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CN111902343A - 用于控制包装内的气体、蒸汽、压力的装置 - Google Patents

用于控制包装内的气体、蒸汽、压力的装置 Download PDF

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CN111902343A
CN111902343A CN201980021596.4A CN201980021596A CN111902343A CN 111902343 A CN111902343 A CN 111902343A CN 201980021596 A CN201980021596 A CN 201980021596A CN 111902343 A CN111902343 A CN 111902343A
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CN
China
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channel
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packaged
otr
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Application number
CN201980021596.4A
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肯尼思·克兰
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Laser Soft Packaging Service Co ltd
Original Assignee
Laser Soft Packaging Service Co ltd
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Publication date
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Abstract

一种用于控制包装物品的包装压力和气流的装置，包括具有暴露于包装内部的第一开口和暴露于包装外部的第二开口的膜。通道在第一开口和第二开口之间延伸。该通道的尺寸被配置成控制从该包装内部到该包装外部的CO2流速(cc/min@1 PSI)并且控制从该包装外部到该包装内部的氧气透过速率(cc/天/Atm)，使得对于该包装物品而言，CO2流速/OTR的比率处于可接受的水平。

Description

用于控制包装内的气体、蒸汽、压力的装置
优先权声明
本申请要求2018年1月26日提交的美国专利申请第15/881,667号的优先权，所述美国专利申请第15/881,667号又要求2018年1月15日提交的临时申请第62/617,542号的优先权，这些申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及用于包装物品的减压装置和方法，并且更具体地涉及用于选择性地控制特定气体流入和流出包装以延长包装物品的保质期的装置和方法。
背景技术
包装在柔性包装膜中的许多易腐食品经受由废气产生的压力累积或经受由不适当水平的氧气或水蒸气造成的损坏。在包装的生鲜产品(例如蔬菜或水果)的情况下，例如，对于每种产品及其独特的细胞呼吸需要或其他生物特征，必须将进入包装中的氧气渗透以及CO2或其他气体的脱气控制到特定水平。在包装的焙炒咖啡的情况下，在延长的周期内产生大量的CO2废气，这需要用于释放包装内部的升高压力的机构以避免在低至1PSI的压力下可能发生的包装破裂或失效。为了解决这些问题，已经使用了几种方法和装置，包括微穿孔包装膜或应用单向阀。
例如，在美国专利第5,263,777中，公开了一种用于咖啡袋的通用单向减压阀设计，其教导了具有无粘合剂的非粘合中央区域的隔膜或薄膜，中央区域通常抵靠并覆盖包装壁中的一个或多个孔。该隔膜经由该中央区域的任一侧上的两个平行的粘合剂条固定到该包装壁上。当包装压力增加到一定阈值时，其致使所述膜剥离所述包装壁中的所述孔，从而使所述阀移位或打开，且从而形成通道，包装气体可通过所述通道逸出所述膜的未经所述粘合带固定的任一开口端。一旦流量降低到某个阈值，膜就重新抵靠到包装的壁上和孔上，以再次重新密封包装并防止包括氧气的大气进入。
例如，如美国专利第5,427,839中所述，如上所述的这种阀也可以以卷的形式提供，例如复合条，其同样地输送至包装机，并且连续地分离并利用粘合剂安装到预制包装上。相反，其他专利描述了通过两个薄层之间的非粘合阀区在柔性包装层压板本身中设计减压阀，如美国专利第7,527,840号中所述。
虽然有许多专利描述了这些减压阀的各种配置和优化，但是它们都具有一些共同的缺点。例如，当包装壁或材料通过存在阀的区域中的包装、运输或其他处理而弯曲或以其他方式受到外部应力时，即使在没有压差的情况下，阀材料也可能移位或分离，从而引起通过阀并进入包装的不希望的气体交换。因此，这种阀的放置可被限制在包装的最不可能接受这种挠曲或拉伸的区域，从而限制包装设计和操作的自由度。
此外，即使当正常工作时，这些减压阀形成相对较大的通路或通道，并且即使在内部气体被排出时，也允许大气氧气蠕变回到包装中。当排出气体的速度降低并且阀花费时间再次关闭时，对于减压循环的结束而言尤其如此。对于包装的咖啡，氧气与咖啡反应形成对香味和味道有不利影响的过氧化物。
此外，焙炒咖啡的香味主要来自于在室温和压力下易于蒸发并且甚至在焙炒后仍继续累积在咖啡袋中的芳香族挥发性化合物。将这些化合物保存在袋中直到咖啡的冲泡是确保最高品质味道和气味体验的关键。然而，对于所有现有的减压方法，这些芳香族化合物以无差别的方式与CO2一起释放，从而仅仅大约几周就使包装的咖啡的质量快速下降。此外，这些现有方法不能充分控制或限制进入袋中的氧气的水平，这也引起氧化和与芳香族化合物的其他催化反应，从而破坏它们的特性。
当微穿孔被用于包装咖啡时，它们不能被制成足够小的直径以克服上述缺点，并且因此具有至少相同的氧蠕变和穿过包装壁的无差别气体传输的问题，另外的缺点是是种没有与大气隔离。对于在运输和储存过程中仍然参与细胞活动的生鲜产品，例如水果和蔬菜，必须在包装内保持一定的最小量的氧浓度以防止细胞死亡和腐坏，同时还将CO2从包装中排出至可接受的水平。再次，对于每种类型的产品，对微穿孔直径的限制导致不能将氧气传递和其他相关气体的传递微调到可接受的水平。
由于现有技术的方法和装置的这些众多问题，袋装咖啡的质量在数周的过程中快速恶化，并且包装的产品往往变质得太快，导致每年对于商业和家庭的成吨食物浪费，并损害社会。
发明内容
提供发明内容是为了介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念的选择。发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
本发明涉及用于为包装物品减压并基于包装物品的独特要求选择性地控制包装内部与外部之间的气体流速的装置和方法。
在一个方面，描述了一种用于控制包装物品的包装压力和气流的装置，该装置包括具有暴露于包装内部的第一开口和暴露于包装外部的第二开口的膜以及在第一开口和第二开口之间延伸的通道。该通道的尺寸被配置成控制从该包装内部到该包装外部的CO2的流速(cc/min@1PSI)并且控制从该包装外部到该包装内部的氧气透过速率(cc/天/Atm)，使得对于该包装物品而言，CO2的流量/OTR的比率处于可接受的水平。
在另一方面，还描述了一种用于控制包装物品的包装压力和气流的方法，包括识别包装物品的可接受的CO2水平和氧气透过速率要求；确定通道的适当截面积和长度，该通道能够控制从包装内部到包装外部的CO2的流速并控制从包装外部到包装内部的氧气透过速率，从而满足可接受的CO2水平和氧气透过速率要求；以及基于所确定的通道的适当截面积和长度在膜结构中形成通道。
根据本文参考的以下公开内容和附图，其他方面及其变化将是清楚明白的。
附图说明
应参考附图阅读以下描述。附图未必按比例绘制，附图描绘了示例并且不旨在限制本发明的范围。考虑到以下关于结合附图的各种示例的描述，可以更全面地理解本发明，在附图中：
图1示出了不同微通道和穿孔的流速和PSI之间的流速图；
图2示出了微穿孔与微通道的OTR与流速的关系图；
图3示出了在低激光吸收率层和高激光吸收率层之间形成的通道；
图4示出了如何由平移的激光在多层膜的两个层之间形成通道；
图5示出了替代性实施例，其中在三层多层膜的两个层之间形成并约束通道；
图6示出了另一个替代性实施例，其中在多层膜中形成膨胀通道；
图7示出了如何在通道上形成缺口；
图8示出了如何形成通道的机械缺口；
图9示出了如何可以在具有粘合层的多层结构中形成通道结构并且如何将其用作包装上的贴片；
图10展示了一种替代性设计，其中两个通道缺口呈现在多层膜的同一表面上；
图11A示出了图9的截面，其示出了贴片如何固定到包装表面上并在包装表面上起作用；
图1lb示出了在激光缺口中包括过滤材料的替代性实施例；
图11C示出了包括与单个通道连通的多个馈送缺口的替代性实施例；
图12示出了包括在通道缺口中使用的干式过滤器的替代性实施例；
图13是显示不同截面积的通道的二氧化碳流量和通道长度之间的关系的图；
图14是示出不同截面积的通道的空气流与通道长度之间的关系的图；
图15是示出不同截面积的通道的OTR和通道长度之间的关系的图；
图16是显示本发明通道与不同尺寸的现有技术微穿孔的OTR和二氧化碳流量之间关系的图；
图17是显示本发明通道与不同尺寸的现有技术微穿孔的OTR和空气流量之间关系的图；
图18是显示使用具有高流量特性的通道的3oz磨制包装咖啡的氧气和二氧化碳水平的120天顶部空间分析的图；
图19是显示使用具有低流量特性的通道的3oz磨制包装咖啡的氧气和二氧化碳水平的120天顶部空间分析的图；
图20是显示使用具有高流量特性的通道的1磅整豆包装咖啡的氧气和二氧化碳水平的120天顶部空间分析的图；和
图21是显示使用具有低流量特性的通道的1磅整豆包装咖啡的氧气和二氧化碳水平的120天顶部空间分析的图。
具体实施方式
本文描述了一种改进的装置和方法，用于调节包装物品的压力，以及根据应用的需要和包装物品(包括例如咖啡和新鲜产品)的需要以选择性的方式控制不同气体的流速和扩散特性。
通常的包装膜中的微穿孔的可行下限直径为约50微米，如上所述，其在控制氧传递速率(OTR)以及控制气流(如CO2、O2、挥发性化合物)等方面限制了可在微穿孔包装中进行的排气的种类。例如，为了满足包装咖啡的高CO2废气和排放需要，微穿孔必须设计为具有相对大的直径，但是直径越大，越多的氧气倾向于迁移到包装中。因此，对于包装设计，CO2排放的要求常常与OTR的要求冲突。
阀也可用于软包装；然而，除了上述问题之外，它们具有几个缺点，即在成型和填充过程中需要将它们施加到包装膜上，它们具有固有破裂压力，该固有破裂压力需要包装的最小压力累积，并且允许所有气体不受限制地流过阀。
在此描述的本发明的微通道和方法提供了优于现有技术的阀和微穿孔的许多优点，并且在OTR和气流方面比穿孔在性能上更一致，因为穿孔除了其他问题外更容易堵塞。如本文所用，关于通道的术语“微”用于指示它们被设计成具有足够小的尺寸以优先限制某些气体或分子相对于其他气体或分子的流动，这与上述阀中的现有技术通道相反，现有技术通道在通道打开时不加选择地允许所有气体和分子沿两个方向流动。因此，“微”不必表示只能以微米测量的通道尺寸，这可以从本文提供的公开内容和实施例中理解。
本文所述的微通道可被配置为通过适当选择通道的截面积和长度以及其他因素来优先限制某些气体或分子的流动。当在微通道的两端之间没有压差时，流动接近零，并且气体的扩散主要受到微通道的任一端上的气体的相对浓度的影响。相对于已知直径的微穿孔，可以在不同压力下测量通过微通道的气流。
微通道或微通道组可以被构造和配置为具有从超过200微米直径到小于0.01微米直径的下限的等效微穿孔流，由此克服微穿孔在最小化和控制OTR以及各种气体和分子(包括CO2、O2和挥发性化合物)的流动方面的固有结构限制。
图1示出了微通道、穿孔、PSI和流速之间的图解关系。这示出了能够被设计成满足包装的通风要求的通道的实例，该包装需要比最小可行穿孔直径的可能要求更低的总体OTR。可以看出，微通道可以设计成将流速限制到比使用微穿孔而可能的流速低得多。图2示出了对于不同直径的微穿孔和不同流速的微通道在给定压力下的OTR和流量两者的关系。具有与微通道相同的流动的微穿孔具有5至10倍高的OTR。
图2示出了对于给定流速具有较低OTR的微通道的优点，其可以延长某些氧敏感产品的保质期。微通道的OTR接近零，而产品是废气，因为氧气到包装中的扩散被通过通道的气体的逆流阻挡。此外，由于微通道总是开放的但在尺寸上受到限制，气体的流出同样延长，并且在包装咖啡的情况下，几乎恒定达数月的保质期，从而产生连续的流出以阻止氧气回到包装中。
通道的有效直径和长度可以设定为影响优先允许通过的气体类型的流量。例如，二氧化碳气体通常以比氧气或芳香族化合物更快的速率流过气柱色谱法中的管。具有足够小的有效直径或截面积和适当长度的通道将允许二氧化碳以比氧气或芳香族气体分子更快的速率通过。以此方式，可通过微通道装置的配置来控制包装内的气体，例如将较大的咖啡芳香族化合物保留在内部并减少氧气渗透，同时允许较高相对流量的二氧化碳流出包装。如果通道的较小有效直径或截面积对流动过度限制且倾向于允许在包装内积聚过多压力，那么可将额外通道添加到装置，同时仍维持装置对不同气体和化合物的选择性性质，这取决于应用的需要。
还可以设计微通道装置的特殊结构。例如，微通道可包括吸湿化合物以在压力均衡后有效地降低OTR或气体透过，从而延长包装产品的保质期。如果脱气的产品具有低水蒸气浓度，则气体的流动可用于防止吸湿化合物从外部空气吸收水到包装中。当干燥气体的流动使水蒸气从包装外部停止时，水可渗入吸湿化合物，使其溶胀并有效地密封通道。
因此，微通道可用于精确控制包装的OTR以延长新鲜产品的保质期，使得能够比微穿孔膜更好地控制OTR和其他气体。此外，微通道还具有较低的由于颗粒或水蒸气渗透而堵塞的倾向。
包装在柔性包装膜中的可微波冷冻食品的通风也可以得益于微通道的使用，因为蒸汽的流动可以在加热过程中严格控制并且具有比微穿孔膜更低的OTR。微通道装置的使用将延长冷冻、冷藏和其他可微波加热产品的存活保质期。
在山区或在飞机中运输的气调包装(MAP)或气密密封的柔性包装可经历大气压力的大变化。这些产品还可以得益于微通道，因为当返回到更高的大气压力时，通过使用微通道装置自动地处理压力累积和随后的负压。
填充在柔性包装中的产品的码垛也可以得益于微通道，因为捕获在包装中的空气将被允许逸出而不损害包装的OTR或允许微生物进入包装。
更致密的货盘或集装箱的优点导致更低的总运输成本，因为货盘上的包装产品的数量将更高。
结合使用微通道装置的柔性包装也可以减少包装膜的使用。可以通过消除通常为产品脱气设计的额外顶部空间来减少包装的体积。还可以减少包装材料和重量，因为由于本发明的微通道装置实现的较低的内部压力，或者通过消除对用于支撑传统焊接型阀的机械连接的附加膜厚度的需要，可以减少总包装厚度。
微通道还具有将碎屑、液体和微生物保持在包装之外的附加益处。通道的截面积可与微穿孔大致相同，但由于通道长度，污染的可能性远低于微穿孔通孔。
根据一个实施例，可以使用激光通过去除多层膜结构中的材料来创建微通道。不同的材料以不同的量反射或吸收各种频率(波长)的激光。材料可以吸收100％的激光，这影响暴露于激光的表面而不是下面的材料。另一个极端是对激光的吸收率接近0％，这允许激光不受影响地穿过材料。在极值之间的范围内，加热水平来自暴露于激光的表面到材料的另一侧。吸收激光的合适材料的实例可以包括但不限于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、乙烯乙烯醇聚合物(EVOH)和丙烯酸类。不容易吸收激光的合适材料的实例可以包括但不限于聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)及其变体，例如双轴取向聚丙烯(BOPP)。
根据图3所示的示例实施例，低激光吸收性材料300从入射激光320的方向层叠在高激光吸收性材料310上。以这种方式制成的材料允许较高吸收性材料310被烧蚀(汽化)而不直接影响第一或较低吸收性材料层。这留下在激光烧蚀材料处形成的通道340。
图4示出了如何沿着激光束被平移400以形成通道轴线的路径形成通道340。通道340形成在高吸收性材料310的表面中的低吸收性材料300下方，并且沿着激光的平移方向400形成。
通道340的截面积被确定并且可以由若干因素控制。通道340的深度主要受激光功率和平移400的速度以及激光如何影响相对高吸收性材料310的影响。通道的宽度主要受激光束的聚焦点尺寸的影响，而受材料和速度的影响较小。
图5示出了替代性的示例性实施例，其中可以通过相对于激光的方向层叠第三材料500来控制通道的深度，该第三材料500对于所使用的激光的频率是反射性的或不可透过的。该第三层500的反射特性允许在第一层300和第三层500之间完全除去高吸收性材料310。反射所使用的激光频率或不能透过所使用的激光频率的合适材料的实例可包括但不限于金属化材料、诸如铝的箔，或甚至HDPE或BOPP作为后挡。
参考图6和7，从膜结构的激光侧表面到通道形成缺口760或开口可以通过增加激光功率或将激光速度降低到某程度来实现，在该程度下附加功率加热相对低吸收性膜300并使其穿孔，或者热量使膜300软化到某程度，在该程度下高吸收性层310中烧蚀产生的蒸汽使低吸收性层300膨胀或者使其破裂。这在低吸收性层300已经软化和膨胀的区域中形成膨胀通道600。高吸收性材料310也可以膨胀，如图6所示，或者可以通过由高吸收性材料的烧蚀引起的压力而膨胀。
提供到通道710的通路的激光缺口760可以是在此描述的任何实施例中的任何通道。激光缺口760形成开口，该开口允许气体进入并通过通道710，并且可以面向包装内部内容物。缺口760可以通过在沿着通道的任何点增加激光功率形成，由于增加的激光功率引起低吸收性材料300的穿通。或者，激光可以在需要缺口760的点减慢或停止，以形成缺口760。
或者，缺口可以是机械切割的缺口770，如图8所示。该机械切割可以使用激光或冲头或一些其他切割结构。微通道的尺寸大致为1微米至1200微米或更大的宽度，和1至1200微米或更大的深度(高度)，但是可以根据本文所述的原理并且如本领域技术人员可以理解的而针对另外的尺寸进行优化。微通道的流动取决于截面积和长度。例如，大致100微米宽、25微米深、7毫米长的通道从通道的一端到另一端在约6900帕斯卡(1PSI)压差下具有每分钟1ml空气的流速。具有两个或多个通道的装置附加于两个独立通道的流速。通道的OTR也是附加的。
微通道可直接在包装膜上形成。然而，示例性优选方法包括如图9所示的装置，其由包括低吸收性材料910和高吸收性材料920的多层膜900构成。该膜包括至少一个缺口和该通道。然而，如本领域中可以理解的，可以使用包含具有各种功能的不同或附加层的其他多层结构。在一个实例中，HDPE-PET-箔-PET可以层叠，其中HDPE作为低吸收率材料910，PET作为用于通道形成的激光烧蚀的高吸收率材料920，箔作为反射后挡(例如图5中所示的层500)，并且最后的PET层作为结构或硬化层。其他可能性可以包括HDPE-EVOH，其中HDPE作为低吸收性材料910，厚EVOH作为激光烧蚀高吸收性材料920，EVOH厚度足以使得激光不会产生穿过膜另一侧的缺口。或者，多层结构可包含HDPE-EVOH-HDPE，其中较薄的EVOH层被烧蚀以形成通道。在一些实施例中，可以使用适当的激光波长(例如短波光纤激光)烧蚀箔层自身以形成通道，从而实现在器件或包装的构造中使用的更薄的材料。
在图9的示例性实施例中，存在暴露于内部包装空气的激光形成的缺口930和暴露于外部空气的机械切割的缺口950，通道940在它们之间延伸。该多层膜900可以包括粘合层960，从而形成具有在其中形成的通道的粘合剂贴片，该粘合剂贴片可以施加到包装膜上。粘合层960可以被配置为将诸如激光缺口930的缺口仅与内部包装空气隔离，防止其暴露于外部空气而不是通过通道940，从而在包装内部和通道之间形成气密连通。此外，虽然仅示出了在每个末端上具有缺口的一个示例通道940，但是可以理解的是，可以在针对应用的特定需要而配置的多层膜900中形成任何数目的通道和缺口。此外，尽管参照这些实施例使用术语“空气”，但其并不旨在限于大气空气的实际条件和组成，而是通常可理解为“环境”，例如“内部包装环境”与“外部包装环境”。
图10示出了替代性实施例，其中缺口1000和1010都是激光形成的，并且缺口之间的通道1020也是激光形成的。缺口1000定位成暴露于内部包装空气。缺口1010通过通道1020连接到缺口1000。缺口1010通过粘合层1040中的切口部分1030暴露于包装外部的外部空气。以这种方式，缺口1000位于它将暴露于内部包装空气的位置，该内部包装空气可以通过通道1020排放到缺口1010，然后通过切口部分1030逃逸到外部空气环境中。包装中的气体可暴露于缺口1000，该缺口通过围绕缺口的粘合剂周边内的包装膜中的激光穿孔或机械穿孔由粘合层1040隔离。
图11A显示说明如何将图9的多层结构900放置在包装膜中的缺口1100或开口上的截面。多层结构900必须以其缺口930放置在与包装膜中的缺口1100大体上对准的位置中，使得两个缺口至少大体上对准以允许气体流过。粘合剂960围绕两个缺口1100和930密封以确保与包装内容物环境外部的外部空气的完全气密隔离，使得通道940是气体可通过其传输的唯一路径。包装膜中的缺口1100与通道940连通并通过机械切割的缺口950排放到外部空气。
以这种方式，用于包装的构造的包装膜独立于在具有通道和缺口的贴片上使用的膜构造。这是有利的，因为由贴片制成的多层膜的制造通常比许多普通包装膜更昂贵。
图1l b示出了可替换的实施例，其中可以在包装膜中的缺口(例如图11中的1100)和内部通道940之间将过滤器结合到装置900中。该过滤器1150用于阻挡碎屑进入通道940并阻挡或限制气体流过装置900。
在一个实施例中，过滤器1150可以由疏水材料构成，该疏水材料阻止液体通过同时允许蒸汽和气体通过。以这种方式，通道940将保持为没有液体，因为否则液体会阻止适当的功能。
图11C示出了一个实施例，其中多个“馈送”通道1170、1171、1172和1173可用于允许气体进入通道1175，通道1175设计成调节装置的流量和OTR。该多个进入通道在有效直径或截面积上可以是较大的并且在长度上可以比调节通道1175短，并且不会影响该装置的总体流动和OTR特性并且在这些馈送通道中的任一个被阻塞时将用作冗余。这些通道可以具有紧密交叉的图案，该图案用作碎片在被允许进入调节通道1175之前沉降的区域，因为调节通道1175中的碎片可以影响性能。
另一个示范性实施例可以结合在暴露于水蒸气或湿气之后密封的通气道。一些产品产生的气体具有非常低的湿度。如果这些产品在包装后的给定周期内产生废气(即新的烘焙咖啡耗尽)，则在该给定周期后不必排气以防止起泡。在排气时段之后排气的能力可以允许氧气进入包装并且缩短产品的保质期。该实施例在允许排气持续一段时间之后密封排气。
图12说明迫使废气流过“干燥过滤器”1200的装置，其中过滤器用吸湿化合物浸渍。当气体低于会影响吸湿化合物的水蒸气或湿度水平时，该干燥过滤器1200不会改变流动。在排气循环完成之后，空气的干燥流动将不再将吸湿化合物与较高湿度的大气隔离。当暴露于大气湿度时，化合物将溶胀，液化或溶解于吸附的水中。在这些情况中的每一种情况下，过滤器将有效地阻止大气通到包装内部。阻挡来自包装内部的外部空气将延长产品的保质期。应注意防止装置在填充和干燥废气之前吸收湿气以保持功能。
示例性制造方法
本文描述了用于形成贴片的示例方法。
第一步是制造包含用激光技术产生的缺口和通道的粘合贴片。贴片以具有保护粘合剂的涂覆硅的载体衬垫的卷的形式出现。然后在与印刷对准的情况下对包装膜进行机械或激光穿孔，并且在包装膜的幅材移动的同时将粘合贴片施加到包装膜的外表面上，通常与包装膜上的机械或激光穿孔对准。使用串联的机械或激光穿孔器和标签敷贴器执行这两个步骤。标签敷贴器通常包括标签展开器、打印配准传感器、标签移除机构、敷贴辊子和衬垫重卷器。贴片卷穿过标签敷贴器，贴片被释放并施加到包装膜的外表面上，并且载体衬垫被重新卷绕。该包装膜还以卷的形式出现，并且因此被连续地展开和重新卷绕。该包装膜具有印刷的配准标记以允许与该包装膜上的印刷图形配准地对这些贴片进行准确穿孔和施加。一旦施加贴片，包装膜的移动幅材被重新卷绕成成品卷。将成品卷运输到客户的包装线，在那里通常将客户的产品放置在竖直成型填充密封机器中以形成最终的袋。
示例方法-气流和OTR
在HDPE-PET-箔-PET多层膜贴片中形成具有如上所述缺口的实验微通道，其具有各种截面积和长度。用剃刀刀片以与初始激光缺口不同的长度产生机械缺口，以产生对于给定截面积具有不同长度的多个样品。将粘合剂固定到HDPE层表面上，同时留下围绕激光缺口到通道的无粘合剂区域，并且然后将贴片附着到PET膜上用于处理和测试以模拟包装膜表面，所述膜具有与每个贴片的每个激光缺口对准的孔。
为了确定通过具有一个或多个微通道的每个贴片的气流，将PET膜上的选定贴片定位成使得25cc压力室的孔口与贴片的激光缺口和微通道对准并连通，并且使用粘合剂密封以使系统与外部空气气密。将所述室的压力升高至超过1PSI以开始气体流过所述贴片微通道，然后从1PSI(P1)定时直到监测的压力下降至0.99PSI(P2)。基于在给定时间间隔内逸出的已知气体体积，然后确定流速。为了确定所关注的特定气体的气体流速，用所述特定气体(例如空气或纯CO2)冲洗并加压所述25cc腔室。
为了测定通过具有一个或多个微通道的每个贴片的OTR，将PET膜上的选定贴片定位成使得氮冲洗室的孔口与贴片的激光缺口和微通道对准并连通，并且使用粘合剂密封以使系统与外部空气气密。在将贴片密封到氮气冲洗腔室上之后，在腔室中使用OxyDot
Figure BDA0002697177560000131
来测量在标准大气压(Atm_)下随着时间通过贴片并进入氮气冲洗腔室的氧气透过速率。
实例结果-气流和OTR
根据上述方法制备具有不同截面积和长度的样品贴片。由每个通道的最大高度/深度除以最大宽度来计算纵横比，因为微通道通常具有大致矩形的截面几何形状。通道样品的这种截面几何形状也用于确定面积计算的适当公式，例如矩形与圆形面积。
表格1
Figure BDA0002697177560000141
Figure BDA0002697177560000151
图13-17基于上表格1中的数据产生。
如图13所示，对于CO2的流速，对于所有给定长度的通道，具有较大截面积的通道具有较大的CO2流速，并且较小的截面积具有较小的流速。对于所有给定的截面积，具有较长长度的通道具有较慢的CO2流速，而较短长度的通道具有较快的CO2流速。从表格1和本文的发现可以认识到，通过将本发明的微通道配置成具有合适的截面积和长度，因此表明，可以将在1PSI下的CO2流量控制在约0.03cc/min至约35cc/min的范围内，但也可以并优选控制在约0.010cc/min至约100cc/min，最优选约0.001cc/min至约1000cc/min。
如图14所示，对于任何通道，使用具有相同尺寸的通道，空气流动比CO2流动相对慢，但基于通道的截面积和长度显示了相同的快速或缓慢流动的一般现象，其中较高的截面积同时通道长度较短的情况增加了流动。然而，令人感兴趣的是，在接近1mm或接近1mm长度的通道处，发现CO2和空气以几乎相同的速率流动。
如图15所示，发现对于CO2和空气，OTR遵循与气体流动相同的基本趋势，但OTR更依赖于通道的长度且更少依赖于截面积。
图16和17是所有样品贴片A至G以及具有73.5μm和100μm直径的现有技术对比微穿孔的图。如所示，与现有技术微穿孔相比，无论CO2(图16)或空气(图17)的流速如何，对于所有样品贴片，OTR都保持极低。如图17和表格1的数据所示，例如，对于给定的空气流速，73.5μm穿孔具有的OTR是通道G中的等效流量的40倍以上。
微通道的性能还通过采用如表格1中所示的CO2流量除以OTR的比率(CO2流量/OTR的比率)来指示。通过将本发明的微通道配置成具有合适的截面积和长度，表明CO2/OTR比率可控制在约0.2至约16的范围内，但也可控制和优选控制在约0.2至约50，并且最优选控制在约0.1至约100。该比率对于大多数包装的咖啡和食品(包括生鲜产品和发酵物品)是有用的指标，因为这些产品通常产生必须排放到适当水平的废气CO2，同时还要控制OTR的量以限制物品的变质。
示例方法-顶部空间分析(配置包装咖啡的装置)
将新烘焙的磨碎咖啡和全豆咖啡用包装膜上的粘合剂实验贴片包裹，覆盖膜中的孔，使得在包装内容物和贴片中的通道之间建立气密连通。每个贴片的通道的长度和截面积被配置用于高或低气流以测试最佳配置(如在下文表格2中所示)，并且每个贴片被配置成具有两个具有相同尺寸的通道。使用气体分析仪在120天内从各袋的顶部空间取得气体样品(从焙烤和包装的日期开始计时)，以分析CO2和O2的百分比。
表格2
Figure BDA0002697177560000161
示例结果-顶部空间分析(配置包装咖啡的装置)
每个配置贴片(具有通道)的包装咖啡的顶部空间分析结果示于以下表格3中。
Figure BDA0002697177560000162
Figure BDA0002697177560000171
使用来自表格3的数据来产生图18-21的图。
图18示出了使用高流量微通道贴片的3oz磨制咖啡包的数据。基于这些结果，尽管微通道能够成功地将包装内累积的CO2排出，但它允许进入袋中的氧气水平在120天的测试周期内略微升高，这不是最佳的，尽管仍然可以实现为优于任何微穿孔。
图19示出了使用低流量微通道贴片的3oz磨制咖啡包的数据。基于所述结果，所述微通道能够成功地维持所述包装内累积的CO2的适当排出，同时在整个120天测试期间维持氧气水平稳定地低于5％的低水平，除了第7天中一些残余氧气仍然随着CO2废气排出所述包装外。
图20示出了使用高流量微通道片的1lb全豆咖啡包的数据。基于这些结果，尽管微通道能够成功地将包装内累积的CO2排出，但它允许进入袋中的氧气水平在120天的测试周期内略微升高，这不是最佳的，尽管仍然可以实现为优于任何微穿孔。
图21示出了使用低流量微通道片的1lb全豆咖啡包的数据。基于所述结果，所述微通道能够成功地维持所述包装内累积的CO2的适当排放，同时在整个120天的测试期间将氧气水平维持在低于5％的稳定低水平。
根据本文提供的前述公开内容和实施例，可以对减压进行微调以及对进出包装的气流进行选择性控制，使得本领域的普通技术人员能够配置具有适当截面积和长度的通道，以满足每种包装物品的独特规格和要求。虽然可以配置宽范围的通道尺寸，但是合适尺寸的示例包括但不限于优选地在约1500μm2至约1mm2之间，或在约1500μm2至约100000μm2之间的截面积。合适的长度包括但不限于优选约1mm至约100cm，或约3mm至约200mm。
例如，在咖啡的情况下，本文的方法和实施例证明，尽管满足高CO2减压(即高气体流出)和低OTR(即低氧)的挑战和对抗要求，但包括所配置的微通道的本发明装置能够同时满足这两个要求。对于优化的低流量设计，在至少120天的过程中保持顶部空间氧气水平低于约5％。与现有技术中描述的传统的和普遍存在的阀装置(如前面提到的，其功能是通过完全关闭包装内容物来限制OTR)相比，微通道被反直觉地设计成总是打开的，自由地允许气体传输出包装，同时通过适当选择通道的截面积和长度来紧密地限制流动。提供该CO2相对于OTR性能的有用量度由发明人确定并在此描述的CO2的流量/OTR的比率提供。
除了咖啡之外，本发明的装置和方法能够定制通道尺寸以满足每个独特物品的几乎任何CO2、OTR和气流要求，包括用于生活产品，例如蔬菜和水果等。例如，许多包装的蔬菜只能耐受一定百分比的CO2，而在它们的包装环境中需要严格控制的最小水平的氧，以将细胞活性维持在恰好防止细胞死亡和变质的水平。
在用于控制包装物品的包装压力和气流的示例方法中，首先识别包装物品的可接受的CO2水平和OTR要求。然后，确定通道的适当截面积和长度，其可以控制从包装内部到包装外部的CO2流速，并且控制或限制从包装外部到包装内部的氧气透过速率，使得对于该物品，可接受的CO2水平和氧气透过速率要求都将得到满足。接下来，基于所确定的适当截面积和长度在膜结构中形成通道。在一些情况下，单个通道可能不足以使包装能够充分脱气同时还使OTR最小化，在这种情况下，该方法可以包括确定具有相同或不同截面积和长度的适当数量的通道，这些通道将满足用于包装物品的可接受的CO2和OTR要求。由于每个通道的性能在本质上针对气流和OTR是附加的，因此可以相对容易地做出该确定。
所述一个或多个通道可使用例如本文所述的激光烧蚀技术直接形成在包装膜结构自身中，或在优选实施例中，形成在单独的膜结构中，所述单独的膜结构可粘附到包装壁中的孔口上和其上(例如，如参考图9和图11A所描述的内容)。这种膜结构可以以卷的形式提供为多个粘合贴片，以便于在包装线上储存、运输和安装。
由于本发明的装置和方法，预期产品和其他物品的保质期将大大地延长，从而最小化食物浪费并且为家庭和企业节省巨大的成本。此外，由于装置和方法的最小的材料要求，包装重量和运输成本以及制造成本可由于环境的益处而大大降低。
虽然已经参考示例性示例和实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明不限于本文公开的特定实施方案和实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.一种用于控制包装物品的包装压力和气流的装置，包括：
具有暴露于包装内部的第一开口和暴露于包装外部的第二开口的膜；和
通道，所述通道在所述第一开口与所述第二开口之间延伸，其中通道的尺寸被配置为控制从包装内部到包装外部的CO2流速(cc/min@1PSI)和控制从所述包装外部到所述包装内部的氧气透过速率(cc/天/Atm)，使得CO2的流量/OTR的比率在约0.1和约100之间。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述CO2的流量/OTR的比率在约0.2和约50之间。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述CO2的流量/OTR的比率在约0.2和约16之间。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述通道的尺寸进一步被配置成在1PSI下将所述CO2的流速从约0.001cc/min控制到约1000cc/min。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述通道的尺寸进一步被配置成在1PSI下将所述CO2的流速从约0.010cc/min控制到约100cc/min。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述通道的尺寸被进一步配置为在1PSI下将所述CO2的流速从约0.03cc/min控制到约35cc/min。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述通道的尺寸是使用所述通道的截面积和所述通道的长度来配置的。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述通道的截面积在约1500μm2与约1mm2之间。
9.如权利要求7所述的装置，其中所述通道的截面积在约1500μm2与约100000pm2之间。
10.如权利要求7所述的装置，其中所述通道的长度在约1mm至约100cm之间。
11.如权利要求7所述的装置，其中所述通道的长度在约3mm至约200mm之间。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述通道是激光烧蚀的通道并且所述膜是多层膜。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述包装物品包括咖啡，并且其中所述通道的尺寸被进一步配置成在从包装所述咖啡的那天起的120天的周期内维持小于或等于约5％的顶部空间氧气百分比。
14.一种用于控制包装物品的包装压力和气流的方法，包括：
确定所包装物品的可接受的CO2水平和氧气透过速率要求；
确定通道的适当截面积和长度，所述通道能够控制从包装内部到包装外部的CO2的流速并控制从所述包装外部到所述包装内部的氧气透过速率，使得能够满足所述可接受的CO2水平和氧气透过速率要求；和
基于所确定的适当截面积和长度在膜结构中形成通道。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括确定具有适当截面积和长度的通道的适当数量，使得能够满足所述可接受的CO2水平和氧气透过速率要求。
16.如权利要求14所述的方法，进一步包括使用激光形成所述通道以烧蚀所述膜结构中的材料层。
17.如权利要求14所述的方法，进一步包括将所述膜结构固定到包装上，以在所述通道和包装内容物之间形成气密连通。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括在包装的膜结构中形成所述通道。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述包装包括咖啡，并且进一步包括在从包装所述咖啡的那天起的120天的周期内维持小于或等于约5％的顶部空间氧气百分比。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述包装包括生鲜产品，并且所述方法进一步包括在所述包装内维持某百分比的氧气以延长所述生鲜产品的保质期。
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