung gegen Abrieb geschützt.
- Die neuen Laminate gemäß der Erfindung können nach Verfahren hergestellt werden, die im allgemeinen mechanisch denjenigen gleichen, die von Rauser vorgeschlagen wurden. Die Kargheit der diesbezüglichen Offenbarung in der Rauser-Patentschrift erschwert es jedoch, genau festzustellen, was der Patentinhaber als die beste Art der praktischen Durchführung seiner Erfindung ansah. Rauser lehrt, daß die Trägerfolie ein nichtpolarer Kunststoff wie etwa Polyethylen sein soll; die Anmelderin verwendet eine orientierte Polypropylen- oder eine mit einer Antihaftbeschichtung versehene Polyesterträgerfolie (wobei letztere polar ist). Die Trägerfolien der Anmelderin können um ein Vielfaches häufiger wiederverwendet werden als die von Rauser angegebene Polyethylenträgerfolie mit geringer Zugfestigkeit. Die Anmelderin verwendet Ethylen-Acrylsäure-Copolymer als das, was Rauser als die "zweite Kunststoffolie" bezeichnen würde. Rauser gibt nicht an, was er verwendet. Bei dem Rauser-Verfahren dringt die Metallschicht in die Oberfläche der "zweiten Kunststoffolie" ein, wogegen bei der praktischen Durchführung der Erfindung die Metallschicht nicht in das Beschichtungsharz eindringt. Schließlich lehrt Rauser die Verwendung von Papier, Pappe oder Schaumkunststoff nur als ein Mittel, um seinen Kunststoff-Packstoff steifer zu machen. Die Offenbarung der Rauser-Patentschrift kann daher zwar im Hinblick auf allgemeine Angaben über die Transfermetallisierungs-Extrusionslaminierung zu Rate gezogen werden, aber der Fachmann, der die neuen Laminate gemäß der vorliegenden Erfindung herstellen möchte, sollte hinsichtlich der Einzelheiten der Herstellung auf die nachstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Bezug nehmen.
- Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der verschiedenen Schichten eines metallisierten Kartonlaminats gemäß der Erfindung.
- Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Kartonlaminate gemäß der Erfindung.
- Gemäß Fig. 1 weist ein Kartonlaminat gemäß der Erfindung ein Kartonstützelement 1 mit einer dehnbaren Kunststoffbeschichtung 2 auf. Eine Metallschicht 3 haftet auf dieser Beschichtung. Die Metallschicht kann von einer fakultativen Schutzbeschichtung 4 geschützt sein.
- Das Kartonstützelement der Erfindung kann irgendein Karton sein, der nach Laminierung gemäß den Verfahren der Erfindung durch erhebliche Rillbruchfestigkeit gekennzeichnet ist. Typische Kartone umfassen formbiegbaren Graukarton, weißen stabkaschierten Graukarton, kaolinbeschichtete Buchrückenpappe, gebleichte Sulfathartpappe, Bristolkarton, kaolinbeschichtete gebleichte Sulfathartpappe, ungebleichte Kraftpappe, kaolinbeschichtete ungebleichte Kraftpappe und gußgestrichene Pappe. Das Kartonstützelement hat im allgemeinen eine Dicke von mindestens 0,2 mm (8 mil), um seine Verwendung bei der Herstellung von Faltkonstruktionen wie Kartons, POS-Schaubehältern usw. zuzulassen.
- Die bei der Erfindung vorgesehene dehnbare Kunststoffbeschichtung kann jedes Harz sein, das extrudierbar ist und dem Laminat Rillbruchfestigkeit verleiht, wenn es in einer Dicke von mindestens 8,9 um (0,35 mil) vorhanden ist. Es gibt keine klare funktionelle Obergrenze in bezug auf die Dicke der Harzschicht, aber Dicken oberhalb von 50,8 um (2 mil) sind normalerweise zu teuer, um großtechnisch vorteilhaft zu sein. Im allgemeinen wird die dünnste Schicht, die gute Rillbruchfestigkeit ergibt, bevorzugt. Wie weiter unten gezeigt wird, besteht bei einem gegebenen Harz die Tendenz, daß erhöhte Dicke (oder größeres Gewicht pro Flächeneinheit) die Rillbruchfestigkeit steigert.
- Gemäß der Erfindung werden Ethylen-Acrylsäure-Copolymere als solche oder in Gemischen mit Polyethylenen niedriger Dichte, Polyethylenen hoher Dichte, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren, Maleinanhydridmodifizierten Polyolefinen, Polymethylpenten, Polybutylen, ionomeren Harzen und thermoplastischen Polyestern eingesetzt. Je dehnbarer das Harz ist, umso besser wird sich im allgemeinen ein das Harz enthaltendes Laminat verhalten. Die Dehnbarkeit von Harz kann mittels "Bruchdehnungs"-Prüfung gemessen werden, wobei Prozent Bruchdehnung definiert ist als die 100fache Änderung der Harzprobenlänge an ihrem Bruchpunkt, dividiert durch die ursprüngliche Länge der Harzprobe. Ethylen-Acrylsäure-Copolymere haben Bruchdehnungs-Nennwerte von größer als 200% bei Beanspruchung mit einer Geschwindigkeit von 50%/min.
- Die Metallschicht gemäß der Erfindung kann Aluminium oder jedes andere Metall sein, das allgemein als für die Metallisierung von Papier und Karton brauchbar bekannt ist. Aluminium wird derzeit bevorzugt, da es das kostengünstigste Metall ist. Metalldicken von 5 nm (50 Å) bis 150 nm (1500 Å) können verwendet werden. Die Dicke der Metallschicht beeinflußt Aussehen und Verhalten des fertigen Erzeugnisses, und daher hängt die Wahl der Metallschicht von dem für den Endverbrauch gewünschten Aussehen und den dann gewünschten Eigenschaften ab. Die Sperrschichteigenschaften des Laminats werden mit der Dicke der Metallschicht ständig besser. Ein optimales Aussehen unter Berücksichtigung der Handhabung, der Sperrschichteigenschaften und Kosten wird mit Metallschichten erhalten, die Dicken im Bereich von 15-35 nm (150-350 Å) haben.
- Die Laminate der Erfindung können nach auf dem Gebiet allgemein bekannten Verfahren hergestellt werden, einschließlich einer Direktmetallisierung des beschichteten Kartons und Klebstoffübertragung. Das bevorzugte Verfahren umfaßt jedoch die Verwendung von Extrusions-Laminiereinrichtungen, die zur Durchführung des Folienabstreifens und der Rückgewinnung modifiziert sind.
- Gemäß Fig. 2 benötigt das Extrusions-Transferverfahren zur Herstellung der Laminate der Erfindung eine Straße mit einem Extruder 1, einer Sekundärabrollung 2, von der eine vakuummetallisierte Trägerfolie 8 abgerollt wird, einer Kühlwalze 3, einer Sekundäraufrollung 4, auf die die entmetallisierte Trägerfolie 13 aufgerollt wird, einer Stütz- oder Anpreßwalze 5 und zwei Aufspaltungs-Haltewalzen 11 und 12.
- Bei dem Laminiervorgang wird die vakuum-metallisierte Seite der Trägerfolie 8 auf ein Kartonsubstrat 6 laminiert unter Verwendung einer extrudierbaren polymeren Harzschmelze 7 in dem Walzenspalt zwischen einer Kühlwalze und einer Stützwalze. Die Harzschmelze bewirkt eine Verbindung zwischen dem Metall auf der vakuum-metallisierten Folie und dem zu beschichtenden Kartonsubstrat. Nachdem die Schichtstruktur 9 ausreichend abgekühlt ist, um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Substrat und der Metallschicht der metallisierten Folie zu gewährleisten, wird der Folienträger für das Metall in dem Aufspaltungs-Walzenspalt zwischen den Walzen 11 und 12 aufgetrennt,wobei die metallische Beschichtung durch das Harz mit dem Substrat 10 verbunden bleibt. Die entmetallisierte Folie 13 wird aufgerollt, so daß sie bei diesem Transfer-Metallisierungsverfahren erneut mehrfach verwendet werden kann.
- Die oben beschriebenen Harze können entweder einzeln oder im Gemisch miteinander extrudiert werden. Außerdem können als Alternative zum Extrudieren einer einzigen Harzzusammensetzung zur Bildung der dehnbaren Kunststoffbeschichtung Vielschicht-Coextrusionsverfahren angewandt werden. Beispielsweise kann ein dehnbarer Kunststoffüberzug, der dem Laminat gute Sperrschichteigenschaften verleiht, durch Coextrusion von Polyethylen niedriger Dichte, Ethylen-Acrylsäure-Copolymeren und Ethylen-Vinylalkohol-Harzen hergestellt werden.
- Bei dem Extrusions-Transferverfahren wird die metallisierte Folie zwischen einer Stützwalze und einer Kühlwalze auf das Kartonsubstrat laminiert. Aufgrund der geringen Dicke der Folie beeinflußt die Oberflächenbeschaffenheit der Kühlwalze das Aussehen des Metalls auf dem metallisierten Kartonsubstrat. Wenn hochglänzende reflektierende Oberflächen mit hoher Bildschärfe gewünscht werden, kann eine Kühlwalze mit hochglänzender Oberfläche verwendet werden.
- Da die Metallschicht auf der Transferfolie sehr dünn ist, beeinflußt die Oberflächenbeschaffenheit des zu beschichtenden Kartonsubstrats ebenfalls das Aussehen der fertig metallisierten Oberfläche. Rauhe Oberflächen tendieren dazu, ein kieselsteinähnliches diffuses Aussehen zu haben, wogegen extrem glatte Oberflächen ein hochglänzendes spiegelähnliches Aussehen haben. Infolgedessen bestimmt der Endverwendungszweck des Substrats, welche Kartonsubstrate verwendet werden sollten.
- Die metallisierte Oberfläche des transfermetallisierten Substrats hat geringe Abriebfestigkeit, da die Metallschicht von dem Laminatharz nicht durchdrungen ist. Die Abriebfestigkeit der Metallschicht kann durch die chemischen Eigenschaften des extrudierten Harzes beeinflußt werden. Ethylen- Acrylsäure-Copolymere als Materialien mit höherem Bindungspotential führen zu höheren Adhäsionswerten und besserer Abriebfestigkeit.
- Ein dehnbarer, mit bedruckbarer Schlichte versehener Schutzüberzug ist erwünscht, um Abriebschutz für die metallisierte Oberfläche zu bieten und das Bedrucken dieser Oberfläche zuzulassen. Wenn eine mit Antihaftmittel beschichtete Polyesterfolie bei dem Transfermetallisierungsvorgang verwendet werden soll, wird die Antihaftbeschichtung gemeinsam mit dem Metall übertragen. Diese Antihaftbeschichtung schützt die Metalloberfläche gegen rauhe Behandlung und ermöglicht das Bedrucken. Wenn eine nicht mit Antihaftmittel beschichtete Folie verwendet werden soll, sollte die blanke Metalloberfläche seriell mit dem Folienabstreifvorgang mit einem bedruckbaren Schlichteüberzug beschichtet werden. Durch Wärme trocknende, UV-härtbare oder Elektronenstrahl-härtbare Überzüge können eingesetzt werden. Gute Ergebnisse sind mit Polyurethanüberzügen erhalten worden.
- Die folgenden praktischen Beispiele zeigen den Einfluß der Harzzusammensetzung und Dicke auf die Rillbruchfestigkeit bei Kartonlaminaten gemäß der Erfindung.
- Zur Bestimmung der Rillbruchneigung nach der Boxboard Research and Development Association (BRDA) wird ein transfermetallisierter Karton unter Verwendung eines Rillprüfgeräts gerillt, rasch gefaltet, um Maschinenfaltung zu simulieren, und mikroskopisch untersucht, um Brüche in dem gefalteten Rillbereich nachzuweisen. Die schmalste Rille, die dabei ohne Bruch ist, definiert die Rillbruchneigung. Je niedriger die Rillenzahl, umso rillbruchbeständiger ist die Probe. Umgekehrt gilt,je höher die Zahl, umso größer ist die Bruchneigung. Daher ist "1,0" die beste Bewertung, während "6,0" die schlechteste ist. Die Rillbedingungen sind in der TAPPI-Methode T495 om-82 angegeben. Proben werden sowohl in Querrichtung als auch in Maschinenrichtung gerillt und dann von 1 bis 6 bewertet. Das geometrische Mittel der Rillbruchneigung wird angegeben.
- Die Faltbruchneigung eines transfermetallisierten Kartons wird bestimmt unter Verwendung der MIT-Faltvorrichtung, die in der TAPPI-Methode T511 su-69 beschrieben ist. Bei dieser Prüfung wird eine ungerillte Probe durch einen Zyklus des Faltprüfgeräts gefaltet. Die Probe wird auf beiden Seiten eines Ausgangspunkts um einen Winkel von 135º doppeltgefaltet. Die Doppelfaltung erfolgt unter einer Zugbelastung von 1 kg. Nach dem Falten wird die Probe unter dem Mikroskop auf Brüche im Faltbereich untersucht. Wenn keine Brüche gefunden werden, wird die Probe mit "1,0" bewertet, und wenn ein kompletter Bruch festgestellt wird, wird die Probe mit "6,0" bewertet. Die Skala ist nicht linear, so daß die Schwere des Bruchs mit fortschreitender Bewertung von 1 bis 6 sehr rasch zunimmt.
- Praktische Beispiele, die die Bedeutung der Harzzusammensetzung für das Produktverhalten zeigen, können hergestellt werden durch Transfermetallisieren von kaolinbeschichteter Buchrückenpappe (CCNB-Pappe) entweder mit Primaco® 3440 Ethylen-Acrylsäure-Copolymerharz ("EAA"), Norchem® 1017 Polyethylen niedriger Dichte ("LDPE") oder Norchem® 1105 Polyethylen hoher Dichte ("HDPE"). Orientierte Polypropylenfolie, die mit 9,3 nm (93 Å) Aluminium metallisiert war, wurde mit 22,0 g/m² jedes der vorgenannten Harze auf 0,53 mm (21 mil) dicke CCNB-Pappe laminiert. Zum Vergleich wurde orientierte Polypropylenfolie, die mit 9,3 nm (93 Å) Aluminium metallisiert war, mit 8,1 g/m² eines relativ nichtdehnbaren (d. h. brüchigen), Elektronenstrahl-härtbaren Urethanacrylat-Oligomers ("URAC") laminiert. Nachdem das Harz ausreichend gehärtet war, um eine Haftverbindung mit dem Metall auf der Folie zu bewirken, wurde die Folie abgestreift, so daß eine Pappe mit Metalloberfläche verblieb. Die transfermetallisierten Pappen wurden dann bewertet unter Anwendung sowohl der TAPPI-Rillprüfung T495 om-82 als auch der TAPPI Faltbruchfestigkeitsprüfung T511 su-69. Die Testergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. Harz Bruchdehnung Rillbruchneigung Faltbruchneigung
- Praktische Beispiele für die Auswirkung der Harzzusammensetzung und der Dicke auf die Rillbruchneigung und die Faltbruchneigung können hergestellt werden durch Übertragen von 9,3 nm (93 Å) Aluminium auf formbiegbaren Graukarton (BC-Graukarton) unter Einsatz von Harzen, die einen Bereich von physikalischen Eigenschaften haben. Im Vakuum aufgebrachtes Aluminium wurde auf 0,53 mm (21 mil) dicken formbiegbaren Graukarton übertragen unter Anwendung entweder von Primacor® 3440 Ethylen-Acrylsäure-Copolymerharz, Norchem® 1017 Polyethylen niedriger Dichte, Norchem® 1105 Polyethylen hoher Dichte, Polyvinylacetat ("PVAC") oder eines Elektronenstrahl-härtbaren Urethanacrylat-Oligomers.
- Die metallisierten Kartone wurden unter Anwendung eines BRDA-Rillprüfgeräts oder eines MIT-Faltfestigkeits-Prüfgeräts gerillt. Nach dem Biegen und Falten wurden die metallisierten Oberflächen unter dem Mikroskop auf Brüche untersucht. Die nachstehend aufgeführten Ergebnisse bestätigen, daß der Harztyp die Rillbruchneigung und die Faltbruchneigung von Karton beeinflußt. Die Ergebnisse zeigen außerdem, daß eine zunehmende Harzdicke die Bruchneigung beeinflußt. Es ist zu beachten, daß die Harzdicke in der Tabelle als Harzgewicht pro Flächeneinheit ausgedrückt ist. Rillbruchneigung Faltbruchneigung Harz Gewicht
- Die Beziehung zwischen der Bruchdehnungsbewertung des Harzes, dem verwendeten Harzgewicht und der Rillbruchneigung ist aus der folgenden Tabelle ersichtlich, die die Gewichte pro Flächeneinheit angibt, die erforderlich sind, damit verschiedene Harze auf 533,4 um (21 mil) dickem formbiegbarem Graukarton eine Rillbruchneigung von 1,0 ergeben. Rillbruchneigung Harz Bruchdehnung Gewicht
- Rillbruchneigungswerte für verschiedene Laminate, die wie in den Beispielen 1 und 2 hergestellt wurden, sind in der folgenden Tabelle angegeben. Die Kartonsubstrate sind formbiegbarer Graukarton, in der Tabelle mit BC bezeichnet, und kaolinbeschichtete Buchrückenpappe, in der Tabelle mit CCNB bezeichnet. Die Daten in dieser Tabelle sind nach zunehmender Dicke der Kunststoffbeschichtungsharzschicht in den metallisierten Kartonlaminaten geordnet. Harz Dicke Karton Rillbruchneigung
Claims (8)
1. Kartonlaminat, das zur Verwendung bei der Herstellung von
Faltkonstruktionen geeignet ist, wobei das Laminat folgendes
aufweist:
(a) ein Kartonstützelement,
(b) ein dehnbares Beschichtungskunstharz einer Dicke von
mindestens 8,9 um, daß haftend auf dem
Kartonstützelement vorgesehen ist, und
(c) eine Metallschicht, die haftend auf dem
Beschichtungskunstharz vorgesehen ist,
wobei das dehnbare Beschichtungskunstharz
Ethylen-Acrylsäure-Copolymere aufweist.
2. Laminat nach Anspruch 1, das ferner aufweist:
(d) eine Schutzbeschichtung, die haftend auf der
Metallschicht vorgesehen ist.
3. Laminat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dehnbare
Kunststoffbeschichtung ein Harz aufweist, das einen
Dehnungsnennwert von mindestens 100%, bevorzugt von mindestens
200%, bei Beanspruchung mit einer Geschwindigkeit von
50%/min hat.
4. Laminat nach einem der Ansprüche 1-3, das eine
Rillbruchneigung von weniger als 4, bevorzugt von weniger als 2 hat.
5. Laminat nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die
Metallschicht aus Aluminium besteht.
6. Laminat nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die dehnbare
Kunststoffbeschichtung eine Dicke im Bereich von 8,9 bis
50,8 um und die Aluminiumschicht eine Dicke im Bereich von 5
bis 150 nm, bevorzugt von 15 bis 35 nm, hat.
7. Laminat nach einem der Ansprüche 2-6, wobei die
Schutzbeschichtung ein Urethanharz aufweist.
8. Laminat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das dehnbare Beschichtungskunstharz aus Ethylen-Acrylsäure-
Copolymeren besteht, die mit Polyethylen niedriger Dichte
und Ethylen-Vinylalkohol-Harzen koextrudiert sind.
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