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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf beschichtetes
Verpackungsmaterial, das vor allem für heißverschweißbare
Flüssiglebensmittel-Verpackungen geeignet ist, das einen Kern aus
Papier oder Pappkarton sowie sauerstoff- und
aromaundurchlässige Schutzschichten aus Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer
(EVOH) und Polyamid (PA) umfaßt. Weiterhin bezieht sich die
Erfindung auf ein Herstellungsverfahren desselben und eine
versiegelte Verpackung für Flüssiglebensmittel, die aus
diesem Material hergestellt ist, z. B. ein Milch- oder
Saftkarton.
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Beschichtete Verpackungsmaterialien auf der Basis von Papier
oder Pappkarton, die für Flüssiglebensmittel-Verpackungen
verwendet werden, sind üblicherweise mit einer oder mehreren
Schutzschichten versehen, deren Zweck darin besteht, das
Verderben des verpackten Produkts durch Oxidation zu verhindern
und den Geschmack des Produkts und die darin enthaltenen
Vitamine zu erhalten. Unter polymeren Materialien ist EVOH für
ausgezeichnete Schutzeigenschaften bekannt, aber auch
Polyamid wurde für Flüssigverpackungs-Pappkartons aufgrund seiner
guten Schutzeigenschaften verwendet.
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Ein Beispiel für die Benützung von Polyamid für einen
Flüssigverpackungs-Pappkarton ist in der Offenlegungsschrift FI
86610 beschrieben und dementsprechend ist die Benutzung von
EVOH z. B. in der Offenlegungsschrift FI 89567 beschrieben. In
Übereinstimmung mit beiden Schriften wurde das
Verpackungsmaterial auf beiden Seiten mit einer externen
Heißversiegelungsschicht aus LDPE (Polyethylen geringer Dichte)
beschichtet, so daß die Pappkarton-Schicht und die Schutzschicht aus
Polyamid oder EVOH zwischen den Heißversiegelungsschichten
eingelegt sind. In der Patentschrift US 4 701 360 sind
beschichtete Verpackungsmaterialien für Flüssigverpackungen
bekannt, welche neben einer EVOH-Schicht eine weitere
sauerstoffundurchlässige Schutzschicht z. B. aus Polyamid aufweisen
können. Gemäß der Schrift ist die EVOH-Schicht an der
Oberfläche des Verpackungsmaterials befindlich, so daß sie
ebenfalls als Heißversiegelungsschicht dient. In diesem Fall ist
EVOH in Berührung mit der verpackten Flüssigkeit, was
nachteilig in Hinblick auf die Schutzeigenschaften des Materials
ist im Vergleich zu einer Lösung, bei der die EVOH-Schicht
durch eine separate Heißversiegelungsschicht geschützt wäre.
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In der EP-Schrift 0 318 771 ist eine Verpackungsbeschichtung
offenbart, die EVOH- und Polyamidschichten in Verbindung mit
einer Aluminiumfolie umfaßt. Nach dieser Schrift stellt die
Aluminiumfolie die hauptsächliche Gassperre der Beschichtung
dar, und diese Sperre wurde durch eine EVOH-Schicht
verstärkt, um kleine Risse zu kompensieren, die in der Folie
auftreten können. Gegebenenfalls kann eine Polyamid (Nylon)-
Schicht vorgesehen sein, um Feuchtigkeit zu absorbieren, die
durch die genannten Risse hindurch tritt. Nach der Lehre ist
diese Schicht im allgemeinen nicht notwendig, jedoch
vorteilhaft, wenn die Beschichtung der Gefahr großer externer
Beanspruchungen ausgesetzt ist, d. h. der Gefahr der Entwicklung
von Rissen. Wenn eine Polyamidschicht vorgesehen ist, würde
sie eine Dicke von 15-25 um, vorzugsweise 20 um aufweisen.
Die Aluminiumfolie in einer solchen Beschichtung bildet eine
ausgezeichnete Sauerstoffsperre, jedoch sind die hohen Kosten
der Folie nachteilig.
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Das Problem mit EVOH in Pappkartons für Flüssigverpackungen
ist seine mechanische Schwäche. Beispielsweise muß das
Material während der Herstellung der kartonförmigen Verpackungen
gefaltet werden, was leicht Risse in der EVOH-Schicht
hervorruft, die die Schutzeigenschaften schwächen. Weiterhin neigen
die EVOH-Schichten zur Bildung von Löchern im Bereich ihrer
Verbindungen, wenn die Verpackung heißversiegelt wird. Dies
wird durch Dampfdruck hervorgerufen, der aufgrund der Hitze
von der Pappkartonschicht entweicht und den EVOH nicht
zurückhalten kann. In dieser Hinsicht ist Polyamid ein besseres
Material als EVOH, da es weniger anfällig für Rißbildung
infolge des Faltens ist und ebenfalls vom Pappkarton
freigesetzte Feuchtigkeit absorbieren kann. Da die
Schutzeigenschaften von Polyamid nicht denen von EVOH gleichen, kann es
als solches EVOH nicht ersetzen, aber es wurde versucht,
diese Probleme durch die Kombination von EVOH und Polyamid in
einem Verpackungsmaterial zu lösen. Die Offenlegungsschrift
FI 96752 offenbart daher ein Verfahren zur Lösung des mit der
Bildung von Löchern verbundenen Problems durch eine geeignete
Wahl des Materials für die Schutzschicht, wobei ein Verbund
von EVOH und Polyamid eine der Alternativen bildet. Der Zweck
ist die Erhaltung der Viskosität und Stärke des
Sperrschichtmaterials bei den Heißversiegelungs-Temperaturen. Weiterhin
empfiehlt die Patentschrift US 4 977 004, die einen
Lebensmittelverpackungs-Pappkarton offenbart, der zwei separate
EVOH-Schichten aufweist, die Verbindung von EVOH und Polyamid
zur Verbesserung der Viskosität der Schicht. Jedoch besteht
ein Nachteil dieser Lösungen darin, daß die
Schutzeigenschaften von EVOH infolge des verbundenen Polyamids beeinträchtigt
sind. Der beste Weg, das Material sauerstoff- und
aromaundurchlässig zu machen, besteht darin, eine kontinuierliche,
im wesentlichen reine EVOH-Schicht im Verpackungsmaterial
vorzusehen. Weiterhin wurde entdeckt, daß die Verbindung von
EVOH und Polyamid schwieriger zu extrudieren ist als reine
polymerische Materialien, hauptsächlich aufgrund der Neigung
der Verbindung zum gelieren.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für
die Verbindung von EVOH und Polyamid speziell in
beschichtetem Verpackungsmaterial für Flüssiglebensmittel ohne die oben
genannten Nachteile bereitzustellen. Daher ist es die Aufgabe
der Erfindung, die Bildung von Löchern in der EVOH-
enthaltenden Schicht zu verhindern und gleichzeitig die Menge
von Polymer in den Schichten so niedrig wie möglich zu
halten.
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Die oben genannten Ziele werden erreicht durch ein
beschichtetes Verpackungsmaterial 1 vor allem für heißverschweißbare
Flüssiglebensmittel-Verpackungen, das einen Kern 3 aus Papier
oder Pappkarton sowie sauerstoff- und aromaundurchlässige
Schutzschichten 4, 5, die aus Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer
und Polyamidschichten bestehen, umfaßt, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gewicht der Polyamidschicht 4 im Bereich von 1
bis 8 g/m² liegt, daß die Schicht 5 aus Ethylen-Vinylalkohol-
Copolymer und die Schicht 4 aus Polyamid ohne adhäsive
Zwischenschicht miteinander verbunden sind, und daß das Material
polymere Heißversiegelungsschichten 2, 7 an beiden Seiten
umfaßt, so daß der Kern 3 und die Schutzschichten 4, 5 zwischen
den Heißversiegelungsschichten angeordnet sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde,
daß die ausgezeichneten Schutzeigenschaften von EVOH und die
Viskosität und Abwesenheit von Löchern in Polyamid ohne
Beeinträchtigung einer dieser Eigenschaften kombiniert werden
können, indem die Schutzschichten aus den genannten
Materialien direkt miteinander, ohne eine adhäsive Zwischenschicht
wie beispielsweise einer Surlyn-Schicht, die üblicherweise
zur Aneinanderhaftung verschiedener Schichten in
Flüssigverpackungs-Pappkartons verwendet wird, verbunden werden. Die
gute Haftung der EVOH und Polyamidschichten, die in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beobachtet wird,
beruht möglicherweise teilweise auf einer chemischen Reaktion
zwischen Polymeren und teilweise auf Polarität, d. h. die
Verbindung von negativ geladenem EVOH und positiv geladenem
Polyamid. Die Abwesenheit der adhäsiven Schicht reduziert die
Anzahl der Schichten im Vergleich zu anderen herkömmlichen
Vielschichtanordnungen, folglich wird der Extrusionsprozeß
einfacher und führt zu einer Materialersparnis. Die
Materialersparnis und das leichtere Material können auch deshalb
erreicht werden, weil die notwendigen Schutzeigenschaften und
die Abwesenheit von Löchern mit kleineren Mengen von EVOH und
Polyamid als bisher erzielt werden können. Im allgemeinen
haben die beschichteten polymeren Schichten aus Pappkarton
möglicherweise negative Auswirkungen auf den Geruch und
Geschmack eines Produkts, und daher dient die Erfindung dem
allgemeinen Ziel, die Menge von Polymeren in
Verpackungsmaterialien so niedrig wie möglich zu halten. Das
Verpackungsmaterial der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls die
Sterilisationsprozesse beim keimfreien Verpacken überstehen.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist es
charakteristisch für EVOH und Polyamid, daß sie miteinander oder
mit einem Kern aus Papier oder Pappkarton ohne adhäsive
Zwischenschicht verbunden werden können. Statt dessen kann eine
adhäsive Schicht zwischen den Schutzschichten und der
Heißversiegelungsschicht auf der Materialoberfläche notwendig
sein. Die Heißversiegelungsschichten auf beiden Seiten des
Materials können vorteilhafterweise aus Polyolefin, wie
beispielsweise LDPE bestehen. Beispielsweise können Surlyn oder
mit Maleinsäureanhydrid modifiziertes LDPE als adhäsives
Material verwendet werden.
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Falls die Schutzschichten im Verpackungsmaterial so
angeordnet sind, daß die Polyamidschicht näher am Papier- oder
Pappkartonkern liegt, so beschützt das Polyamid die EVOH-Schicht
durch das Aufnehmen und Absorbieren von Feuchtigkeit, die von
der Pappkartonschicht bei der Hitzeversiegelung freigesetzt
wird. Die EVOH-Schicht ist gegen die Bildung von Löchern
geschützt und sie behält ihre Undurchdringlichkeit für
Sauerstoff und Aroma in den Verbindungen. Es ist jedoch ebenfalls
möglich, die EVOH-Schicht gegen den Papier- oder
Pappkartonkern zu plazieren, was weniger vorteilhaft für die Festigkeit
der Schichten ist, andererseits jedoch den Vorteil
ausgezeichneter Haftung von EVOH auf Papier oder Pappkarton
aufweist. In diesem Fall müssen keine Grenzen hinsichtlich der
Qualität des im Verpackungsmaterial benutzten Papiers oder
Pappkartons gesetzt werden.
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In Bezug auf die Schutzeigenschaften ist eine Polyamidmenge
im Verpackungsmaterial von 1-8 g/m², vorzugsweise 2-5 g/m²
ausreichend, und entsprechend eine EVOH-Menge von 1-8 g/m²,
vorzugsweise 2-5 g/m². In bekannten Verpackungsmaterialien
mit einer Schutzschicht entweder aus EVOH oder Polyamid haben
die üblichen Mengen 6-8 g EVOH/m² und 8-10 g PA/m² betragen.
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Daher erhöhen die separaten, gegenüberliegenden EVOH- und
Polymerschichten im Verpackungsmaterial der vorliegenden
Erfindung nicht die Menge von Polymer, die von den Schutzschichten
des Verpackungsmaterials benötigt werden, sondern können im
Gegenteil dazu beitragen, diese zu reduzieren. Die Menge von
Polymer in der Heißversiegelungsschicht kann 5-50 g/m² auf
beiden Seiten des Materials betragen.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur
Herstellung des genannten beschichteten Verpackungsmaterials, bei
dem Polymerschichten durch Extrusion auf einem Papier- oder
Pappkartonkern angebracht werden, zeichnet sich dadurch aus,
daß EVOH und Polyamid als aufgeschmolzene Bahnen
gegeneinander plaziert werden, wonach sie zum Kern in einer
kombinierten Schicht befördert werden. Die Sperrmaterialien haben dann
ausreichend Zeit, wirksam amalgamiert zu werden, bevor sie
auf das Papier oder den Pappkarton treffen und danach
erstarren.
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Eine Flüssiglebensmittelverpackung nach der vorliegenden
Erfindung, die aus dem genannten Verpackungsmaterial durch
Heißversiegelung hergestellt ist, ist typischerweise ein
verschlossener Karton von im wesentlichen rechteckiger Form, und
kann beispielsweise Milch, Sahne, Sauermilch, Joghurt, Saft
oder Wein enthalten. Es wird darauf hingewiesen, daß die
polymeren Schutzschichten nicht nur bei einer ungeöffneten
Verpackung als Sauerstoff- oder Aromasperre wirken, sondern
ebenfalls dazu beitragen, das Produkt sogar nach der Öffnung
der Verpackung vor dem Verderb zu schützen.
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Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen unter
Zuhilfenahme von Ausführungsbeispielen und Vergleichsversuchen sowie
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht eines beschichteten
Verpackungsmaterials entsprechend der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 eine schematische Ansicht eines weiteren
beschichteten Verpackungsmaterials nach der vorliegenden
Erfindung; und
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Fig. 3 beschreibt die Extrusion von Polymerschichten in
dem Material und ihr Aufbringen auf den Pappkarton.
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Die zweite Oberflächenschicht 2 des Verpackungsmaterials 1
der vorliegenden Erfindung, welche die äußere Oberfläche der
herzustellenden Verpackung bildet und als eine
Heißversiegelungsschicht in der Verpackung wirkt, besteht aus Polyethylen
geringer Dichte (LDPE). Danach folgt der Kern 3, der aus
Pappkarton, z. B. chemothermisch-mechanischem Zellstoff
(CTMP), hergestellt ist. Danach folgen die sauerstoff- und
aromaundurchlässigen Schutzschichten 4, 5, die miteinander
und mit dem Pappkartonkern 3 ohne adhäsive Zwischenschichten
verbunden sind. In der Ausführung nach Fig. 1 besteht die
gegen den Kern 3 plazierte Schutzschicht 4 aus Polyamid (PA),
und die zweite, an der Polyamidschicht haftenden
Schutzschicht 5 besteht aus Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH).
Die EVOH-Schicht 5 wird von einer adhäsiven Schicht 6
beispielsweise aus mit Maleinsäureanhydrid modifiziertem LDPE
gefolgt, deren Zweck darin besteht, die EVOH-Schicht an die
zweite Oberflächenschicht 7 des Materials, bestehend aus
LDPE, zu binden. Während der Verbindung dient die genannte
Oberflächenschicht 7 als eine Heißversiegelungsschicht zum
Verbinden der zweiten Oberflächenschicht 2, und sie bildet
eine innere Oberfläche, welche in Berührung mit der in der
fertigen Verpackung enthaltenen Flüssigkeit ist.
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Das Verpackungsmaterial 1 aus Fig. 2 ist ähnlich dem aus
Fig. 1, abgesehen von der Reihenfolge der Schutzschichten 4, 5
aus EVOH und Polyamid. In Fig. 2 ist eine EVOH-Schicht 5
direkt gegen den Pappkartonkern plaziert, wobei die folgende
Polyamidschicht 4 mit der heißverschweißbaren LDPE-Schicht 7,
welche die innere Oberfläche in der Verpackung bildet, durch
eine adhäsive Schicht 6 verbunden ist.
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In Fig. 3 ist die Herstellung des Verpackungsmaterials 1
gemäß Fig. 1 durch Extrudieren der Polymerschichten 2, 4-7 auf
eine fortlaufende Pappkartonbahn 3, die den Materialkern
bildet, schematisch dargestellt, wobei der Extrusionsprozess mit
Hilfe von Rollen 8 gesteuert wird. Vor der Beschichtung
erfährt die Pappkartonbahn 3 eine Koronabehandlung 9. Die vier
überlagerten und auf dem Pappkarton anzubringenden
Polymerschichten 4-7 werden jeweils von ihren eigenen Behältern 10-
13 zu einer Düse 14 geführt, die die geschmolzenen Polymere
in Schichten miteinander amalgamiert und die Polymere zum
Pappkarton 3 in einer kombinierten Bahn 15 zuführt. Die
Extrusion einer polymeren Heißversiegelungsschicht 2, die auf
der entgegengesetzten Seite der Pappkartonbahn 3 anzubringen
ist, nicht gezeigt in Fig. 3, kann im wesentlichen in
ähnlicher Weise erfolgen. Die Menge des zu extrudierenden Polymers
kann z. B. 2-10 g/m² in der Schutzschicht 4, 2-10 g/m² in der
Schutzschicht 5, 3-10 g/m² in der adhäsiven Schutzschicht 6,
10-50 g/m² in der dem Material entgegengesetzten
Heißversiege
lungsschicht 2, die nicht in Fig. 3 gezeigt ist, betragen.
Das Gewicht des Pappkartonkerhs 3 kann 200-400 g/m² betragen.
Vergleichsversuche
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Ein beschichtetes Verpackungsmaterial gemäß der Erfindung
wurde in Übereinstimmung mit Fig. 1 aus einer LDPE-Schicht 2
mit einem Gewicht von 20 g/m², einer Pappkartonschicht 3,
einer Polyamidschicht 4 mit einem Gewicht von 5g/m², einer
EVOH-Schicht 5 mit einem Gewicht von 5 g/m², einer adhäsiven
Schicht 6 mit einem Gewicht von 5 g/m², und einer LDPE-Schicht
7 mit einem Gewicht von 41 g/m² hergestellt. Dieses wurde mit
drei Referenzmaterialien verglichen, von denen das erste
(Referenzmaterial 1) eine LDPE-Schicht mit einem Gewicht von
14 g/m², eine Pappkartonschicht, eine EVOH-Schicht mit einem
Gewicht von 5 g/m², eine adhäsive Schicht mit einem Gewicht
von 6 g/m² und einer LDPE-Schicht mit einem Gewicht von 45 g/m²
aufwies; das zweite (Referenzmaterial 2) umfaßte eine LDPE-
Schicht mit einem Gewicht von 20 g/m², einer
Pappkartonschicht, eine Polyamidschicht mit einem Gewicht von 5 g/m²,
eine adhäsive Schicht mit einem Gewicht von 6 g/m² und eine
LDPE-Schicht mit einem Gewicht von 41 g/m²; und das dritte
(Referenzmaterial 3) umfaßte eine LDPE-Schicht mit einem
Gewicht von 20 g/m², eine Pappkartonschicht, eine Schutzschicht,
die in Form einer Verbindung 47.5% EVOH, 47.5% Polyamid und
5% Ethylen-Methylacrylat-Copolymer umfaßte, mit einem
Gewicht von 5 g/m², eine adhäsive Schicht mit einem Gewicht von
6 g/m² und eine LDPE-Schicht mit einem Gewicht von 41 g/m².
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Von den genannten Materialien wurde zuerst die
Sauerstoffdichte bestimmt, indem die Menge von Sauerstoff gemessen
wurde, welche das Material bei 23ºC pro Quadratmeter der
Ober
fläche innerhalb von 24 Stunden als Mittelwert der
Durchdringung von 2-4 Testproben durchdringt. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
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Die Anfälligkeit des Materials für die Bildung von Löchern im
Heißversiegelungsprozeß wurde anschließend mit einem
sogenannten Blasentest geprüft, bei dem Anblasen mit heißer Luft
angewandt wurde. Der Test wurde wie folgt durchgeführt:
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Die zu prüfende Materialprobe wurde an einem Gestell
angebracht, das sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von
200 mm/s unter dem Einfluß des Anblasens heißer Luft vorwärts
und rückwärts bewegte. Der Abstand des Gebläses zur
Oberfläche der Materialprobe betrug 7 mm, die Temperatur der
Gebläseluft 350ºC und die relative Feuchtigkeit 100%. Das
Anblasen führte zum Schmelzen des Kunststoffs. Zur Bestimmung der
Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber Löcherbildung
wurde dann ermittelt, wieviele Male das Material das Gebläse
passierte, bevor sich die ersten Löcher bildeten, und wie
sich die Löcherbildung mit der weiteren Bewegung entwickelte.
Die Löcherbildung des Materials wurde ausgewertet und auf
einer vierstufigen Skala wie folgt bewertet:
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E = unbeschädigt; H = sehr wenige Löcher; V = einige wenige
Löcher; und P = viele Löcher. Die Ergebnisse sind in Tabelle
2 gezeigt.
Tabelle 2
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Die Ergebnisse zeigen, daß Verpackungsmaterial der
vorliegenden Erfindung besser als die drei Referenzmaterialien ist.
Die Überlegenheit war besonders auffällig im Blasentest, der
die Anfälligkeit des Materials gegenüber Löcherbildung mißt
und in dem das Material der Erfindung 10 Durchgänge (5 Hin-
und Herbewegungen) unter dem Anblasen heißer Luft ohne
Löcherbildung überstand. Der Test wurde nicht darüber hinaus
fortgesetzt, da der Pappkartonkern des Materials begonnen
hätte zu verkohlen. In allen drei Referenzmaterialien wurde
Löcherbildung spätestens nach 6 Durchläufen beobachtet, und
insbesondere das Referenzmaterial 1, das die reine EVOH-
Schicht umfaßte, war bereits nach 7 Durchläufen infolge
häufiger Löcherbildung vollständig beschädigt.
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Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die obigen Beispiele
beschränkt sind, sondern innerhalb des Bereichs der
beigefügten Patentansprüche variieren können.