БЕЗВРЕДНАЯ ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МНОГОСЛОЙНАЯ ЭЛАСТИЧНАЯ ПЛЕНКА, ОБЛАДАЮЩАЯ БАРЬЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ
ECOLOGICALLY SAFE MULTILAYER ELASTIC FILM WITH BARRIER PROPERTIES

Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к биоразлагающемуся эластичному упаковочному материалу на основе биологических веществ, который может применяться при упаковывании пищевых продуктов, и к способу изготовления упаковочного материала на основе биологических веществ. Изобретение также относится к многослойной пленке, содержащей вторичное волокно из отходов, создаваемых продуктами и изделиями, которая может применяться для упаковывания пищевых продуктов.
Описание известного уровня техники
В эластичных упаковках часто используют многослойные пленки из продуктов на нефтяной основе (например, см. US 6080478), источником которых являются ископаемые виды топлива, когда востребованы их выгодные барьерные, герметизирующие свойства и свойства графического отображения информации. Барьерные свойства у одного или нескольких слоев важны для защиты находящегося внутри упаковки продукта от света, кислорода или влаги. Они необходимы, например, для защиты пищевых продуктов, которые подвержены риску потери вкуса и аромата, потери свежести или порчи в случае недостаточных барьерных свойств, предотвращающих пропускание внутрь упаковки света, кислорода или влаги. Помимо этого барьерные свойства также предотвращают нежелательное вымывание продукта наружу упаковки. Например, у маслянистых пищевых продуктов, таких как картофельные чипсы, часть масла способна вымываться в пленку упаковки. Герметизирующие свойства важны для обеспечения возможности формирования воздухонепроницаемого или герметичного уплотнения у эластичной упаковки. Без герметичного уплотнения неэффективны какие-либо барьерные свойства пленки, препятствующие пропусканию кислорода, влаги или прохождению наружу аромата продукта, находящегося внутри. Необходима возможность графического отображения информации, поскольку она позволяет потребителю быстро идентифицировать продукт, который он желает приобрести, дает возможность производителям пищевых продуктов указывать содержание питательных веществ в упакованном пищевом продукте и облегчает размещение на продукте сведений о цене, таких как штрих-коды.
Одна из известных из уровня техники многослойных или композитных пленок, применимая для упаковывания картофельных чипсов и подобных продуктов, показана на фиг.1, на которой схематически представлено поперечное сечение многослойной пленки 100 и проиллюстрирован каждый отдельный самостоятельный слой. Каждый из этих слоев действует определенным образом с целью обеспечения необходимых барьерных, герметизирующих свойств и возможностей графического отображения информации. Например, графический слой 114 обычно используется для графического отображения информации, которая может быть напечатана на обороте и быть видна через прозрачный наружный базовый слой 112. Если только не указано иное, по всему описанию одинаковые или идентичные элементы обозначены одинаковыми позициями. Наружный базовый слой 112 обычно содержит ориентированный полипропилен ("ОРР") или полиэтилентерефталат ("PET"). Металлический слой, расположенный на внутреннем базовом слое 118, обеспечивает требуемые барьерные свойства. Как было обнаружено и хорошо известно из уровня техники, в результате металлизации полиолефина на нефтяной основе, такого как ОРР или PET, прохождение влаги и кислорода через пленку уменьшается приблизительно на три порядка величины. ОРР на нефтяной основе обычно используется в базовых слоях 112, 118 из-за своей более низкой стоимости. Герметизирующий слой 119, расположенный на слое 118 из ОРР, способствует формированию герметичного уплотнения при более низкой температуре, чем температура плавления ОРР. Желателен герметизирующий слой 119 с более низкой точкой плавления, поскольку плавление металлизированного ОРР с целью формирования уплотнения отрицательно сказывается на барьерных свойствах. Типичные известные из уровня герметизирующие слои 119 содержат сополимер этилена и пропилена и тройной сополимер этилена и пропилена и бутена-1. Для склеивания наружного базового слоя 112 с внутренним обращенным к продукту базовым слоем 118 обычно требуется клей или связующий слой 115 обычно из экструдированного полиэтилена. Таким образом, в композитной или многослойной пленке обычно необходимы по меньшей мере два базовых слоя из полипропилена.
Другими материалами, используемыми при упаковывании, обычно являются такие материалы, как сложный полиэфир, экструдированные полиолефины, клеевые ламинаты и другие подобные материалы или многослойное сочетание перечисленных материалов. На фиг.2 схематически представлено формование материала, в ходе которого по отдельности изготавливают слои 112, 118 упаковочного материала из ОРР, а затем в устройстве 200 для экструзионного ламинирования формуют из них готовый материал 100. С рулона 212 подают слой 112 из ОРР, содержащий графику 114, нанесенную ранее известным способом, таким как флексографическая печать или ротационная глубокая печать, а с рулона 218 подают слой 118 из ОРР. В тоже время через экструдер 215b подают смолу для связующего слоя 115 из РЕ в бункер 215а, в котором ее нагревают примерно до 600°F и через мундштук 215 с экструдируют в виде расплавленного полиэтилена 115. Этот расплавленный полиэтилен 115 экструдируют со скоростью, согласующейся со скоростью, с которой подают материалы из 112, 118 ОРР на нефтяной основе, в результате чего он оказывается между этими двумя материалами. Затем слоистый материал 100 перемещается между охлаждающим цилиндром 220 и зажимным валком 230, в результате чего получают равномерный слой по мере его охлаждения. Давление между валками ламинатора обычно устанавливают в интервале от 0,5 до 5 фунтов на погонный дюйм по ширине материала. Более крупный охлаждающий цилиндр 220 из нержавеющей стали охлаждается примерно до 50-60°F с тем, чтобы быстро охлаждать материал, но не позволять образовываться конденсату. Меньший зажимной валок 230 обычно изготовлен из резины или другого упругого материала. Следует отметить, что слоистый материал 100 продолжает контактировать с охлаждающим цилиндром 220 в течение определенного времени после прохождения через валки, чтобы смола могла эффективно охладиться. Затем материал может быть намотан на рулоны (не показаны) для транспортировки до места применения при упаковывании. Обычно экономически выгодно формировать из материала широкие листы, которые затем с помощью тонких устройств для продольной резки разрезают на полосы желаемой ширины по мере разматывания материала для отгрузки.
После формования и резки материала на полосы желаемой ширины он может быть загружен в вертикальный формовочно-фасовочно-укупорочный автомат, используемый при упаковывания многих продуктов, которые расфасовывают этим способом. На фиг.3 проиллюстрирован пример вертикального формовочно-фасовочно-укупорочного автомата, который может использоваться для расфасовки закусочных продуктов, таких как чипсы. Это изображение упрощено и на нем не показаны корпус и несущие конструкции, которые обычно окружают такой автомат, но хорошо показано, как работает автомат. Упаковочная пленка 310 поступает с рулона 312 пленки и проходит через натяжные приспособления 314, которые обеспечивают ее натяжение. Затем пленка проходит через формующее устройство 316, которое по мере формования вертикального рукава направляет пленку вокруг выводного цилиндра 318 для продукта. Этот выводной цилиндр 318 для продукта обычно имеет круглое или отчасти овальное поперечное сечение. По мере того как приводные ремни 320 протягивают рукав упаковочного материала вниз, вертикальное запечатывающее устройство 322 герметизирует края пленки по длине, в результате чего образуется изнаночное уплотнение 324. Затем автомат прижимает к рукаву пару термосварочных клещей 326, чтобы сформировать поперечное уплотнение 328. Это поперечное уплотнение 328 служит верхним уплотнением для мешка 330 под сварочными клещами 326 и нижним уплотнением для мешка 332, заполняемого и формируемого над клещами 326. После формирования поперечного уплотнения 328 герметизированный участок разрезают, чтобы отделить готовый мешок 330 под клещами 328 от частично готового мешка 332 над уплотнением. Затем пленку протягивают вниз, чтобы вытянуть ее на длину следующей упаковки. До того как сварочные клещи формируют каждое поперечное уплотнение, упаковываемый продукт проваливается через выводной цилиндр 318 для продукта и останавливается внутри рукава над поперечным уплотнением 328.
На долю известных из уровня техники эластичных пленок приходится относительно небольшая часть образующихся отходов по сравнению с упаковками других типов. В связи с этим их экономически невыгодно утилизировать с учетом необходимых затрат энергии на сбор, отделение и очистку использованных упаковок из эластичных пленок. Кроме того, поскольку пленки на нефтяной основе обладают устойчивостью к воздействию окружающей среды, они имеют относительно низкую скорость разложения. Следовательно, выброшенные упаковки, которые по небрежности оказываются вне планируемых потока отходов, в течение относительно длительного времени могут выглядеть как неприглядный мусор. Кроме того, такие пленки способны в течение длительного времени сохраняться в мусорных свалках. Другим недостатком пленок является то, что они изготовлены из нефти, которая многими считается ограниченным невозобновляемым ресурсом. К тому же, стоимость пленок является неустойчивой, поскольку она привязана к цене на нефть.
Таким образом, существует потребность в биоразлагающейся эластичной пленке, изготовленной из возобновляемых ресурсов и/или повторно используемого материала. В одном из вариантов осуществления такая пленка должна быть безопасной для пищевых продуктов и обладать требуемыми барьерными свойствами для сохранения пищевого продукта длительного хранения с низким содержанием влаги в течение длительного времени без потери продуктом свежести. Пленка должна обладать требуемыми свойствами герметизируемости и коэффициента трения, позволяющими использовать ее в существующих вертикальных формовочно-фасовочно-укупорочных автоматах. Кроме того, в пленке из повторно используемого материала должно быть уменьшено количество полиолефинов на нефтяной основе, необходимых для получения пленки.
Краткое изложение сущности изобретения
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена обладающая барьерными свойствами многослойная пленка, каждый из двух или более слоев которой представляет собой пленку на основе биологических веществ. Согласно одной из особенностей предложенная в настоящем изобретении многослойная упаковочная пленка имеет наружный слой из пленки на основе биологических веществ, связующий (клеевой) слой, приклеенный к наружному слою и обращенный к продукту слой из обладающей барьерными свойствами пленки на основе биологических веществ. Согласно одной из особенностей пленка на основе биологических веществ представляет собой бумагу, содержащую вторичное волокно из отходов, создаваемых продуктами и изделиями, полилактид (PLA) и полигидроксиалканат (polyhydroxy-alconoate) (PHA). Согласно одной из особенностей связующий слой представляет собой пленку на основе биологических веществ.
Таким образом, в настоящем изобретении предложена многослойная пленка с барьерными свойствами, которая изготовлена преимущественно из возобновляемых ресурсов. Кроме того, в одном из вариантов осуществления существенная часть пленки является биоразлагающейся.
В другом варианте осуществления связующий слой содержит полимер, обладающий желаемой характеристикой текучести, за счет чего под действием давления и тепла во время герметизации с помощью сварочных клещей по мере поперечного перемещения потока полимера внутри связующего слоя слоистая пленка может утончаться на участках, на которых она имеет больше слоев, и утолщаться на соседнем участке, на котором она имеет меньше слоев. В таком варианте осуществления сводится к минимуму или исключается капиллярное поровое пространство, образующееся в пищевом контейнере на бумажной основе с приемлемыми барьерными свойствами и высокой степенью герметизируемости за счет применения меньшего количества полиолефинов на нефтяной основе.
Перечисленные, а также дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения раскрыты в следующем далее подробном описании.
Краткое описание чертежей
В прилагаемой формуле изобретения содержатся элементы новизны, считающиеся отличительными признаками изобретения. Вместе с тем само изобретение, а также предпочтительный вариант его осуществления, его дополнительные задачи и преимущества будут лучше всего поняты из следующего далее подробного описания пояснительных вариантов осуществления в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
на фиг.1 показано поперечное сечение одного из примеров известной из уровня техники упаковочной пленки,
на фиг.2 показан пример формования известной из уровня техники упаковочной пленки,
на фиг.3 показан вертикальный формовочно-фасовочно-укупорочный автомат, известный из уровня техники,
на фиг.4а показано увеличенное поперечное сечение комбинированной многослойной упаковочной пленки, изготовленной согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.4б схематически показано увеличенное поперечное сечение комбинированной многослойной упаковочной пленки, изготовленной согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.5а схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.5б схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.6а схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной из повторно используемых материалов согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.6б показан увеличенный вид сверху в поперечном сечении известной из уровня техники герметизированной упаковки, на котором проиллюстрированы проблемные области контейнера со сварным швом, соединяющим края материала, в которых обычно возникают утечки через точечные проколы,
на фиг.7а схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной из повторно используемых материалов согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.7в показан увеличенный вид сверху в поперечном сечении пересечения трех слоев слоистой упаковочной пленки согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг.7в схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной из повторно используемых материалов согласно одному из вариантов осуществления изобретения, и
на фиг.8 схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной из повторно используемых материалов согласно одному из альтернативных вариантов осуществления изобретения.
Подробное описание
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложено применение пленки на основе биологических веществ в качестве по меньшей мере двух слоев упаковки из многослойной эластичной пленки. Используемый в изобретении термин "пленка на основе биологических веществ" означает полимерную пленку, по меньшей мере 80% по весу которой изготовлено из сырья не на нефтяной основе или из возобновляемого биологического сырья. В одном из вариантов осуществления примерно до 20% пленки на основе биологических веществ может представлять собой обычный полимер, источником которого является нефть.
Одним из недостатков пластиковых пленок на основе биологических веществ является то, что такие пленки имеют плохую влагостойкость и противокислородные барьерные свойства. В результате, до настоящего времени при упаковывании невозможно было использовать исключительно такие пленки. Кроме того, многие биоразлагающиеся пленки являются ломкими и менее эластичными, чем ОРР, который обычно используется в упаковках из эластичных пленок. В связи с этим в процессе обращения с контейнерами, изготовленными исключительно из биоразлагающихся пленок, возникает больше шума, чем в случае известных из уровня техники пленок.
Многие из этих недостатков могут быть сведены к минимуму или исключены за счет применения "комбинированной" пленки.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложено применение пленки на основе биологических веществ, содержащей повторно используемый материал по меньшей мере в качестве одного из слоев упаковки из многослойной эластичной пленки. В одном из вариантов осуществления предложена эластичная пленка, имеющая наружный бумажный слой, содержащий волокно, регенерированное из отходов, создаваемых продуктами и изделиями ("PCR", от английского - post consumer reclaim). Используемый в изобретении термин "волокно PCR" означает волокно, полученное из вторичной бумаги. Используемый в изобретении термин "бумага PCR" означает бумагу, полученную из материала на основе целлюлозы, содержащей волокно PCR.
На фиг.4а схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки 400а, изготовленной из повторно используемых материалов согласно одному из вариантов осуществления изобретения. Многослойная пленка 400а, проиллюстрированная на фиг.4а, является комбинированной пленкой, поскольку она содержит как биоразлагающуюся пленку на основе биологических веществ, представляющих собой повторно используемые материалы в виде бумаги 402а PCR, так и стабильную металлизированную пленку 418 на основе ОРР. Примеры металлизированных пленок 418 на основе ОРР, имеющие герметизирующий слой 419, которые могут применяться в настоящем изобретении, включают пленки PWX-2, PWX-4, PWS-2 производства компании Toray Plastics (Норт-Кингстаун, штат Род-Айленд, США) или пленки MU-842, Met НВ или METALLYTE производства компании Еххоn-Mobil Chemical.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4а, наружный базовый слой 402а содержит бумагу PCR. В одном из вариантов осуществления наружный базовый слой 402а содержит безопасную для пищевых продуктов бумагу PCR. Используемый в изобретении термин "безопасная для пищевых продуктов бумага PCR" означает отсутствие каких-либо вредных или ядовитых веществ (таких как флуоресцентные отбеливающие вещества), которые способны попадать в пищевые продукты из вторичной бумаги, используемой в упаковках для пищевых продуктов. Согласно требованию управление США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (раздел 21, статья 176.260 Свода федеральных нормативных актов США) в упаковках для пищевых продуктов из вторичной бумаги не допускается присутствие каких-либо вредных или ядовитых веществ, которые способны попадать из нее в пищевые продукты. Безопасная для пищевых продуктов бумага PCR может быть получена из сырья на основе вторичной бумаги, как это описано в публикации патентной заявки US 2005/0194110 и патентах US 6294047 и 6387211. Подразумевается, что все упоминания "бумаги PCR" в настоящей заявке в прямой форме относятся к "безопасной для пищевых продуктов бумаге PCR".
Волокно PCR может добавляться в первичное волокно в ходе обычных стандартных операций бумажного производства на стадии смешивания в жидком состоянии. Волокно PCR или волокно PCR и первичное волокно сушат с помощью раскатного цилиндра, чтобы сформовать бумажный лист. Таким образом, волокно PCR полностью или частично заменяет первичное волокно. В одном из вариантов осуществления наружный базовый слой 402а содержит бумагу PCR, которая дополнительно содержит от около 5 до около 100% волокна PCR по весу наружного базового слоя 402. Кроме того, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена многослойная пленка 400а, содержащая бумагу PCR, при этом многослойная пленка 400а содержит от около 1,25 до около 70% волокна PCR по общему весу многослойной пленки 400а.
В отличие от листов пленки из пластика, толщину которых измеряют в единицах длины, толщину бумаги измеряют в фунтах на стопу бумаги, что соответствует весу 432000 кв. дюймов пленки. В одном из вариантов осуществления толщина наружного базового слоя 402а составляет от около 15 до около 30 фунтов на стопу бумаги. В одном из вариантов осуществления доля бумаги PCR составляет от около 25% до около 70%, более предпочтительно около 50% по весу слоистой пленки 400а.
Из листа бумаги PCR может быть изготовлена многослойная пленка как из большей части термопластичных полимеров. Например, в одном из вариантов осуществления бумагу PCR направляют в переработчик для печати и ламинирования. Как показано на фиг.4а, на наружной стороне наружного базового слоя 402а печатают графическое изображение 414а. Печать может осуществляться любым из нескольких обычных способов (флексографической печати, ротационной глубокой печати, офсетной печати и т.д.). Одним из недостатков пленок из вторичной бумаги является их плохая влагостойкость и противокислородные барьерные свойства. В результате, в настоящее время при упаковывании пригодных для длительного хранения пищевых продуктов с низким содержанием влаги невозможно использовать исключительно такие пленки. Следовательно, связующий слой 415 может использоваться для "приклеивания" листа 402а бумаги PCR к металлизированной пленке 418 из ОРР или другому слою с барьерными свойствами, имеющему герметизирующий слой 419, путем обычного экструзионного ламинирования (с использованием расплавленного полиэтилена или аналогичного материала) или путем адгезионного ламинирования (с использованием или без использования растворителей).
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4а, внутренний герметизирующий слой 419 может быть подогнут, а затем герметизирован, чтобы получить рукав со сварным швом, соединяющим края материала, в качестве изнаночного уплотнения. Сварной шов, соединяющий края материала, выполняют путем воздействия на пленку теплом и давлением. В качестве альтернативы на необходимом участке листа 402а PCR вблизи или поверх графического слоя 414 может быть предусмотрена термочувствительная полоска, позволяющая использовать сварной шов внахлестку.
Известные из уровня техники наружная пленка 112, связующий слой 115 и внутренний базовый слой 118 (как показано на фиг.1) имеют вес, приблизительно составляющий одну треть веса упаковочной пленки каждый. В одном из вариантов осуществления многослойная пленка 400а согласно настоящему изобретению содержит наружную бумагу 402а PCR (как показано на фиг.4а), на долю которой приходится 50% по весу многослойной пленки 400а. Следовательно, может использоваться меньшее количество пленки из ОРР, чем это требовалось ранее, и сокращаться расход ресурсов ископаемого топлива.
В одном из вариантов осуществления общая толщина полиолефиновых пленок, используемых в слоистом слое 415, а также в металлизированном слое 418 из ОРР и герметизирующем слое 419, составляет менее 2,0 мил, более предпочтительно менее около 1,5 мил. Например, как показано на фиг.4а, в одном из вариантов осуществления связующий слой 415 имеет калибр толщины около 70, а металлизированный слой 418 из ОРР и герметизирующий слой в сочетании имеют калибр толщины около 70, в результате чего общая толщина полиолефиновой пленки составляет около 1,4 мил.
2
2
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена пленка, содержащая бумагу PCR, при этом пленка содержит на 25-70% меньше полиолефинов, чем известные из уровня техники пленки, но при этом имеет приемлемые противокислородные барьерные свойства и влагостойкость. В контексте настоящего изобретения пленка с приемлемыми противокислородными барьерными свойствами имеет скорость пропускания кислорода менее около 150 куб. см/м/сутки (ASTM D-3985). В контексте настоящего изобретения пленка с приемлемой влагостойкостью имеет скорость пропускания водяного пара менее около 5 грамм/м/сутки (ASTM F-1249). В контексте настоящего изобретения слой с барьерными свойствами содержит пленку с приемлемой влагостойкостью и противокислородными барьерными свойствами.
На фиг.4б схематически показано увеличенное поперечное сечение комбинированной многослойной упаковочной пленки 400b, изготовленной согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В данном случае вместо ориентированного полипропилена 112, показанного на фиг.1, наружный прозрачный базовый слой содержит биоразлагающуюся пленку 402b на основе биологических веществ.
В одном из вариантов осуществления биоразлагающаяся пленка 402b на основе биологических веществ содержит полимолочную кислоту, также известную как полилактид ("PLA"), который представляет собой биоразлагающийся термопластический алифатический сложный полиэфир, получаемый из молочной кислоты. PLA может быть легко получен в виде высокомолекулярного полимера путем полимеризации с раскрытием цикла лактида/молочной кислоты до PLA с использованием катализатора и тепла.
PLA может быть получен из растительного сырья, включающего соевые бобы, как это описано в публикации патентной заявки US 20040229327, или путем ферментации побочных сельскохозяйственных продуктов, таких как кукурузный крахмал или другого растительного сырья, такого как кукуруза, пшеница или сахарная свекла. Из PLA может быть получена пленка, как и из большинства термопластичных полимеров. PLA обладает физическими свойствами, сходными со свойствами PET, и имеет отличную прозрачность. Пленки из PLA описаны в патенте US 6207792, а смолы из PLA производятся компанией Natureworks LLC (http://www.natureworksllc.com) (Миннетонка, штат Миннесота, США). При разложении PLA образуется двуокись углерода и вода.
В одном из вариантов осуществления биоразлагающаяся пленка 402b на основе биологических веществ содержит полигидроксиалканат ("РНА"), выпускаемый компанией Archer Daniels Midland (Декейтер, штат Иллинойс, США). РНА является полимером, относящимся к классу сложных полиэфиров, и может вырабатываться микроорганизмами (например, Alcaligenes eutrophus) в качестве одной из форм накопления энергии. В одном из вариантов осуществления микробный биосинтез РНА начинается с конденсации двух молекул ацетил-СоА, в результате чего образуется ацетоацетил-СоА, который впоследствии восстанавливается до гидроксибутирил-СоА. Затем гидроксибутирил-СоА используется в качестве мономера для полимеризации РНВ, который является наиболее распространенной разновидностью РНА.
Пленка из слоистого материала, показанная на фиг.4б, может быть получена путем экструдирования листовой пленки из биоразлагающейся пленки 402b на основе биологических веществ. В одном из вариантов осуществления пленку 402b на основе биологических веществ ориентируют в направлении экструзии или противоположном направлении. В одном из вариантов осуществления пленка 402b на основе биологических веществ представляет собой двуосно-ориентированную пленку. Такая двуосно-ориентированная пленка изготавливается в виде пленки из PLA компанией SKC Ltd. (Южная Корея). В одном из вариантов осуществления используемая пленка 402b из PLA имеет калибр толщины от около 70 до около 120. Хотя пленка из PLA представляет собой пленку на основе биологических веществ, чаще всего упоминаемую в настоящей заявке, такая пленка служит лишь одним из примеров пленки на основе биологических веществ, и описание не следует считать ограниченным использованием PLA. Следовательно, термины "пленка из PLA" и "пленка на основе биологических веществ" следует считать взаимозаменяемыми по всему тексту описания, если только не имеются в виду конкретные свойства PLA. На обороте биоразлагающейся пленки 402b на основе биологических веществ одним из известных способов, таким как флексографическая печать или ротационная глубокая печать, печатают графическое изображение 414, чтобы получить графический слой 414. Затем этот графический слой 414 может быть "приклеен" к обращенной к продукту металлизированной пленке 418 на основе ОРР с помощью связующего слоя 415 обычно из экструдированного полиэтилена. Таким образом, известная из уровня техники запечатываемая лента из ОРР заменена биоразлагающейся запечатываемой лентой. В одном из вариантов осуществления пленка 402b на основе биологических веществ имеет множество слоев, улучшающих характеристики печатания и коэффициента трения. В одном из вариантов осуществления пленка 402b на основе биологических веществ имеет один или несколько слоев из PLA.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4б, внутренний герметизирующий слой 419 может быть подогнут и затем герметизирован, чтобы получить рукав со сварным швом, соединяющим края материала, в качестве изнаночного уплотнения. Сварной шов, соединяющий края материала, выполняют путем воздействия на пленку теплом и давлением. В качестве альтернативы на необходимом участке листа 402а PCR вблизи или поверх графического слоя 414 может быть предусмотрена термочувствительная полоска, позволяющая использовать сварной шов внахлестку.
Примеры металлизированных пленок 418 на основе ОРР, имеющие герметизирующий слой 419, которые могут применяться в настоящем изобретении, включают пленки PWX-2, PWX-4, PWS-2 производства компании Toray Plastics (Норт-Кингстаун, штат Род-Айленд, США) или пленки MU-842, Met HB или METALLYTE производства компании Exxon-Mobil Chemical.
Пленка из слоистого материала, показанная на фиг.4б, является комбинированной пленкой, поскольку она содержит как биоразлагающуся пленку 402b на основе биологических веществ, так и стабильную металлизированную пленку 418 на основе ОРР. Тем не менее, одним из выгодных свойств настоящего изобретения является то, что наружная пленка 402b из PLA может иметь большую толщину, чем известные из уровня техники наружные пленки, чтобы довести до максимума использование пленок 402b на основе биологических веществ и биоразлагаемость всей упаковки и одновременно сохранить создаваемое ей "ощущение пакета", которое стало так хорошо знакомо потребителям. Например, если известные из уровня техники наружная пленка 112, связующий слой 115 и внутренний базовый слой 118 имеют вес, приблизительно составляющий одну треть веса упаковочной пленки каждый, в одном из вариантов осуществления слоистый материал согласно настоящему изобретению содержит 50% наружной пленки 402b на основе биологических веществ, 20% связующего слоя 415 и около 30% внутреннего базового слоя 418 из ОРР по весу всей упаковочной пленки. Следовательно, может использоваться меньшее количество пленки 418 из ОРР, чем требовалось ранее, и сокращаться расход ресурсов ископаемого топлива. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена комбинированная пленка, содержащая по меньшей мере примерно на одну четверть меньше, предпочтительно примерно на одну треть - наполовину меньше углерода на основе ископаемого топлива, чем известная из уровня техники пленка, но при этом обладающая приемлемыми барьерными свойствами.
Комбинированная пленка, показанная на фиг.4б, имеет несколько преимуществ. Во-первых, биоразлагающиеся пленки 402b, такие как пленки из PLA, служат отличными запечатываемыми лентами. В отличие от полипропилена в главной цепи молекул PLA содержится кислород. Кислород по своей природе обеспечивает высокую поверхностную энергию, которая способствует прилипанию печатной краски и тем самым уменьшает количество предварительной обработки, необходимой для получения пленки для запечатывания, по сравнению с известными пленками из ОРР. Во-вторых, пленка может быть получена с использованием существующих основных фондов, которые служат для изготовления известных пленок. В-третьих, в комбинированной пленке используется на 25-50% меньше нефти, чем в известных пленках. В-четвертых, пленка является частично разлагаемой, что может способствовать уменьшению неприглядного замусоривания.
На фиг.5а схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки изготовленной согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В данном случае внутренний базовый слой представляет собой тонкий металлизированный барьерный/улучшающий сцепление слой 516а, прилегающий к биоразлагающейся пленке 518а на основе биологических веществ, такой как пленка из PLA, вместо ориентированного полипропилена 118, 418, показанного на фиг.1, 4а и 4б.
Между металлизированным барьерным/улучшающим сцепление слоем 516а и слоем 518а на основе биологических веществ может находиться связующий слой (не показан). Связующий слой позволяет сцеплять друг с другом потенциально несовместимые слои. Связующий слой может быть выбран из малеинового ангидрида, этиленметакрилата ("ЕМА") и этиленвинилацетата ("EVA").
Металлизированный барьерный/улучшающий сцепление слой 516а, прилегающий к пленке 518а на основе биологических веществ, может содержать один или несколько полимеров, выбранных из полипропилена, сополимера этилена и винилового спирта ("EVOH"), сополимера этилена и поливинилового спирта ("PVOH"), полиэтилена, полиэтилентерефталата, нейлона и нанокомпозиционного покрытия. Металлизированный барьерный/улучшающий сцепление слой 516а может быть приклеен к запечатываемой ленте 502 основе биологических веществ любым применимым клеем 515а, таким как LDPE.
Далее приведены формулы EVOH согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Согласно настоящему изобретению может использоваться EVOH в пределах от EVOH с низкой степенью гидролиза до EVOH с высокой степенью гидролиза. В контексте настоящего изобретения EVOH с низкой степенью гидролиза соответствует приведенной выше формуле, в которой n=25. В контексте настоящего изобретения EVOH с высокой степенью гидролиза соответствует приведенной выше формуле, в которой n=80. EVOH с высокой степенью гидролиза обеспечивает противокислородные барьерные свойства, но является более сложным для переработки. В случае металлизации EVOH обеспечивает приемлемую влагостойкость. EVOH может быть совместно экструдирован с PLA 518, после чего EVOH может быть металлизирован известными из уровня техники способами, включающими вакуумное осаждение.
В одном из вариантов осуществления металлизированная пленка 516 содержит металлизированный PET 516, имеющий калибр толщины менее около 10, предпочтительно от около 2 до около 4. PET может быть совместно экструдирован с PLA 518, а затем металлизирован известными способами. В одном из вариантов осуществления металлизированная пленка 516 содержит покрытие из PVOH, которое в виде жидкости наносят на PLA, а затем сушат.
В одном из вариантов осуществления одна или обе пленки 502, 518 на основе биологических веществ состоят только из PLA. В качестве альтернативы в пленку 502 на основе биологических веществ, из которой состоит запечатываемая лента, или в пленку 518 на основе биологических веществ, из которой состоит барьерная лента, в процессе изготовления пленки могут быть включены добавки с целью улучшения свойств пленки, таких как скорость биологического разложения. Например, скорость биологического разложения биоразлагающейся PLA является относительно низкой. Следовательно, куски мусора остаются заметными в течение определенного времени. Для ускорения распада PLA в базовый полимер может быть добавлен крахмал, улучшающий биоразлагаемость конечной пленки. В одном из вариантов осуществления одна или обе пленки 502, 518 на основе биологических веществ содержат от около 1 до около 65% крахмала по весу пленки. Под действием крахмала ориентированная пленка из PLA разлагается на более куски меньшего размера (приблизительно как при пережевывании пищи). Эти куски меньшего размера не так заметны в условиях окружающей среды как мусор и будут быстрее разлагаться за счет большей площади поверхности, которая позволяет влаге просачиваться между слоями многослойной пленки и быстрее разрушать слои. Хотя добавление крахмала рассмотрено выше применительно к двум базовым слоям 502, 518, крахмал может быть добавлен в любой слой на основе биологических веществ, включая любой рассмотренный далее связующий слой на основе биологических веществ. Крахмал также может быть включен в любой экструдированный связующий/клеевой слой.
В одном из вариантов осуществления используемый крахмал представляет собой крахмал, регенерированный из отходов переработки пищевых продуктов. Например, когда картофель нарезают ломтиками, чтобы изготовить картофельные чипсы, до обжаривания ломтиком картофеля их часто промывают с целью удаления поверхностного крахмала и предотвращения их слипания друг с другом. Крахмал, который вымывают из ломтиков картофеля, может быть регенерирован и включен в любой слой на основе PLA. Следовательно, в таком варианте осуществления выгодно снижаются затраты на удаление отходов и в тоже время уменьшается количество PLA, необходимого для упаковочной пленки, так как часть пленки может состоять из регенерированного картофельного крахмала. Поскольку крахмал и PLA относятся к биологическим полимерам, они являются совместимыми. Разумеется, что такой пример регенерированного крахмала приведен в качестве иллюстрации, а не для ограничения.
2
2
Пленка на основе PLA в конечном итоге разлагается, образуя СО и НO. Разложение пленок на основе биологических веществ также может быть стимулировано путем добавления стеаратов различных переходных металлов (кобальта, никеля и т.д.), но предпочтительным является крахмал, поскольку он также распадается и не оставляет следов. В одном из вариантов осуществления одна или обе пленки 502, 518 на основе биологических веществ содержат примерно 5% стеаратной добавки по весу пленки. Одна или несколько стеаратных добавок может быть выбрана из алюминия, сурьмы, бария, висмута, кадмия, церия, хрома, железа, лантана, свинца, лития, магния, ртути, молибдена, никеля, калия, редкоземельных металлов, серебра, натрия, стронция, олова, вольфрама, ванадия, иттрия, цинка или циркония. Такие добавки предлагаются на рынке под торговым наименованием TDPA и производятся компанией EPI (Конрое, штат Техас, США) В одном из вариантов осуществления одна или обе пленки 502, 518 на основе биологических веществ содержат фотокатализатор. Фотокатализаторы известны из уровня техники и обычно используются в кольцах 6-баночных упаковок для напитков с целью облегчения ее разрушения под действием солнечного света.
Кроме того, чтобы повысить степень совместимости пленки 502, 518 на основе биологических веществ и других слоев, в качестве улучшающего совместимость агента может использоваться одна или несколько применимых сополимерных добавок, выбранных из блок-сополимера этиленметакрилата и стиролбутадиена (например, с торговым наименованием KRATON). Например, такие сополимерные добавки могут использоваться для улучшения характеристик термосвариваемости пленки из слоистого материала. Сополимерные добавки также способны улучшать силу сцепления слоев и способствовать лучшему прилипанию запечатываемой ленты из биоразлагающейся пленки к барьерной ленте из ОРР или лучшему прилипанию запечатываемой ленты из пленки на основе биологических веществ к барьерной ленте на основе биологических веществ. Также могут применяться добавки, позволяющие использовать биоразлагающийся клей, например связующий слой. Также может быть предусмотрен необязательный герметизирующий слой 519.
Хотя известные из уровня техники наружная пленка 112, связующий слой 115 и внутренний базовый слой 118 (как показано на фиг.1) имеют вес, приблизительно составляющий одну треть веса упаковочной пленки каждый, в одном из вариантов осуществления многослойная пленка 500а согласно настоящему изобретению имеет два слоя 502, 518 на основе биологических веществ (как показано на фиг.5а), вес которых в сочетании составляют от около 35 до около 75% по весу многослойной пленки 500а. Таким образом, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена многослойная пленка на основе биологических веществ, содержащая два слоя из пленки на основе биологических веществ, при этом многослойная пленка содержит более чем на 60% меньше полиолефинов на основе ископаемого топлива, чем известные из уровня техники пленки, является биоразлагающейся пленкой, но при этом имеет приемлемые противокислородные барьерные свойства и влагостойкость.
В одном из вариантов осуществления многослойной пленки 500а, показанной на фиг.5а, общий калибр толщины полиолефиновых пленок, используемых в слоистом слое 515а, составляет около 70 или менее, в результате чего общая толщина полиолефина составляет менее около 0,7 мил.
На фиг.5б схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В данном случае многослойная пленка содержит клей 515b на основе биологических веществ. Используемый в изобретении термин "клей на основе биологических веществ" означает полимерный клей, по меньшей мере около 80% по весу которого получено из сырья не на нефтяной основе или возобновляемого биологического сырья. Связующий слой 515b может содержать любой применимый биоразлагающийся клей, такой как модифицированный биополимер PLA 26806, производимый компанией DaniMer Scientific LLC (Банбридж, штат Джорджия, США) или Mater Bi, производимый компанией Novamont (Новара, Италия). В одном из вариантов осуществления может использоваться клей на основе крахмала.
Добавки также способны облегчать металлизацию биоразлагающейся пленки посредством обычных технологий нанесения покрытия осаждением из паров алюминия с целью получения барьерной биоразлагающейся ленты, придающей барьерные характеристики биоразлагающейся пленке. Биоразлагающиеся пленки и пленки на основе биологических веществ, таких как PLA, известны тем, что имеют плохие барьерные свойства. Используемый в изобретении термин "добавки" не ограничен химическими добавками и может включать обработку поверхности, включая без ограничения коронирование.
В одном из вариантов осуществления пленка 518b на основе биологических веществ имеет нанопокрытие 517, обеспечивающее защиту барьера. В контекте настоящего изобретения нанопокрытие означает наноглины, нанокомпозит или нанокомпозиционное покрытие и любое необходимое связующее. Нанокомпозиты известны из уровня техники, и описаны, например, в патенте US 7223359, который в порядке ссылки включен в настоящую заявку. В одном из вариантов осуществления пленка на основе биологических веществ содержит наноглины, обеспечивающие барьерные свойства. Наноглины согласно настоящему изобретению представляют собой слоистые пластинки силиката, такого как вермикулит, алюминосиликаты, цеолиты, бентонит, монтмориллонит, каолинит, боксит, нонтронит, бейделлит, волконскоит, гекторит, спонит, лапонит, сауконит, гидрослюда, хлорит, магадиит, кенияит, ледикит и их смеси. В качестве связующего для "склеивания" составляющих наноглины или нанокомпозита друг с другом может использоваться множество известных из уровня техники полимерных матриц, включая без ограничения акриловую эмульсию, стиролакрилы и полиуретаны.
Нанопокрытия преимущественно состоят из наночастиц в виде структуры микроскопического уровня, имеющей тонкую плоскую поверхность с очень высоким соотношением размеров, что замедляет проникновение в структуру молекул других веществ, таких как кислород и водяной пар.
2
2
В одном из вариантов осуществления нанопокрытие или наноглины могут применяться таким же способом нанесения графики, который в настоящее время используется для нанесения красочного слоя на ленту пленки. Например, в патенте US 6232389, который в порядке ссылки во всей полноте включен в настоящую заявку, описана композиция для нанесения покрытия, содержащая преимущественно диспергированные в эластомерном полимере расщепленные слоистые силикаты, которые наносят в виде покрытия и сушат. В одном из вариантов осуществления покрытие наносят в количестве менее около 15 грамм на квадратный метр поверхности, более предпочтительно менее около 10 грамм/м, еще более предпочтительно менее около 8 грамм/м. Свободный кислород PLA означает, что он обладает естественным сродством для нанесения таких покрытий. В одном из вариантов осуществления наноглины включают в пленку на основе биологических веществ в качестве добавки в процессе изготовления пленки.
В одном из вариантов осуществления нанокомпозит в виде слоистых пластинок силиката содержит силикат алюминия, который образует преимущественно цилиндрическую или сферическую структуру. Сотни таких структур могут связываться друг с другом и образовывать длинные тонкие рукава, через которые с большим трудом проникают молекулы кислорода или воды. В одном из вариантов осуществления нанокомпозит имеет поры достаточного размера для значительного замедления прохождения молекул кислорода и/или воды через нанокомпозит, за счет чего на два и более месяца продлевается срок хранения пищевого продукта с низким содержанием влаги, такого как картофельные чипсы в биоразлагающемся слоистом контейнере, содержащем нанокомпозит для обеспечения барьерных свойств. В одном из вариантов осуществления пластинки связаны друг с другом так плотно, что в рукаве практически отсутствуют отверстия для прохождения молекул кислорода или воды. В одном из вариантов осуществления нанокомпозит содержит поглотитель, который вступает в реакцию с кислородом или водой. В одном из вариантов осуществления нанокомпозит содержит поглотитель, такой как железо.
2
2
В одном из вариантов осуществления барьерный слой имеет металлизированное нанопокрытие. Например, на любой соответствующий на слой 518b любым применимым способом может наноситься нанопокрытие 517, такое как наноглины или нанокомпозит. Затем известными из уровня техники методами осаждения из парообразного состояния может быть нанесен алюминий или другой применимый материал, чтобы получить металлизированный слой 516b поверх нанопокрытия 517. Поскольку PLA является гигроскопичным термопластическим веществом, пленка из PLA легко набухает при контакте с влагой. Следовательно, существует высокая вероятность того, что металлизированное покрытие, помещенное непосредственно на пленку из PLA, треснет после металлизации, когда прилегающий слой PLA подвергнется воздействию влаги. Поскольку обнаженная пленка из PLA с калибром толщины 80 имеет скорость пропускания водяного пара около 170 г/м/сутки, она не способна обеспечивать необходимую скорость пропускания влажного пара менее 5 г/м/сутки. Следовательно, потрескавшееся металлизированное покрытие также не сможет придавать пленке требуемые барьерные свойства. Тем не менее, если нанопокрытие 517 наносят на слой 518b PLA, и нанопокрытие металлизировано, предполагается, что любое последующее растрескивание металла в значительно меньшей степени скажется на барьерных свойствах пленки, поскольку барьерные свойства обеспечиваются нижележащим нанопокрытием.
Была измерена скорость пропускания водяного пара различными пленками на основе биологических веществ в различных условиях, и далее в Таблице 1 приведены результаты измерений. В таблице указана относительная влажность в условиях испытаний, температура проведения испытаний и расход потока в стандартных кубических сантиметрах в минуту. Все запечатываемые ленты из PLA и защитные ленты имели калибр толщины 80. Термин "клей" означает, что использовался обычный широко известный клей, такой как ROBOND компании Rohm and Haas. Клей на основе модифицированного PLA означает, что использовался модифицированный биополимер PLA 26806, производимый компанией DaniMer. Также указана сила сцепления между запечатываемой лентой и защитной лентой, если она измерялась или наблюдалась. Оценка "Хорошее" означает, что слои было невозможно разделить вручную и отсутствовали заметные воздушные полости или другие дефекты. Отметка "-" означает, что измерение или наблюдение не проводилось. Численный показатель является фактической зарегистрированной силой сцепления в граммах на дюйм.
Образцы 1-2 демонстрируют скорость пропускания водяного пара покрытым окисью алюминия слоем PLA, приклеенным связующим слоем к запечатываемой ленте из PLA.
Образцы 3-4 демонстрируют скорость пропускания водяного пара двумя слоями PLA с покрытием из окиси алюминия.
Образцы 5-12 демонстрируют скорость пропускания водяного пара различными металлизированными слоями PLA, полученными экструзией с раздувом.
Образцы 13-24 демонстрируют скорость пропускания водяного пара различными металлизированными двуосно-ориентированными слоями PLA.
2
Образцы 25-29 демонстрируют скорость пропускания водяного пара PLA с покрытием из нанокомпозита. Было использовано покрытие из нанокомпозита NANOLOK 3575 производства компании InMat Inc. Вес покрытия образца 29 составлял 3,6 г/м. Вес покрытий других образцов не регистрировался.
Образцы 30-40 демонстрируют скорость пропускания водяного пара "обнаженными" слоями PLA без применения защищающего барьер материала. Общий калибр толщины PLA в испытанных образцах 32-38 составлял 160, а в образцах 39-40 был испытан один слой с калибром толщины 80.
Таблица 1. Результаты измерения скорости пропускания водяного пара. - в приложении.
2
2
В приведенной таблице 1 продемонстрирован относительный барьерный кпд различных сочетаний многослойных пленок на основе биологических веществ. Например, лист PLA с нанопокрытием имеет скорость пропускания водяного пара приблизительно 2 г/м/сутки (при относительной влажности 55% и температуре 37,5°С), как это продемонстрировано выше на примере образцов 25-29. Для сравнения, два испытания листа PLA TE70C без покрытия с калибром толщины 80 производства компании SKC (Южная Корея) показали, что скорость пропускания водяного пара составляла приблизительно 170 г/м/сутки (при относительной влажности 67,5% и температуре 30°С), как это продемонстрировано выше на примере образцов 39-40.
2
2
2
2
2
Если допустить, что лист PLA с металлизированным нанопокрытием имеет скорость пропускания водяного пара 0,2 г/м/сутки, металлизированный лист PLA имеет скорость пропускания водяного пара около 1,0 г/м/сутки (смотри образцы 21-24 выше), а обнаженный лист PLA имеет скорость пропускания водяного пара около 170 г/м/сутки, становится ясно, что даже при частичном растрескивании металлизированного нанопокрытия листа PLA скорость пропускания водяного пара через растрескавшиеся области нанопокрытия будет преимущественно меньше у листа с нанопокрытием (2 г/м/сутки), чем у обнаженного листа PLA (170 г/м/сутки).
На основе приведенных выше данных можно привести упрощенный гипотетический пример, чтобы продемонстрировать предположительный синергетический эффект в одном из вариантов осуществления изобретения. Предполагается, что металлизированное нанопокрытие обеспечивает больший синергетический эффект, чем любое покрытие по отдельности, поскольку лист PLA с металлизированным нанопокрытием предположительно будет меньше растрескиваться, чем металлизированный лист PLA (например, без нанопокрытия) в силу физических свойств нанопокрытия. Предполагается, например, что нанопокрытие слоистых пластинок силиката, не будет растрескиваться и будет способно частично или полностью смягчать расширение нижележащего гидроскопичного слоя PLA (под действием влажности и т.д.) и тем самым уменьшать степень расширения металлизированного слоя и, следовательно, ослаблять или исключать растрескивание металлизированного слоя. В одном из вариантов осуществления нанопокрытие содержит поглотитель кислорода или влаги, такой как железный порошок, и такой поглотитель способен задерживать поглощение влаги и последующее расширение пленки из PLA.
В одном из вариантов осуществления на многослойную пленку наносят несколько нанопокрытий, чтобы получить аддитивный барьерный эффект. Например, как показано на фиг.5б, в одном из вариантов осуществления между красочным слоем 514 и слоем 515b модифицированного PLA может быть нанесено второе нанопокрытие (не показано). В одном из вариантов осуществления нанопокрытие может быть нанесено с наружной стороны пленки 502 на основе биологических веществ в качестве верхнего лакокрасочного слоя. В одном из вариантов осуществления нанопокрытие наносят на обращенный к продукту слой 518b на основе биологических веществ.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.5б, предложена многослойная пленка на основе биологических веществ, имеющая три слоя из пленки на основе биологических веществ, при этом многослойная пленка содержит более чем на 80% меньше полиолефинов, чем известная из уровня техники пленка, показанная на фиг.1, но при этом имеет приемлемые противокислородный барьерные свойства и влагостойкость.
Одним из недостатков известного из уровня техники сварных швов, соединяющих края материала, является пустота, которая образуется в результате герметизации в том месте, где изменяется число слоев. На фиг.6б показан увеличенный вид сверху в поперечном сечении известной из уровня техники герметизированной упаковки, на котором проиллюстрированы проблемные области контейнера со сварным швом, соединяющим края материала, в которых обычно возникают утечки через точечные проколы. На этой фигуре увеличены области вблизи изнаночного и поперечного уплотнения. Видно, что пленочный рукав имеет первый участок 620, герметично соединенный со вторым участком 630, в результате чего образуется сварной шов, соединяющий края материала. Затем сварной шов, соединяющий края материала, герметично соединяют с прилегающей пленкой 640 с помощью поперечных сварочных клещей и получают треугольную капиллярную область или пустое пространство 610. Как видно на этом увеличенном изображении, наиболее вероятным местом утечки является ближайшая область, в которой изменяется число слоев. Такая утечка имеет большую тенденцию возникать в слоистом материале, представляющем собой бумажный слой, ввиду свойств бумаги. Одним из способов устранения этого недостатка является использование более толстого герметизирующего слоя. Например, как показано на фиг.6а, можно попытаться использовать герметизирующий слой 619 полиэтилена с относительно большим калибром толщины 100 (1 мил) вблизи металлизированного слоя 618 ОРР с калибром толщины 70, который с помощью слоя 615 полиэтилена с калибром толщины 70 приклеен к наружному бумажному слою 602 с графическим изображением 614. Хотя такой вариант осуществления способен действовать, в нем не решается задача использования меньшего количества полиолефина на нефтяной основе, и вместо этого к относительно толстой пленке из пластика просто добавляется бумажный слой, в результате чего помимо бумажного слоя используется преимущественно такое же количество полиолефина на нефтяной основе, как в известных из уровня техники пленках на нефтяной основе. Например, в описанном варианте осуществления используется приблизительно 2,4 мил пластика.
Таким образом, чтобы дополнительно усовершенствовать настоящее изобретение, в одном из вариантов осуществления связующий слой 715, показанный на фиг.7а, содержит полимер, имеющий желаемую характеристику текучести, в результате чего под действием давления и тепла, обеспечиваемых сварочными клещами во время герметизации, общая толщина пленки 700 в областях с большим числом слоев может уменьшаться, а общая толщина пленки 700 в соседних областях с меньшим числом слоев может увеличиваться (другими цифровыми позициями 714, 702, 718 и 719 могут быть обозначены те же самые элементы, обозначенные соответствующими позициями 614, 602, 618, и 619 на фиг.6а). Такая переменная толщина обеспечивается за счет растекания полимера в боковом направлении внутри связующего слоя 715. Как показано на фиг.7в, пленочный рукав имеет первый участок 720, герметично соединенный со вторым участком 730, в результате чего образуется сварной шов, соединяющий края материала. Затем сварной шов, соединяющий края материала, герметично соединяют с прилегающей пленкой 740 с помощью поперечных сварочных клещей. Однако вместо пустого пространства 610, показанного на фиг.6б, связующий слой 715, содержащий полимер с желаемой характеристикой текучести, сводит к минимуму или исключает капиллярное поровое пространство и обеспечивает пересечение 710 слоев пленки, в результате чего получают пищевой контейнер на бумажной основе с лучшими свойствами герметизируемости, в котором используется меньше полиолефинов на нефтяной основе. За счет уменьшения утечки через точечные проколы снижается или замедляется пропускание кислорода из внешней среды в пищевой продукт и продлевается свежесть и срок годности продукта.
Желаемые характеристики текучести связующего слоя 715 могут быть достигнуты за счет соответствующего сочетания индекса расплава и/или температуры плавления полимера. Индекс расплава является отражением молекулярной массы материала или длины его углеводородных цепей. Чем длиннее углеводородные цепи, тем больше молекулярная масса, тем выше вязкость и прочность материал и тем ниже индекс расплава. В контексте настоящего изобретения индекс расплава измеряют согласно ASTM D-1238 при температуре 190°С под общей нагрузкой 2,16 кг. С увеличением индекса расплава полимера также увеличивается его способность растекаться. Так, согласно данному варианту осуществления связующий слой 715 содержит полимер с высоким индексом расплава. В контексте настоящего изобретения высокий индекс расплава полиолефиновой смолы от около 10 до около 50 дециграмм/мин. Такой индекс расплава имеют полиолефиновые полимеры или полиолефиновые смолы нескольких типов, включая без ограничения LDPE, LLDPE, HDPE и сополимеры этилена, такие как сополимер этилена и акриловой кислоты, сополимер этилена и метакриловой кислоты, этиленакрилат, метилакрилат, этилакрилат, винилацетат и их смеси. В число изготовителей таких материалов входят компании Dow Chemical, Eastman Chemical, CP Chemical и Westlake. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полиолефиновую смолу с индексом расплава от около 10 до около 50 дециграмм/мин. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полиолефиновую смолу с индексом расплава более около 13 дециграмм/мин. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полиолефиновую смолу с индексом расплава менее около 20 дециграмм/мин.
Помимо индекса расплава при более низкой температуре плавления полимер в связующем слое 715 начинает раньше растекаться, что может способствовать растеканию в боковом направлении в сторону пустого пространства и/или помогать сводить к минимуму время пребывания при герметизации пленки из слоистого материала. Так, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения связующий слой 715 имеет температуру плавления от около 60 до около 140°С.
Температура плавления полимерной смолы может быть снижена путем полимеризации, при этом степень снижения температуры плавления может зависеть от типа используемого сополимера или катализатора. Металлоорганические полиолефины являются гомогенными линейными и преимущественно линейными полиэтиленами, которые получают с использованием односайтовых или металлоорганических катализаторов. Известно, что из полиолефинов, получаемых в металлоорганических каталитических системах на носителе, обычно образуются полимеры с более низкой температурой плавления, чем в том случае, если бы металлоорганическое соединение не имело носителя. Так, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения связующий слой 715 содержит металлоорганический полиолефин, получаемый путем сополимеризации этилена, включая HDPE и LLDPE, и альфа-олефина, такого как 1 - бутен, 1 - гексен и 1 - октен.
Количество полимера, использованного в слоистом материале, может быть задано весом покрытия. В контексте настоящего изобретения вес покрытия означает вес полимера на единицу площади, на которую его наносят. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полимер с высоким индексом расплава полимер, имеющий вес покрытия от около 1 до около 14 фунтов на стопу бумаги. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полимер с высоким индексом расплава полимер, имеющий вес покрытия от около 4 до около 8 фунтов на стопу бумаги. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полимер с высоким индексом расплава, при этом полимер с высоким индексом расплава полимер имеет толщину более около 0,1 мил. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полимер с высоким индексом расплава, при этом полимер с высоким индексом расплава полимер имеет толщину менее около 1,0 мил. В одном из вариантов осуществления связующий слой 715 содержит полимер с высоким индексом расплава толщиной от около 0,2 до около 0,6 мил.
На фиг.7в схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки, изготовленной из повторно используемых материалов согласно одному из вариантов осуществления изобретения. В одном из вариантов осуществления соответствующее сочетание индекса расплава и температуры плавления может быть обеспечено с помощью одного или нескольких полимерных слоев 715а, 715b, 715с внутри связующего слоя 715. Например, в одном из вариантов осуществления связующий слой 715 представляет собой трехслойную совместно экструдированную пленку, содержащую высокотекучую смолу 715b или средний слой, помещающийся между двумя слоями 715а и 715с. В одном из вариантов осуществления слои 715а, 715с содержат полиэтилен низкой плотности. В контексте настоящего изобретения высокотекучая смола является смолой с высоким индексом расплава. При использовании множества слоев ламинатор может экструдировать высокотекучую смолу совместно с более устойчивым к экструзии материалом, в результате чего может быть эффективно изготовлена упаковочная пленка и одновременно обеспечиваться желаемая мобильность и подвижность слоя 715 во время герметизации. За счет такой мобильности и подвижности можно варьировать толщину там, где изменяется число слоев, при этом они герметично соединены друг с другом, и можно свести к минимуму общую толщину пленок из полиолефинов на нефтяной основе.
На фиг.8 схематически показано увеличенное поперечное сечение многослойной упаковочной пленки 800, изготовленной из повторно используемых материалов согласно одному из альтернативных вариантов осуществления изобретения. За счет более тяжелого герметизирующего слоя 819 такая многослойная упаковочная пленка может выгодно применяться в вертикальных устойчивых упаковках с донной вставкой. Наружный слой 802, содержащий напечатанное на нем графическое изображение 814, представляет собой бумагу PCR, и в одном из вариантов осуществления представляет собой безопасную для пищевых продуктов бумагу PCR. Бумага 802 PCR приклеена связующим слоем 815 к среднему барьерному слою 816, который приклеен полиэтиленом или другим применимым связующим слоем 817 к герметизирующему слою 819. В одном из вариантов осуществления средний барьерный слой 816 содержит металлизированный ОРР. Герметизирующий слой 819 может содержать формованный отливкой или раздувом катализированный металлоценом полиэтилен/полипропилен или может использоваться другой применимый герметизирующий слой 819. Внутренний герметизирующий слой 819 может быть подогнут, а затем герметизирован с целью получения рукава со сварным швом, соединяющим края материала, в качестве изнаночного уплотнения. Сварной шов, соединяющий края материала, выполняют путем воздействия на пленку теплом и давлением. В качестве альтернативы на необходимом участке пленки 802 на основе биологических веществ может быть предусмотрена термочувствительная полоска, позволяющая использовать сварной шов внахлестку.
Настоящее изобретение имеет множество преимуществ над традиционными известными из уровня техники пленками. Во-первых, в настоящем изобретении сокращен расход ископаемых видов топлива за счет применения слоя на основе биологических веществ в качестве одного или нескольких слоев пленки, для которых ранее требовался полипропилен на нефтяной основе/на основе ископаемого топлива. В варианте осуществления, в котором в качестве одного из слоев пленки используется материал PCR, пленка согласно настоящему изобретению изготавливается как из возобновляемых, так и повторно используемых ресурсов.
Во-вторых, в настоящем изобретении уменьшено количество выброса двуокиси углерода в атмосферу, поскольку пленки на основе биологических веществ имеют растительное происхождение. Хотя пленка на основе биологических веществ способна разлагаться в течение относительно короткого времени в среде компоста, если пленка оказывается на мусорной свалке, двуокись кислорода эффективно улавливается и сохраняется за счет отсутствия доступных для разложения пленки света, кислорода и влага. Таким образом, эффективно запасается двуокись кислорода, извлеченная из атмосферы на установке, на которой была получена пленка на основе биологических веществ. Кроме того, если в одном из вариантов осуществления бумага PCR содержит более 80% по весу волокна PCR, из атмосферы улавливается больше двуокиси кислорода, чем используется для изготовления бумаги PCR. Следовательно, настоящее изобретение применимо для создания накопителя парниковых газов.
В-третьих, уменьшается видимое замусоривание, поскольку часть пленки, из которой изготовлена упаковка, является биоразлагающейся. Используемый в изобретении термин "биоразлагающийся" означает, что после нахождения на открытом воздухе в течение 60 суток при температуре 35°С и влажности 75% сохраняется менее около 5% по весу, предпочтительно менее около 1% по весу пленки. Специалисты в данной области техники поймут, что в различных условиях окружающей среды для разложения пленки может потребоваться более длительное время. Для сравнения в таких же условиях пленки из ОРР способны сохраняться в течение более 100 лет. В отличие от пленок на нефтяной основе пленки на основе биологических веществ легко разлагаются. Например, бумага PCR состоит из молекул целлюлозы, которые могут быть подвергнуты гидролитическому разложению (под воздействием воды), окислительному разложению (под воздействием кислорода) и термическому разложению (под воздействием тепла). Все эти источники разложения доступны в окружающей среде. Следовательно, одной из выгод настоящего изобретения является более быстрое разложение мусора.
В-четвертых, пленка согласно настоящему изобретению может быть изготовлена с использованием тех же существующих основных фондов, которые используются для изготовления известных из уровня техники пленок, лишь с незначительными усовершенствованиями.
В-пятых, сохраняется энергия, поскольку для получения пленки согласно настоящему изобретению требуется меньше энергии, чем для получения известных из уровня техники эластичных пленок на нефтяной основе. Например, для получения 1 кг PLA требуется лишь 56 мегаджоулей энергии, то есть на 20-50% меньше ископаемых ресурсов, чем для получения пластиков, таких как полипропилен.
В-шестых, в изобретении обеспечивается более стабильное и менее изменчивое ценообразование. В отличие от изделий на нефтяной основе, цена на которые колеблется в широких пределах в соответствии с ценой на нефть, цены на изделия на основе биологических веществ являются более стабильными и менее изменчивыми. Кроме того, пленки на основе биологических веществ могут непрерывно совершенствоваться за счет использования созданных методами генетической инженерии растений, способных расширять желаемый состав сырья и увеличивать выход продукции.
Подразумевается, что используемый в изобретении термин "упаковка" означает любой контейнер, включая без ограничения любой пищевой контейнер, изготовленный из тонких многослойных пленок. Герметизирующие слои, связующие слои, запечатываемые ленты и барьерные ленты, рассмотренные в описании, особо применимы для формирования упаковок для закусочных продуктов, таких как картофельные чипсы, кукурузные чипсы, чипсы тортилья и т.п. Тем не менее, хотя рассмотренные слои и пленки рассчитаны на применение в технологиях упаковывания закусочных продуктов, таких как расфасовывание закусочных продуктов в пакеты и их укупоривание, слои и пленки также могут применяться в технологиях упаковывания других продуктов с низким содержанием влаги.
Хотя настоящее изобретение было конкретно проиллюстрировано и описано со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в изобретение могут быть внесены различные изменения по форме и условиям, не выходящие за пределы существа и объема изобретения.