БУМАЖНАЯ УПАКОВКА С БАРЬЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BARRIER PAPER PACKAGING AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка является заявкой-частичным продолжением с притязаниями на приоритет находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявки US 13/277974 под названием "Metallized Paper Packaging Film and Process for its Production", поданной 20 октября 2011 г, содержание которой во всей полноте включено в настоящую заявку.
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к гибкому упаковочному материалу на бумажной основе с приемлемыми барьерными свойствами для упаковывания пищевых продуктов и к способу изготовления таких упаковочных структур.
Описание уровня техники
В гибких упаковках часто применяются многослойные пленочные структуры, изготавливаемые из нефтепродуктов, источником которых является ископаемое топливо, там, где требуются их выгодные барьерные, герметизирующие свойства и способность отображать графическую информацию. Барьерные свойства одного или нескольких слоев упаковки важны для защиты находящегося внутри нее продукта от света, кислорода и/или влаги. Это необходимо, например, для защиты пищевых продуктов, которые подвержены риску потери вкуса и аромата или порчи в случае недостаточных барьерных свойств для предотвращения пропускания света, кислорода или влаги внутрь упаковки. Обычно желательна способность отображения графической информации, чтобы потребитель мог быстро идентифицировать продукт, который он желает приобрести, а производители пищевых продуктов могли указывать такие сведения, как содержание питательных веществ в упакованном продукте, и размещать на упаковке продукта информацию о цене, такую как штриховые коды.
Известная из уровня техники гибкая упаковка обычно содержит слои из листов полимера на нефтяной основе, такого как ориентированный полипропилен (ОРР) или полиэтилентерефталат (PET). Когда полимерные пленки не обеспечивают надлежащие барьерные свойства, на поверхность одного из внутренних слов многослойной пленки может быть осажден барьерный слой. Например, требуемые барьерные свойства способен обеспечивать металлический слой, осажденный на внутренний несущий слой. Из уровня техники хорошо известно, что при металлизации полиолефина на нефтяной основе, такого как ОРР, прохождение влаги и кислорода через пленку уменьшается на несколько порядков величины.
На долю известных гибких упаковок из пленки на нефтяной основе приходится относительно небольшая часть общего объема образующихся отходов по сравнению с упаковкой других типов. Соответственно, их вторичное использование является неэкономичным с учетом затрат энергии, на сбор, отделение и очистку использованных гибких упаковок из пленки. Другим недостатком пленок на нефтяной основе является их устойчивость к воздействиям окружающей среды и/или биологическому распаду. Следовательно, выброшенные упаковки, которые по небрежности оказываются вне планируемых потоков отходов, в течение относительно длительного времени могут выглядеть как неприглядный мусор. Кроме того, даже если такие выброшенные упаковки попадают в поток отходов и оказываются на мусорных свалках, пленки на нефтяной основе обычно в течение долгого времени сохраняются, почти не разлагаясь. Другим недостатком пленок на нефтяной основе является то, что их изготавливают из компонентов на основе нефти, которую многие относят к ограниченным невозобновляемым ресурсам.
Следовательно, существует потребность в биоразлагаемой и/или пригодной для вторичного использования гибкой упаковке из возобновляемых ресурсов, которая сохраняет желаемые барьерные свойства. Такая гибкая упаковка должна быть безопасной для пищевых продуктов и обладать барьерными свойствами, которые требуются для хранения в течение длительного времени стойкого в хранении пищевого продукта с низким содержанием влаги без потери им свежести. Гибкая упаковка должна обладать требуемыми свойствами герметизируемости и коэффициента трения, которые позволяют применять ее в существующих вертикальных формовочно-фасовочно-укупорочных автоматах. Гибкая упаковка должна быть рассчитана на утилизацию в существующих системах утилизации и/или являться компостируемой.
Краткое изложение сущности изобретения
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена композиционная упаковочная структура на бумажной основе и способ изготовления композиционной упаковочной структуры на бумажной основе, содержащей бумажный слой наполняющий слой, который может быть наслоен на бумажный слой или иным способом сцеплен с ним. В некоторых вариантах осуществления наполняющий слой содержит полимер или полимер на биологической основе. На одну сторону бумажного слоя или наполняющего слоя по желанию может быть опционально осажден необязательный барьерный слой для придания функциональных барьерных характеристик. В других предусмотренных вариантах осуществления композиционная пленочная структура(ы) на бумажной основе может содержать дополнительные слои, такие как один или несколько необязательных грунтовочных слоев, адгезионных слоев, красочных слоев и/или герметизирующих слоев, которые по желанию могут включаться в композиционную пленочную структуру для придания желаемых функциональных характеристик описанной в изобретении композиционной пленочной структуре.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена композиционная упаковочная структура на бумажной основе и способ изготовления композиционной упаковочной структуры на бумажной основе, содержащей грунтовочный слой из двуокиси кремния, осажденный на наполняющий слой, содержащий полиоксиалканоат (РНА), полимолочную кислоту (PLA) или другой биополимер, который наносят на бумажный слой традиционными методами экструзии или нанесения покрытий, которые известны из техники. На одну сторону бумажного слоя также может быть опционально нанесен необязательный герметизирующий слой для придания герметизирующей способности. Альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения опционально включают применение дополнительных необязательных слоев, содержащих металл, металлоид, сополимер этилена и поливинилового спирта (PVOH), полигликолевую кислоту (PGA), сополимер этилена и винилового спирта (EVOH), поливинилиденхлорид (PVDC), аморфную PLA (aPLA), воск, крахмал и/или красочные слои и нанесенных, наслоенных, осажденных или иным способом сцепленных или связанных с описанной выше композиционной пленочной структурой.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена композиционная пленка на бумажной основе и способ изготовления композиционной пленки на бумажной основе, представляющей собой монополотно, содержащее грунтовочный слой, слой РНА и бумажный слой. Альтернативные варианты осуществления опционально включают применение дополнительных необязательных слоев, содержащих металл, металлоид, PGA, PVDC, аморфную PLA, РНА, воск, сложный полиэфир и сополимер сложного полиэфира, адгезивы, герметики и/или красочные слои и нанесенных, наслоенных, осажденных или иным способом сцепленных или связанных с описанной выше композиционной пленочной структурой.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена композиционная пленка на бумажной основе и способ изготовления композиционной пленки на бумажной основе, содержащей бумажный слой и слой PGA, осажденный по меньшей мере на одну сторону бумажного слоя. Альтернативные варианты осуществления опционально включают применение дополнительных необязательных слоев, содержащих грунтовки, герметики, адгезивы, краски и/или барьерные слои и нанесенных, наслоенных, осажденных или иным способом сцепленных или связанных с описанной выше композиционной пленочной структурой.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена композиционная пленка на бумажной основе и способ изготовления композиционной пленки на бумажной основе, содержащей красочный слой, крахмальный слой и бумажный слой. Альтернативные варианты осуществления опционально включают применение дополнительных необязательных слоев, содержащих металл, металлоид, сложный полиэфир, сополимер сложного полиэфира, PGA, аморфную PLA, РНА, воск, сложный полиэфир и сополимер сложного полиэфира, и/или других слоев, нанесенных, наслоенных, осажденных или иным способом сцепленных или связанных с описанной выше композиционной пленочной структурой.
Перечисленные, а также дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения раскрыты в следующем далее подробном описании.
Краткое описание чертежей
В прилагаемой формуле изобретения изложены предполагаемые элементы новизны, характеризующие изобретение. Тем не менее, само изобретение, а также предпочтительный способ его применения, его дополнительные задачи и преимущества будут лучше всего поняты из следующего далее подробного описания наглядных вариантов осуществления со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан увеличенный схематический вид в поперечном разрезе многослойной гибкой упаковки согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 2 показан увеличенный схематический вид в поперечном разрезе многослойной гибкой упаковки согласно одному из вариантов осуществления изобретения, и
на фиг. 3 показан увеличенный схематический вид в поперечном разрезе многослойной гибкой упаковки согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Подробное описание
В настоящем изобретении предложена пригодная для вторичного использования и/или компостируемая многослойная композиционная упаковка на бумажной основе. В различных описанных вариантах осуществления композиционная упаковка на бумажной основе является компостируемой и/или пригодной для вторичного использования, поскольку как бумажный слой, так и наполняющий слой из полимера на биологической основе разлагаются в условиях компостирования и/или отвечают требованиям к пригодности для вторичного использования. Композиционная упаковка на бумажной основе применима для вторичного использования в типичных процессах переработки макулатуры, которые описаны далее.
Изделия на бумажной основе обычно повторно используют в качестве вторичного сырья способами механической повторной варки. По существу, любой полимер, применяемый в изделии на бумажной основе, должен обладать совместимостью с существующими способами механической повторной варки. Бумага также может подвергаться химической повторной варке до механической повторной варки. При химической повторной варке обычно применяется каустическая сода, отбеливатели или другие химикаты для растворения или удаления иным способом загрязнений или полимерных покрытий с поверхности бумаги. Поскольку при нанесении на поверхность бумаги полиэтилена (РЕ) или полипропилена (РР) полимеры связывают волокна бумаги, при их отделении способами механической повторной варки обычно теряется более 15% по весу волокон бумаги из-за того, что полимер прилипает к некоторым волокнам бумаги и во время повторной варки уносит их в потоке отходов. По этой причине большинство бумажных фабрик отказывается принимать бумагу с полимерным покрытием вторичного использования.
Промывка каустиком в процессе повторной варки не обеспечивает разложение полиэтилена и других полиолефинов из-за их высокой стойкости к химическому воздействию. Тем не менее, PGA, РНА, PLA и другие полимеры на биологической основе становятся растворимыми в условиях деполимеризация конденсационных полимеров, что делает химические связи между полимерами уязвимыми к химическому воздействию со стороны NaOH и других веществ. Полимеризация PGA, aPLA и РНА приводит к удалению молекул воды из образующей химической структуры. Тем не менее, эта химическая реакция может быть обращена путем добавления воды в полимер. Соответственно, добавление воды, воздействие теплом (для обеспечения энергии) и химическими веществами (например, NaOH) в процессе повторной варки приводит к удалению полимер или по меньшей мере снижению потери волокон бумаги по сравнению с применением полиэтилена и полипропилена. В настоящем изобретении также могут применяться некоторые компостируемые полимеры, относящиеся к невозобновляемым ресурсам, такие как алифатические сложные полиэфиры с биодоступными и разлагаемыми химическими связями.
В различных описанных вариантах осуществления настоящего изобретения уменьшено количество материала, требуемого для придания барьерных свойств гибкой упаковке на бумажной основе. Соответственно, в настоящем изобретении предложена гибкая упаковка на бумажной основе, имеющая многослойную структуру, содержащую бумажный слой, наполняющий слой, грунтовочный слой и/или барьерный слой на гибкой композиционной пленке на бумажной основе. Многослойная упаковочная структура необязательно может содержать адгезивный слой, герметизирующий слой и/или красочный слой. В описанных вариантах осуществления предусмотрено применение гибких упаковочных структур на бумажной основе, достаточных в качестве упаковочного материала для стойких в хранении пищевых и закусочных продуктов с низким содержанием влаги. В некоторых вариантах осуществления такая гибкая упаковка на бумажной основе обеспечивает пригодную для вторичного использования и/или компостируемую гибкую упаковку для пищевых и закусочных продуктов.
2
2
2
2
2
2
Под используемым в описании термином "упаковка" следует понимать любую емкость в форме гибкой многослойной упаковки. Такая желаемая упаковка обеспечивает свойства непроницаемого для кислорода барьера и имеет скорость пропускания кислорода менее около 10 куб см/м/сутки, предпочтительно менее около 5 куб см/м/сутки, более предпочтительно менее около 2 куб см/м/сутки. Такая желаемая упаковка обеспечивает свойства непроницаемого для влаги барьера и имеет скорость пропускания водяного пара менее около 1,0 грамм/м/сутки, предпочтительно менее около 0,5 грамм/м/сутки, более предпочтительно менее около 0,1 грамм/м/сутки. Описанные в изобретении упаковочные структуры особо применимы для изготовления гибких упаковок для закусочных продуктов, таких как картофельные чипсы, кукурузные чипсы, чипсы тортилья и т.п. Тем не менее, хотя описанные в изобретении слои и различные структуры рассчитаны на применение в операциях упаковывания закусочных продуктов, таких как заполнение и укупоривание пакетов с закусочными продуктами, описанные в изобретении упаковочные структуры также могут находить применение в различных технологиях упаковывания других продуктов с низким содержанием влаги.
Типичные препятствия, с которыми сталкивались в прошлом в технике при попытке нанесения барьерного слоя на бумажную подложку, были порождены структурой самой бумаги. В процесс изготовления бумаги спрессовывают отдельные волокна (обычно из растительных материалов) и сушат их, чтобы получить гибкие листы бумаги. При анализе топологии поверхности бумаги приближенным методом, таким как оптическая микроскопия, лист бумаги выглядит как сеть из связанных волокон. Бумага имеет не сплошную, а пористую структуру из спрессованных и связанных волокон целлюлозы. Пористость бумаги определяется как объемная доля всех пустот, существующих в листе бумаги, и может измеряться известным методом испытания сжатым воздухом согласно IPC TECHNICAL PAPER SERIES NUMBER 183 (http://smartech.gatech.edu/ispui/bitstream/1853/2665/l/tps-183.pdf) или методами TAPPI T460 (с низким сопротивлением воздуха) и Т536 (с высоким сопротивлением воздуха). Поскольку необработанная бумага является высокопористым материалом, ее пористость должна быть снижена до уровня полимерным и пластмассовых пленок, чтобы по меньшей мере рассматриваться в качестве вероятного барьера для газов и паров. Наполнители и клеящие вещества значительно снижают пористость бумаги вплоть до формирования сплошной поверхности. Эта технология традиционно применяется для получения более высококачественной поверхности для печати. Такими же методами придают бумажную поверхность аналогичного качества низкосортным или товарным полимерным пленкам. При изучении с помощью прибора с высокой чувствительностью или большим увеличением, такого как атомно-силовой микроскоп (AFM) или растровый электронный микроскоп (SEM), видно, что эта бумажная поверхность с наполнителем низкокачественных полимерных пленок имеет сильную шероховатость. Можно ясно видеть шероховатую поверхность волокон с наполнителем. Волокна с наполнителем выглядят как пики или плато, а пространство между ними выглядит как впадины, что в целом создает топологию шероховатой поверхности с высокой степенью изменчивости. Шероховатость поверхности используемого в изобретении бумажного слоя вычисляют как среднюю величину разности высот между пиками и впадинами на поверхности бумажного слоя. Могут осуществляться известные из техники измерения шероховатости среднеквадратическим методом с использованием изображений, полученных с помощью атомно-силового или оптического микроскопа.
Предпринимавшиеся в прошлом попытки нанесения барьерного слоя на лист бумаги, обычно не приводили к созданию упаковочной структуры, способной обеспечивать приемлемые барьерные свойства. Это объясняется в основном высокой пористостью бумаги. Клеящие и другие вещества снижают пористость бумаги до такой степени, что она становится применимой основой для нанесения барьерных слоев. После того, как поверхность бумаги становится сплошной, следующей стадией создания бумаги с защитным покрытием является снижение шероховатости поверхности до приемлемых уровней. В контексте различных описанных вариантов осуществления изобретения бумагой с приемлемой низкой пористостью является бумага, через которую 10 мл воздуха проникает за 200 секунд или более (показатель Герли) при испытании методом TAPPI Т536. При этом обеспечивается сплошная поверхность, применимая для нанесения дополнительных слоев с целью получения непроницаемого для газа и пара барьерного слоя. Целостность поверхности также может быть проверена путем оптической микроскопии, AFM или SEM.
При попытках в прошлом нанести барьерный слой на лист бумаги из-за высокой шероховатости поверхности бумаги (т.е. разности высот между пиками и впадинами бумажной подложки с наполнителем) частицы осажденного барьерного слоя накапливались на пиках, что препятствовало равномерному распределению частиц барьерного слоя во впадинах. Соответственно, хотя некоторые частицы барьерного слоя могли сцепляться с участками впадин на поверхности бумаги, осаждение непрерывного барьерного слоя надлежащей равномерной глубины, покрывающего пики и впадины на поверхности бумажной подложки и придающего приемлемые барьерные свойства гибкой упаковке на бумажной основе, оставалось затруднительным. Вопрос кроющей способности барьерного слоя особо остро встает, когда разность между пиками и впадинами или расстояние между соседними пиками превышает желаемую толщину барьерного слоя (обычно 40 нанометров или менее).
В процессе создания описанного изобретения установлено, что на бумажную подложку может наноситься эффективный барьерный слой, если до нанесения барьерного слоя поверхность бумаги достаточно сглажена или заполнена. В одном из вариантов осуществления сглаживают бумажный слой, шероховатость поверхности которого превышает желаемую толщину наносимого на его поверхность барьерного слоя, чтобы шероховатость поверхности стала меньшей, чем желаемая толщина барьерного слоя. В одном из вариантов осуществления шероховатость поверхности сглаженной бумаги составляет менее половины желаемой толщины барьерного слоя.
Используемым в описании термином "барьер" обозначается любой применимый непроницаемый для влаги и кислорода барьерный материал для уменьшения или преимущественно предотвращения прохождения кислорода и водяного пара через упаковочную структуру. Барьерный слой может содержать без ограничения металл, окись металла, окись металлоида и/или их сочетания. Такой барьерный слой может наноситься любым известным из техники применимым способом, включая без ограничения испарение, напыление, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), химическое осаждение из паровой фазы в процессе горения (CCVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD), плазменно-химическое осаждение из паровой фазы (PECVD), вакуумное осаждение, газоплазменное осаждение и газоплазменное гидролизное осаждение. В описанных альтернативных вариантах осуществления также могут применяться существующие технологии нанесения покрытий, способные придавать достаточные барьерные свойства барьерному слою, такие как нанесение PVDC, EVOH, PVOH или различных известных акриловых материалов, таких как полиэтиленакриловая кислота (ЕАА), полиметилметакрилат (РММА), полиакриловая кислота, полицианакрилат, гидроксиэтилметакрилат и полиэтилметакрилат, с целью формирования эффективного барьерного слоя.
Одним из доступных способов сглаживания поверхности бумажной подложки является нанесение наполняющего слоя на поверхность бумаги. Примеры наполнителей, которые могут наноситься на бумажную подложку, включают мергели, такие как каолинит, тальк, слюда, морденит, вермикулит, двуокись титана и карбонат кальция. Для сцепления наполнителя с поверхностью бумаги могут использоваться натуральные или синтетические связующие, такие как воски, крахмалы, винилы, акриловые материалы, белки или латекс. Наполнитель также может содержать диспергаторы для облегчения разделения частиц, пеногасители для удаления пены из окрашенных наполнителей, снижающие растворимость средства для повышения водостойкости, консерванты для уменьшения роста бактерий, смазочные вещества для снижения коэффициента трения бумаги и/или полимерных смол.
В результате нанесения наполнителя на поверхность бумаги получаемая бумага имеет более гладкую поверхность, чем до нанесения наполнителя. В различных описанных вариантах осуществления наполнитель может действовать как грунтовочный слой, увеличивающий поверхностную энергию покрываемого бумажного слоя и тем самым повышающий прочность сцепления барьерного слоя с загрунтованным бумажным слоем композиционной упаковочной структуры. В различных описанных вариантах осуществления наполнитель представляет собой преимущественно компостируемый полимер на биологической основе. Используемым в описании термином "полимер на биологической основе" обозначается полимер, по меньшей мере 80% по весу которого состоит из сырья. В одном из вариантов осуществления полимер на биологической основе может содержать до около 20% традиционного полимера, источником которого является нефть.
В Таблице 1 представлены различные материалы и смолы, которые могут применяться при конструировании упаковок согласно различным вариантам осуществления описанного изобретения, и их соответствующая пригодность для компостирования и/или вторичного использования. Среда для компостирования дополнительно охарактеризована как морская среда и типичная бытовая или "домашняя" среда для компостирования. Компостирование широко известно как процесс разложения органического вещества на компост или перегной, богатый питательными веществами для почвы и растений. Компост может применяться в качестве почвоулучшителя, удобрения для растений и почвы и натурального пестицида для почвы.
Вторичное использование обычно означает способность перерабатывать использованные материалы или отходы в новые продукты во избежание потери таких потенциально пригодных для вторичного использования материалов. За счет вторичного использования снижается расход новых сырьевых материалов, потребление энергии и загрязнение окружающей среды, связанное с производством продукции. В настоящее время вторичное использование является одной из ключевых составляющих сокращения отходов. При создании предназначенной для пищевых продуктов упаковки на бумажной основе из одного или нескольких описанных в изобретении материалов сводится к минимуму образование мусора, снижается объем мусорных свалок, занимаемых такими использованными упаковками, при этом такая упаковка является полностью или частично компостируемой, пригодной для вторичного использования или то и другое, как видно из Таблицы 1, в которой представлены различные материалы и смолы.
В Таблице 1 приведены примеры полимеров на биологической основе, компостируемых и/или пригодных для вторичного использования полимеров, которые могут применяться в качестве наполнителя в описанных вариантах осуществления, и подробнее описаны далее. Например, PLA получают из растительного сырья, включая соевые бобы, как описано в публикации патентной заявки US 2004/0229327, 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 предлагаются на рынке компанией Natureworks LLC (http://www.natureworksllc.com) (Миннетонка, шт. Миннесота, США). При разложении PLA образуется двуокись углерода и биомасса. Пленки из PLA, применяемые в соответствии с настоящим изобретением, преимущественно нерастворимы в воде в условиях окружающей среды, но легко разлагаются в типичных условиях компостирования.
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. РНА предлагается на рынке различными поставщиками, такими как компания Metabolix (Кембридж, шт. Массачусетс, США). В различных описанных вариантах осуществления РНА может применяться в качестве наполняющего слоя, барьерного слоя и/или герметизирующего слоя описанных в изобретении гибких композиционных упаковочных структур на бумажной основе.
PGA является разлагаемым и компостируемым термопластичным сложным полиэфиром, совместимым с процессами механической повторной варки, которые сопутствуют переработке макулатуры. PGA предлагается на рынке японской компанией Kureha, которая производит и продает PGA под товарным знаком KUREDUX. В некоторых вариантах осуществления PGA также может применяться в качестве наполняющего слоя, непроницаемого для кислорода барьерного слоя и/или герметизирующего слоя описанных в изобретении гибких композиционных упаковочных структур на бумажной основе.
В Таблице 2 приведен перечень различных вариантов осуществления изобретения, иллюстрирующих множество гибких упаковочных структур, содержащих описанный в изобретении бумажный слой. В соответствии с настоящим изобретением такие композиционные упаковочные структуры преимущественно нерастворимы в воде в условиях окружающей среды, но легко разлагаются в типичных условиях компостирования. Для сведения следует отметить, что элементы упаковочных структур указаны в порядке слева направо, что означает, что крайний левый слой композиционной упаковки обращен к наружной среде, а крайний правый слой обращен к внутренней среде или стороне продукта внутри упаковки.
Как показано в Таблице 2, [SiO(x)] обозначает слой двуокиси кремния, который осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем CCVD или PECVD или иным способом, известным из техники и/или описанным в изобретении. В некоторых вариантах осуществления слой двуокиси кремния осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем CCVD или PECVD в открытой среде. [Al(2)O(3)] обозначает слой окиси алюминия, который осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем традиционной металлизации, CCVD или PECVD или иным известным из техники способом. В некоторых вариантах осуществления слой окиси алюминия и/или двуокиси кремния осажден путем CCVD или PECVD в открытой среде. X обозначает различные полимеры, которые могут применяться в качестве одного или нескольких наполняющих слоев, включая без ограничения PLA, РНА, PGA и другие известные из техники полимеры. Сокращением PVDC обозначается слой поливинилиденхлорида, который может придавать дополнительные функциональные возможности барьерного слоя, как описано в различных описанных вариантах осуществления. Термином "адгезивы" обозначаются адгезивы на основе растворителей, такие как поливинилацетат, плавкие адгезивы, такие как этилен-винилацетат, или не содержащие растворителей адгезивы, такие как полиуретаны. Термином "краска" обозначается любая предлагаемая на рынке печатная краска(-и), которая может применяться для печати на упаковках для пищевых продуктов. Термином "бумага" обозначается любая бумажная подложка, такая как оберточная бумага, бумага с покрытием, журнальная бумага или фотобумага или другие виды бумаги на основе целлюлозной массы, которые предлагаются на рынке, и бумажные структуры, обработанные принятыми при изготовлении бумаги способами, такими как каландрирование или лощение для придания более гладкой поверхности. Термином "герметик" обозначается герметизирующий слой, включая без ограничения "термосвариваемый" слой, который может состоять из РНА, аморфной PLA, воска, крахмалов, PGA и/или предлагаемых на рынке герметиков, таких как ECOFLEX или ECOVIO, который представляет собой компостируемый сложный полиэфир производства компании BASF. В термосвариваемом слое также могут применяться активаторы термосваривания, которые применяются в технике с целью повышения прочности термосваривания и интервала температур сваривания и предлагаются на рынке. В Таблице 2 представлены различные конфигурации композиционных упаковочных структур, включая монополотно без красочного слоя (структуры с 1-А по 1-O), монополотно с красочным слоем (структуры с 1-Р по 1-АА), структуры с ламинированным барьерным слоем (структуры с 1-ВВ по 1-GG) и структуры с металлизированным грунтовочным слоем (структуры с 1-НН по 1-ММ).
На фиг. 1 показан увеличенный вид в поперечном разрезе гибкой упаковки 100 на бумажной основе согласно настоящему изобретению. Показано, что бумажный слой 112 с одной стороны покрыт наполняющим слоем 114. На противоположную с сторону бумажного слоя 112 может быть нанесен необязательный грунтовочный слой 116 для увеличения поверхностной энергии и улучшения сцепления с необязательным барьерным слоем 118. Барьерный слой 118 может наноситься любым известным из техники применимым способом, включая без ограничения испарение, напыление, химическое осаждение из паровой фазы (CVD), химическое осаждение из паровой фазы в процессе горения (CCVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD), плазменно-химическое осаждение из паровой фазы (PECVD), вакуумное осаждение, газоплазменное осаждение и газоплазменное гидролизное осаждение. В альтернативных вариантах осуществления барьерный слой 118 может наноситься путем CCVD или PECVD в открытой среде без необходимости в вакуумной или напорной камере. В альтернативных вариантах осуществления для осаждения грунтовочного слоя с целью активации сцепления барьерного слоя с бумажным слоем, сглаживания поверхности бумажного слоя для улучшения осаждения барьерного слоя и/или придания функциональных свойств барьерного слоя могут применяться традиционные методы с использованием спирального валикового скребка, гравирования и другие известные методы нанесения покрытий. Показан необязательный термосвариваемый слой 120, который служит для герметизации гибкой упаковки при прохождении через вертикальные формовочно-фасовочно-укупорочные автоматы (VFFS) и другое упаковочное оборудование.
В альтернативных вариантах осуществления для создания барьерного слоя 118 также могут применяться известные методы нанесения покрытий, позволяющие придавать достаточные барьерные свойства, такие как нанесение поливинилиденхлорида (PVDC), сополимера этилена и винилового спирта (EVOH), сополимера этилена и поливинилового спирта (PVOH) или различных акриловых материалов, таких как полиэтиленакриловая кислота (ЕАА), полиметилметакрилат (РММА), полиакриловая кислота, полицианакрилат, гидроксиэтилметакрилат и полиэтилметакрилат методами, известными из техники и/или описанными в изобретении.
В одном из вариантов осуществления, проиллюстрированном на фиг. 1, наносят грунтовочный слой 116 в виде содержащего ЕАА и PVOH раствора, который в жидком виде наносят на поверхность бумажного слой 112, а затем сушат, чтобы сгладить поверхность бумаги 112. Например, раствор может содержать 0,1-20% PVOH и ЕАА и 80-99,9% воды. В одном из вариантов осуществления используют приблизительно равные количества PVOH и ЕАА. В одном из вариантов осуществления раствор содержит около 90% воды, около 5% PVOH и около 5% ЕАА. Таким способом получают сглаженный и/или активированный грунтовочный слой 116, улучшающий осаждение и адгезию барьерного слоя 118. Также может использоваться необязательный термосвариваемый слой 120. В одном из вариантов осуществления термосвариваемый слой 120 содержит аморфную PLА, такую как 4060 PLA производства компании Natureworks. Необязательный красочный слой может быть нанесен на сторону бумажного слоя, противоположную наполняющему и грунтовочному слоям. В альтернативных вариантах осуществления красочный слой может быть нанесен на сторону наполняющего слоя, противоположную барьерному слою. Красочный слой может содержать логотип продукта, графику, информацию о питательных веществах или другую печатную информацию.
В одном из вариантов осуществления грунтовочный слой 116 содержит EVOH, состав которого может варьировать в пределах от EVOH с низкой степенью гидролиза до EVOH с высокой степенью гидролиза. Далее приведены формулы EVOH согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
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, при этом n означает молярное процентное содержание винилового спирта в композиции. Грунтовочный слой 116, содержащий EVOH, может быть путем экструзии нанесен на гладкую поверхность бумаги, а барьерный слой 118 может быть нанесен известными из техники и перечисленными выше методами. В других описанных вариантах осуществления грунтовочный слой 116, 214, 320, показанный на фиг. 1, 2 и 3, может представлять собой покрытие из PVOH или аморфного PVOH, в жидком виде нанесенное на сторону наполнителя бумаги, а затем высушенное до нанесения необязательного барьерного слоя. Затем на грунтовочный слой 116, 320 может быть нанесен барьерный слой 118, 318, как показано на фиг.1 и 3.
В одном из вариантов осуществления предусмотрена композиционная упаковочная структура, содержащая пленку на биологической основе и бумажную структуру, при этом слой РНА действует как наполнитель и герметик. Слои бумаги и РНА могут быть ламинированы с использованием известных из техники стандартных промышленных технологий, таких как экструзионное ламинирование, экструзионное нанесение покрытия, нанесение покрытия поливом, нанесение водного покрытия, с использованием адгезивов на основе растворителей, полиуретановых адгезивов и/или не содержащих растворителей адгезивов. Поверхность слоя РНА, противоположная поверхности бумаги, необязательно может быть покрыта аморфным PVOH, PVOH, EVOH, ангидридом малеиновой кислоты или другими применимыми покрытиями, достаточными для придания приемлемых барьерных свойств слою РНА, применимому в упаковках для пищевых продуктов.
В одном из вариантов осуществления наполняющий слой не выполняет функцию адгезионного слоя. Вместо этого на поверхность бумаги методом экструзии наносят грунтовочный слой до нанесения барьерного слоя. Грунтовочный слой состоит из применимого материала, содержащего полярные химические группы, а также действующего как модификатор поверхности, который обеспечивает преимущественно гладкую поверхность и/или увеличивает поверхностную энергию при нанесении и удержании барьерного слоя, такого как барьерный слой 118, показанный на фиг. 1. Примеры применимых грунтовочных материалов, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления настоящего изобретения, включают без ограничения эпоксид, ангидрид малеиновой кислоты, этиленметакрилат (ЕМА), полиэтиленимин (PEI) и этиленвинилацетат (EVA).
В Таблице 3 представлены различные варианты осуществления гибкой композиционной упаковочной структуры с использованием бумажной подложки, PGA, аморфной PLA (aPLA), PVOH и/или воска. Для сведения следует отметить, что элементы упаковочных структур указаны в порядке слева направо, что означает, что крайний левый слой композиционной упаковки обращен к наружной среде, а крайний правый слой обращен к внутренней среде или стороне продукта внутри упаковки.
Как показано в Таблице 3, [SiO(x)] обозначает слой двуокиси кремния, который осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем CCVD или PECVD или иными известными из техники способами. В некоторых вариантах осуществления слой двуокиси кремния осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем CCVD или PECVD в открытой среде. [Al(2)O(3)] обозначает слой окиси алюминия, который осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем традиционной металлизации, CCVD или PECVD или иным известным из техники или описанным в изобретении способом. В некоторых вариантах осуществления слой окиси алюминия и/или двуокиси кремния осажден путем CCVD или PECVD в открытой среде. Термином "краска" обозначается любая предлагаемая на рынке печатная краска(-и), которая может применяться для печати на упаковках для пищевых продуктов. Термином "бумага" обозначается любая бумажная подложка, такая как оберточная бумага, бумага с покрытием, журнальная бумага или фотобумага или другие виды бумаги на основе целлюлозной массы, которые предлагаются на рынке, и бумажные структуры, обработанные принятыми при изготовлении бумаги способами, такими как каландрирование или лощение для придания более гладкой поверхности. Термином "герметик" обозначается герметизирующий слой, включая без ограничения "термосвариваемый" слой, который может состоять из полибутилсукцината (PBS), РНА, aPLA, воск, крахмала, PGA, алифатического сложного полиэфира и/или предлагаемых на рынке герметиков, таких как ECOFLEX или ECOVIO, который представляет собой компостируемый сложный полиэфир производства компании BASF. В термосвариваемом слое также могут применяться активаторы термосваривания для повышения прочности термосваривания и интервала температур сваривания. Представленные в Таблице 3 различные конфигурации композиционных упаковочных структур включают структуры с использованием бумаги и PGA (структуры с 2-А по 2-М), структуры с использованием бумаги и PVOH (структуры с 2-N по 2-0) и структуры с использованием бумаги и воска (структуры с 2-Р по 2-R).
На фиг. 2 проиллюстрирован один из вариантов осуществления описанной в изобретении композиционной упаковочной структуры 200 на бумажной основе. Показано, что композиционная структура 200 на бумажной основе содержит бумажный слой 212, наполняющий слой 214, красочный слой 216 и грунтовочный слой 218. В этом варианте осуществления грунтовочный слой 218 содержит слой двуокиси кремния или множество слоев двуокиси кремния, осажденных путем известного из техники CCVD или PECVD с целью формирования высокоэнергетической поверхности для нанесения металлического барьерного слоя (не показанного) на грунтовочный слой 218. В одном из альтернативных вариантов осуществления вместо грунтовочного слоя 218 осаждают барьерный слой из [Al(2)O(3)]. Наносят на красочный слой 216 на поверхность наполняющего слоя 214, который в различных вариантах осуществления может содержать РНА, PLA, PET или слой из любой другой применимой пленки на биологической основе. Наполняющий слой 214 может быть нанесен на поверхность бумажного слоя 212 известными из техники традиционными методами экструзии.
Как показано на фиг. 2, в одном из вариантов осуществления в качестве наполняющего слоя 214 может использоваться любой полимер или смесь полимеров, которая имеет при переработке ориентацию как у пленки на биологической основе, относительно гладкую поверхность и полярные химические группы. Полярные химические группы желательны в наполнителе, поскольку они притягиваются к металлическому или металлоидному барьерному слою, и предполагается, что полярные химические группы, такие как гидроксильные группы, формируют ковалентные связи с образованием окиси металла или окиси металлоида после металлизации. Желательны смеси спиртов, в состав которых входит сополимер этилена и винилового спирта (EVOH) и поливиниловый спирт (PVOH) как и полимеры, содержащие полярные амидные группы, такие как нейлон. Кроме того, в качестве наполнителей также может использоваться аморфный PET (аРЕТ), полиэтилентерефталатгликоль (PETG) и PGA, содержащие полярные карбонильные группы. Соответственно, в различных описанных вариантах осуществления наполняющий слой 214 может содержать одну или несколько известных из техники полярных подложек, выбранных из аморфного PET, PETG, аРЕТ, PGA, различных нейлонов, включая аморфный нейлон, EVOH, смеси нейлона/EVOH, PVDC, PVOH, аморфный PVOH (aPVOH) и/или смеси PVOH/этиленакриловой кислоты (ЕАА).
В одном из вариантов осуществления структура из бумаги и PGA может быть создана с использованием стандартных промышленных технологий, таких как экструзионное нанесение покрытия. Структура из бумаги и PGA также может быть создана путем получения пластмассовой пленки из монослоя PGA или многослойной совместно экструдированной пленки, содержащей наружный слой из PGA. Эта структура может быть создана традиционными известными из техники методами литья из раствора или выдувания. Примеры полимеров, которые могут применяться в совместно экструдированных структурах, включают сложные полиэфиры, такие как PLA, ECOFLEX, ECOVIO и другие возможные смеси полимеров. Затем пленка из бумаги и PGA может быть объединена с использованием известных в настоящее время методов экструзионного ламинирования или адгезионного ламинирования с целью формирования структуры из бумага/PGA. Структура PGA может состоять из 100% PGA (такой как PGA марки 100Е35 производства компании Kureha) или из PGA с наполнителями, такими как карбонат кальция, или из PGA с пустотами (вспененных пленок, формируемых химическими или физическими методами в процессе изготовления).
Пример 1
Экструдировали PGA 100Е35 толщиной 1,2 мил на две бумажные подложки. В качестве бумажных подложек использовали (а) бумагу №25 марки CIS производства компании Verso и (б) лощеную бумагу №25 со слоем грунтовки из слюды Н722 (1,7 г/кв. м) производства компании Thilmany. Металлизировали оба образца традиционными методами вакуумной металлизации. Для регулирования степени металлизации использовали ракорд из PET. Целевая оптическая плотность пленки из pet составляла 2,3. Были получены следующие результаты.
Пример 1
Набор данных
Пример 2
Совместно экструдировали PGA на пленку из PLA с целью испытания барьерного потенциала. Совместно экструдировали пленку из PGA/PLA в виде трехслойной конфигурации с верхним слоем из PGA, сердцевиной из PLA (NatureWorks 4032) и слоем герметика из PLA (NatureWorks 4060). Экструдировали комбинированную полимерную структуру через матрицу с температурой плавления 440°F. Пропустили пленку через комплект охлаждающих цилиндров и ориентировали в продольном направлении в одностадийном устройстве ориентации в продольном направлении (MDO). Затем пропустили пленку через устройство ориентации в поперечном направлении с применением цепных распределителей и печи. Затем разрезали пленку вдоль на участки желаемой ширины и длины, смотали, и металлизировали некоторые образцы. Были получены следующие результаты.
Пример 2
Таблица условий по Примеру 2
В одном из вариантов осуществления описанного изобретения предложена композиционная упаковочная структура, содержащая бумажный слой с ламинированным слоем PGA, которую сформирована известными из техники методами экструзионного нанесения покрытия. Структура из бумаги и PGA также может быть сформирована с использованием пластмассовой пленки из монослоя PGA или многослойной совместно экструдированной пленки с использованием PGA в качестве одного из ее наружных слоев, которая может быть изготовлена известными методами литья из раствора или выдувания. Полимеры, которые могут применяться при изготовлении этой композиционной структуры, включают PLA, алифатический сложный полиэфир и другие смешанные полимеры. Затем объединяют бумажный слой и слой PGA путем экструзионного ламинирования или адгезионного ламинирования, чтобы сформировать композиционную упаковочную структуру из бумаги и PGA. В других вариантах осуществления с целью формирования необязательного барьерного или грунтовочного слоя на композиционную структуру из бумаги и PGA может быть нанесен металлический барьерный слой или грунтовочный или барьерный слой из двуокиси кремния. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения в качестве наполняющего, грунтовочного и/или термосвариваемого слоев в композиционной структуре на бумажной основе используются полимеры на биологической основе или компостируемые (согласно ASTM D6400) полимеры. В одном из вариантов осуществления, в котором наполнитель также действует как грунтовочный слой, было обнаружено, что такая трехслойная структура способна придавать надлежащие барьерные свойства бумаге для применения при упаковывании пищевых продуктов.
На фиг. 3 проиллюстрирован один из вариантов осуществления описанной в изобретении композиционной упаковочной структуры 300 на бумажной основе. Как показано на фиг. 3, на бумажный слой 314 нанесен красочный слой 312. Между бумажным слоем 314 и барьерным слоем 318 помещается адгезивный слой 316. Для улучшения сцепления барьерного слоя 318 с наполняющим слоем 322 используется грунтовочный слой 320. Бумажный слой 324 и наполняющий слой 326, который ламинирован, совместно экструдирован или иными способом нанесен на него, в целом образуют композиционную упаковочную структуру 300 на бумажной основе. В этом варианте осуществления на поверхность бумажного слоя 314 нанесен красочный слой 312. Красочный слой 312 содержит любые общеизвестные печатные краски, применимые для использования при упаковывании пищевых продуктов. На противоположную поверхность бумажного слоя 314, с которой сцеплен барьерный слой 318, нанесен адгезивный слой 316. Барьерный слой 318 может содержать алюминий, двуокись кремния, фольгу или барьер из других применимых металлов или металлоидов. На наполняющий слой 322 может быть по желанию нанесен необязательный грунтовочный слой 322 для улучшения сцепления между грунтовочным слоем 320 и барьерным слоем 318. Грунтовочный слой 320 может быть нанесен на бумажный слой 322 путем CCVD или PECVD или другими известными из техники традиционными способами нанесения грунтовки. Грунтовочный слой 320 также может быть нанесен на бумажный слой 322 путем известного из техники CCVD или PECVD в открытой среде.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения уменьшено количество материала, требуемого для получения пленки на бумажной основе с барьерными свойствами. Когда наполняющий слой также действует как грунтовочный слой, требуются всего три слоя для придания бумаге надлежащих барьерных свойств. Например, в Таблице 4 представлены различные варианты осуществления гибких композиционных упаковочных структур с использованием бумаги и крахмала. Для сведения следует отметить, что элементы упаковочных структур указаны в порядке слева направо, что означает, что крайний левый слой композиционной упаковки обращен к наружной среде, а крайний правый слой обращен к внутренней среде или стороне продукта внутри упаковки.
Как показано в Таблице 4, [SiO(x)] обозначает слой двуокиси кремния, который осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем CCVD или PECVD или иным способом, известным из техники и/или описанным в изобретении. В некоторых вариантах осуществления слой двуокиси кремния осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем CCVD или PECVD в открытой среде. [Al(2)O(3)] обозначает слой окиси алюминия, который осажден в качестве грунтовочного или барьерного слоя путем традиционной металлизации, CCVD или PECVD или иным известным из техники способом. В некоторых вариантах осуществления слой окиси алюминия осажден путем CCVD или PECVD в открытой среде. Термином "крахмал" обозначаются термопластичные полимеры на основе крахмала, которые содержат пластификатор, такой как глицерин, позволяющий перерабатывать крахмал подобно пластичной смоле, и которые могут быть реактивным способом экструдированы с другими соединениями с целью повышения термостойкости. Термином "адгезивы" обозначаются адгезивы на основе растворителей, такие как поливинилацетат, плавкие адгезивы, такие как этилен-винилацетат, или не содержащие растворителей адгезивы, такие как полиуретаны. Термином "краска" обозначается любая предлагаемая на рынке печатная краска(-и), которая может применяться для печати на упаковках для пищевых продуктов. Термином "бумага" обозначается любая бумажная подложка, такая как оберточная бумага, бумага с покрытием, журнальная бумага или фотобумага или другие виды бумаги на основе целлюлозной массы, которые предлагаются на рынке, и бумажные структуры, обработанные принятыми при изготовлении бумаги способами, такими как каландрирование или лощение для придания более гладкой поверхности. Термином "герметик" обозначается герметизирующий слой, включая без ограничения "термосвариваемый" слой, который может состоять из РНА, аморфной PLA, воска, крахмалов, PGA и/или предлагаемых на рынке герметиков, таких как ECOFLEX или ECOVIO, который представляет собой компостируемый сложный полиэфир производства компании BASF. В термосвариваемом слое также могут применяться активаторы термосваривания для повышения прочности термосваривания и интервала температур сваривания. В Таблице 4 представлены различные конфигурации композиционных упаковочных структур на бумажной основе, включающие структуры с использованием бумаги и крахмала (структуры с 3-А по 3-С), структуры с использованием бумаги, крахмала и металлического грунтовочного или барьерного слоя (структуры с 3-D по 3-Е), структуры с использованием бумаги, крахмала и грунтовочного или барьерного слоя из окиси металла (структуры с 3-F по 3-Н), структуры с использованием бумаги, крахмала и барьерного слоя из м фольги (структуры с 3-I по 3-K) и структуры с использованием бумаги, крахмала и металлизированного барьерного слоя (структуры с 3-L по 3-N).
В некоторых рассмотренных вариантах осуществления описанного изобретения предложена многослойная гибкая упаковка, содержащая: (а) бумажный слой; (б) наполняющий слой, нанесенный по меньшей мере на одну поверхность бумажного слоя с целью сглаживания по меньшей мере одной поверхности бумажного слоя; и (в) необязательный грунтовочный слой, осажденный на поверхность наполняющего слоя, при этом грунтовочный слой способствует металлизации гибкой упаковки. В некоторых рассмотренных вариантах осуществления описанного изобретения предложена многослойная гибкая упаковка, содержащая: (а) а бумажный слой; (б) необязательный красочный слой, осажденный на первую сторону бумажного слоя; и (в) слой полигликолевой кислоты (PGA), осажденный на вторую сторону бумажного слоя. В некоторых рассмотренных вариантах осуществления описанного изобретения предложен способ изготовления многослойной гибкой упаковки, включающий: (а) нанесение наполняющего слоя на бумажный слой с целью сглаживания по меньшей мере одной поверхности бумажного слоя; и (б) осаждение грунтовочного слоя на наполняющий слой.
Если не указано иное, все используемые в описании научно-технические термины имеют значение, общепринятое среди специалистов в области техники, к которой относится настоящее изобретение. Все приведенные источники в порядке ссылки включены в настоящую заявку; тем не менее, если такие источники, включая источники из числа приоритетных документов, противоречат настоящему изобретению, предпочтение отдается настоящему изобретению. Хотя изобретение конкретно проиллюстрировано и описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в него могут быть внесены различные изменения по форме и подробному содержанию, не выходящие за пределы существ и объема изобретения.