DE19523530C1 - Verpackungswerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verpackungswerkstoff aus beschichtetem Papier oder Karton, der nach einem Form- und Heißsiegelprozeß zur Herstellung ei­ ner gas- und aromadichten Verpackung geeignet ist.

Derartige Verpackungen werden für flüssige, pastöse und trockene Füllgüter verwendet, um lange Lagerzeiten zu erzielen. Besonders hohe Anforderungen ergeben sich für die aseptische Verpackung flüssiger Füllgüter, wie Milch oder Fruchtsaft, bei denen neben einer hohen Sauerstoff- und Aromadichtigkeit auch eine keimfreie Befüllung bei erhöhter Temperatur erforderlich ist.

Es ist bekannt, für die genannten Anwendungen Verpackungswerkstoffe her­ zustellen, indem Papier oder Karton mit 6 bis 8 µm dicker Aluminiumfolie lami­ niert wird. Im Zusammenhang mit dem zunehmenden Verpackungsmüll und den damit verbundenen Entsorgungsproblemen stellt der relativ hohe Alumini­ umgehalt dieser Werkstoffe ein Problem für die Umwelt dar. Die direkte Ver­ wertung in Müllverbrennungsanlagen ist nicht ohne weiteres möglich, und eine Abtrennung des Aluminiums ist sehr kostenaufwendig.

Es ist auch bekannt, Verpackungswerkstoffe für die genannten Anwendungen nur unter Verwendung von organisch beschichtetem Papier oder Karton her­ zustellen. Bei diesem Werkstoff ist die Entsorgung in Müllverbrennungsanlagen unproblematisch, aber es besteht der Nachteil, daß die Barriereeigenschaften für hohe Lagerzeiten der verpackten Waren und insbesondere für die asepti­ sche Verpackung von Milch oder Fruchtsäften unzureichend ist.

Es ist bei der Herstellung von Verpackungswerkstoffen aus Kunststoffolien be­ kannt, ahnlich gute Barriereeigenschaften, wie sie durch Laminieren mit einer Aluminiumfolie erreicht werden, auch durch Vakuumbeschichtung mit Metall- oder Oxidschichten zu erzielen. Hierzu ist es allgemein üblich, Aluminium­ schichten im Vakuum auftudampfen. In neuerer Zeit laufen intensive Bemü­ hungen, auch transparente Oxidschichten, vor allem Siliziumoxid und Alumini­ umoxid, zur Herstellung von Barrierefolien einzusetzen. Diese Schichten sind so dünn (ca. 20 . . . 100 nm), daß sie kein Problem bei der Müllverbrennung dar­ stellen und sogar ein Recycling der beschichteten Folien in Extrusionsanlagen zulassen. Das bedeutet, daß die Entsorgung umweltfreundlich möglich ist. Die­ ses Verfahren gestattet es jedoch nicht, Papier oder Karton in gleicher Weise wie Kunststoffolien im Vakuum zu beschichten und dabei ähnlich gute Barrie­ reeigenschaften zu erzielen. Die Ursache dafür ist die hohe Oberflächenrau­ higkeit und die Porosität von Papier und Karton, die durch die Vakuum- Aufdampfschicht nicht ausgefüllt werden kann. Um diesen Mangel zu beseiti­ gen, wurde versucht, vor der Vakuumbedampfung eine Glättungsschicht auf das Papier oder den Karton aufzubringen. Aber auch diese Versuche brachten nicht den gewünschten Erfolg. Zur Vorbeschichtung wurde Polyethylen einge­ setzt, und es wurden auch für die Vakuumbeschichtung übliche Grundierungs­ lacke aufgebracht. Die damit erreichten Barriereeigenschaften waren jedoch unbefriedigend.

Es ist weiterhin bekannt bzw. vorgeschlagen worden, zunächst auf eine Kunst­ stoffolie in einem separaten Vakuumprozeß eine dünne Barriereschicht aufzu­ tragen und danach in einem zweiten Prozeß die beschichtete Kunststoffolie gegen das Papier oder den Karton zu laminieren. Auf diese Weise werden zwar ausreichend gute Barriereeigenschaften erzielt, aber es besteht der Nachteil, daß die Kosten wegen der Notwendigkeit von zwei separaten Ferti­ gungsprozessen sehr hoch sind und der Verpackungswerkstoff dadurch nur für spezielle Anwendungen einsetzbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verpackungswerkstoff aus beschichtetem Papier oder Karton für die Herstellung einer gas- und aroma­ dichten Verpackung zu schaffen, der ohne Verwendung von Aluminiumfolie hergestellt wird. Er soll ohne Schwierigkeiten einem Recyclingprozeß oder der Müllverbrennung zugeführt werden können. Der Verpackungswerkstoff soll in einem Form- und Heißsiegelprozeß zur fertigen Verpackung weiter verarbeit­ bar sein. Dieser Verpackungswerkstoff soll ähnliche oder bessere Barriereei­ genschaften aufweisen und keine höheren, möglichst aber geringere Herstel­ lungkosten erfordern wie Verpackungswerkstoffe unter Verwendung von Alu­ miniumfolie. Desweiteren ist ein Verfahren anzugeben, mit dem dieser Verpac­ kungswerkstoff wirtschaftlich hergestellt werden kann. Dabei sollen möglichst vorhandene Anlagenkonzepte eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, einen Verpackungswerkstoff zu schaffen, nach den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Das Verfahren zu seiner Her­ stellung wird nach den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Weitere vorteilhaf­ te Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 bzw. 9 bis 14 beschrie­ ben.

Das entscheidende Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das mit einer Glättungsschicht versehene Grundmaterial - Papier- oder Karton - zuerst mit einer hochvernetzten lösungsmittelfreien Lackschicht und danach mit einer anorganischen Barriereschicht versehen ist. Die Glättungsschicht, beispielsweise eine extru­ dierte Polyethylenschicht von 10 bis 50 g/m², sorgt für eine geschlossene, glatte Oberfläche, so daß für die kostenintensivere hochvernetzte Lack­ schicht nur eine Flächenmasse zwischen 1 und 10 g/m², vorzugsweise zwi­ schen 2 und 5 g/m² benötigt wird. Durch den hohen Vernetzungsgrad der Lackschicht, der durch eine Elektronenstrahlvernetzung erreicht wird, erhält die anschließend im Vakuum aufgebrachte Barriereschicht eine besonders hohe Dichte und Haftfestigkeit.

Wird dagegen eine nicht oder ungenügend vernetzte Lack- bzw. Polymerschicht verwen­ det, was insbesondere bei der direkten Vakuumbeschichtung der auf dem Pa­ pier oder Karton aufgetragenen Glättungsschicht aus Polyethylen oder einem nicht vernetzten Grundierungslack der Fall ist, ergibt sich infolge nicht gebun­ dener und während der Vakuumbeschichtung z. T. entweichender Substratmo­ leküle ein relativ lockerer Schichtaufbau mit schlechter Schichthaftung.

Die besten Eigenschaften der anorganischen Barriereschicht erhält man erfin­ dungsgemäß bei Verwendung einer elektronenstrahlvernetzten Lackschicht. Besonders geeignet sind elektronenstrahlhärtbare, lösemittelfreie Lacke auf Acrylatbasis, da diese bereits bei relativ geringen Bestrahlungsdosen vollstän­ dig vernetzen, so daß die gewünschten Eigenschaften auch bei hohen Durch­ laufgeschwindigkeiten und somit bei geringen Kosten erreicht werden. Ein be­ sonderer Vorteil der Elektronenstrahlvernetzung gegenüber anderen Vernet­ zungsverfahren, wie z. B. der Härtung mit UV-Strahlen, besteht in der vollstän­ digen Durchdringung der zu vernetzenden Polymerschicht und ihrer strahlen­ chemischen Ankopplung an die darunterliegende organische Glättungsschicht. Diese Tatsache sorgt für eine hohe Haftfestigkeit und Belastbarkeit des gesam­ ten Schichtsystems, welches für die Aufrechterhaltung der Barriereeigenschaf­ ten bei der Weiterverarbeitung des Verpackungswerkstoffes, insbesondere beim Falten und beim Heißsiegeln, von wesentlicher Bedeutung ist.

Die Barriereeigenschaften des erfindungsgemäßen Verpackungswerkstoffes werden im wesentlichen durch die im Vakuum aufgetragene anorganische Bar­ riereschicht erzeugt. Anorganische Schichten weisen bei gleicher Schichtdicke eine wesentlich höhere Gas- und Aromabarriere auf als organische Schichten. Je nach Material sind bereits Schichtdicken von 100 nm oder weniger ausrei­ chend, um die gewünschten Barriereeigenschaften zu erreichen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Aluminiumschichten, da hierfür eine ausge­ reifte Vakuum-Beschichtungstechnik zur Verfügung steht, so daß minimale Be­ schichtungskosten erzielt werden können.

Für bestimmte Anwendungen des Verpackungswerkstoffes werden jedoch nichtmetallische und elektrisch nicht leitfähige Barriereschichten gefordert. Hier ist die Verwendung von stöchiometrischen oder unterstöchiometrischen Alumi­ niumoxidschichten vorteilhaft, da derartige Schichten mit ähnlich geringen Ko­ sten wie metallische Aluminiumschichten hergestellt werden können. Beim Ab­ scheiden auf elektronenstrahlvernetzten Lacken werden darüber hinaus mit Aluminiumoxid besonders günstige Barriereeigenschaften erzielt. Stöchiometri­ sche Aluminiumoxidschichten sind optisch völlig transparent und elektrisch hoch isolierend. Unterstöchiometrische Aluminiumoxid-Schichten haben einen etwas geringeren Sauerstoffgehalt, können eine verringerte optische Transpa­ renz aufweisen, sind aber ausreichend elektrisch isolierend sowie mikrowellen­ transparent und weisen im allgemeinen noch bessere Barriereeigenschaften auf als stöchiometrische Aluminiumoxidschichten.

Die heißsiegelfähige Deckschicht hat eine doppelte Funktion. Neben der Ver­ schweißbarkeit des Verpackungswerkstoffes gewährleistet sie den Schutz der relativ dünnen anorganischen Barriereschicht gegen Beschädigung bei den auf die Beschichtung folgenden Weiterverarbeitungs- und Transportprozessen.

Erfindungsgemäß werden die hochvernetzte Lackschicht, die anorganische Barriereschicht und die heißsiegelfähige Deckschicht auf das mit einer Glät­ tungsschicht versehene Grundmaterial in einem Durchlauf aufgetragen. Das hat vor allem Kostenvorteile, ist aber auch insofern von besonderer Bedeutung, als die Aufwachsbedingungen und damit die Eigenschaften der anorganischen Barriereschicht besser sind, wenn das Auftragen der Barriereschicht ohne Zwi­ schenaufwicklung unmittelbar nach dem Auftragen und Vernetzen der Lack­ schicht erfolgt. Das Auftragen der Glättungsschicht kann im gleichen Durchlauf unmittelbar vor dem Auftragen der hochvernetzten Lackschicht oder bereits im Zusammenhang mit der Herstellung des Grundmaterials erfol­ gen. Das Auftragen der Glättungsschicht, der Lackschicht und der Deck­ schicht sowie das Elektronenstrahlvernetzen der Lackschicht erfolgen ko­ stengünstig bei Atmosphärendruck. Lediglich das Auftragen der anorganischen Barriereschicht erfolgt im Vakuum, wobei der kontinuierliche Durchlauf durch die Beschichtungskammer über Druckstufenschleusen ebenfalls eine wirt­ schaftliche Lösung darstellt. Sowohl Aluminiumschichten als auch Aluminiu­ moxidschichten lassen sich mittels einfacher, bewährter Schiffchenverdampfer mit Aluminiumdraht-Nachfütterung aufdampfen. Dabei muß für das Abscheiden stöchiometrischer oder unterstöchiometrischer Aluminiumoxidschichten mehr oder weniger Sauerstoff in die Beschichtungskammer eingelassen werden.

Zur Verbesserung der Eigenschaften der aufgedampften Barriereschichten, insbesondere für solche aus Aluminiumoxid, ist eine Plasmaaktivierung des verdampften Aluminiums und des eingelassenen Sauerstoffs zweckmäßig.

Hierfür eignet sich besonders ein zwischen zwei Magnetronelektroden erzeug­ tes, mit 20 bis 100 kHz bipolar gepulstes Mittelfrequenzplasma.

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schichtaufbau des Verpackungswerkstoffs,

Fig. 2 eine Einrichtung zur Herstellung des Verpackungswerkstoffs im Prinzip.

Auf eine Seite des Grundmaterials 1 aus Karton ist zunächst eine Glättungs­ schicht 2 aus Polyethylen niederer Dichte mit einem Flächengewicht von 20 g/m² aufgetragen. Darüber befindet sich eine hochvernetzte Lackschicht 3 aus elektronenstrahlvernetztem Acrylat-Lack mit einem Flächengewicht von 3 g/m². Auf dieser ist eine 30 nm dicke anorganische Barriereschicht 4 aus schwach unterstöchiometrischem Aluminiumoxid abgeschieden. Diese ist durch eine heißsiegelfähige Deckschicht 5 aus Polyethylen niederer Dichte mit einem Flächengewicht von 40 g/m²abgedeckt. Die andere Seite des Grundmaterials 1 trägt je nach Verwendung des Verpackungswerkstoffs eine beliebige, an sich bekannte Schicht 6, die dem sekundären Schutz des Verpackungswerkstoffes sowie dekorativen und informativen Zwecken dient, die jedoch keinen nen­ nenswerten Einfluß auf die Barriereeigenschaften des Verpackungswerkstoffes besitzt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Im folgenden wird das Verfahren zum Aufbringen des Schichtsystems auf das Grundmaterial 1 anhand einer möglichen Ausführungsform einer zugehörigen Einrichtung beschrieben.

Das Grundmaterial 1 liegt in Form von Rollen vor. Es wird in einer Abwickel­ vorrichtung (nicht dargestellt), die zweckmäßig einen fliegenden Rollenwechsel ermöglicht, gehaltert. Von da aus gelangt es in eine an sich bekannte Einrich­ tung 7 zum Aufbringen der Schicht 6, die dem Rückseitenschutz und der deko­ rativen Gestaltung des Verpackungswerkstoffes dient.

Anschließend durchläuft das Grundmaterial 1 eine an sich bekannte Einrich­ tung 8 zum Aufbringen der Glättungsschicht 2 aus Polyethylen. In der nächsten Beschichtungseinrichtung 9 wird ein elektronenstrahlvernetzbarer Acrylat-Lack aufgetragen. Das so beschichtete Grundmaterial 1 wird in der nachfolgenden Einrichtung 10, die einen Elektronenbandstrahler 11 für die Elektronenstrahl­ vernetzung des Acrylat-Lackes enthält, bestrahlt. Auf diese Weise entsteht die hochvernetzte Lackschicht 3 auf der Glättungsschicht 2.

Der Einrichtung 10 folgt die Vakuumbeschichtungsanlage 12, die das erfin­ dungsgemäße Verfahren entscheidend bestimmt und dem Verpackungsmate­ rial die gewünschten Eigenschaften verleiht. Die Vakuumbeschichtung erfolgt durch den Verdampfer 13, der aus einer Reihe von Aluminium-Schiffchen- Verdampfern besteht. Während der Beschichtung wird das Grundmaterial 1 über eine Kühlwalze 14 geführt. Zwischen der Kühlwalze 14 und dem Ver­ dampfer 13 sind zwei an sich bekannte Pulsmagnetron-Plasmaquellen 15 an­ geordnet. Sie erzeugen ein gepulstes Plasma von 50 kHz, wodurch sich die Eigenschaften der Barriereschicht 4 noch verbessern. Das Grundmaterial 1 wird in die Vakuumbeschichtungsanlage 12 über Druckstufenschleusen 16 ein- und ausgeführt.

In einer anschließenden Einrichtung 17 wird eine heißsiegelfähige Deckschicht 5 aus Polyethylen aufgebracht. Danach wird das mit dem Schichtsystem verse­ hene Grundmaterial 1 in einer Aufwickelvorrichtung (nicht gezeichnet) aufge­ wickelt und steht als Verpackungswerkstoff für die weitere Verarbeitung zur Verfügung.

Claims (14)

1. Verpackungswerkstoff aus dem Grundmaterial (1) Papier oder Karton, einer Glättungsschicht aus Polyethylen (2) auf einer Seite des Grundmaterials (1), einer auf der Polyethylenschicht (2) aufgebrachten durch Elektronenstrahlen hochver­ netzten lösemittelfreien Lackschicht (3),
einer auf der Lackschicht (3) befindlichen anorganischen Barriereschicht (4)
und einer darauf angeordneten heißsiegelfähigen Deckschicht (5).

2. Verpackungswerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glät­ tungsschicht (2) aus Polyethylen niederer Dichte mit einem Flächengewicht von 10 bis 50 g/m², vorzugsweise von 20 bis 30 g/m², ist.

3. Verpackungswerkstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochvernetzte Lackschicht (3) aus einem Lack auf Acrylatbasis mit einem Flächenge­ wicht von 1 bis 10 g/m², vorzugsweise von 2 bis 5 g/m², hergestellt ist.

4. Verpackungswerkstoff nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Barriereschicht (4) eine im Vakuum aufgedampfte Metall- oder Oxid­ schicht ist.

5. Verpackungswerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die anorga­ nische Barriereschicht (4) eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 20 bis 100 nm, vorzugsweise von 30 bis 60 nm, ist.

6. Verpackungswerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die anorga­ nische Barriereschicht (4) eine stöchiometrische oder unterstöchiometrische Alumini­ umoxidschicht mit einer Dicke von 10 bis 60 nm, vorzugsweise von 20 bis 40 nm, ist.

7. Verpackungswerkstoff nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die heißsiegelfähige Deckschicht (5) eine Schicht aus Polyethylen niederer Dichte mit einem Flächengewicht von 20 bis 60 g/m²ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Verpackungswerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das bandförmige Grundmaterial im Durchlauf nach dem Aufbringen einer Glättungsschicht aus Polyethylen auf dessen einer Seite nacheinander im Durchlauf eine durch Elektronenstrahlen hochvernetzte lösungsmittelfreie Lack­ schicht und darauf eine anorganische Barriereschicht und darauf eine heißsiegelfähige Deckschicht aufgebracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsschicht in einem Durchlauf mit dem übrigen Schichtsystem unmittelbar vor dem Auftragen der hochvernetzten Lackschicht auf das Grundmaterial aufgetragen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die hochvernetzte Lackschicht durch Gießen oder Walzenauftrag eines lösemittelfreien, elektronenstrahl­ vernetzbaren Lackes und anschließendes Elektronenstrahlvernetzen bei Atmosphären­ druck hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Barriereschicht in einem Vakuumprozeß aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische Barriereschicht aus stöchiometrischem oder unterstöchiometrischem Aluminiumoxid durch Verdampfen von Aluminium und Zuführen von Sauerstoff in die Bedampfungs­ zone aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufdamp­ fen der Aluminiumschicht oder der Aluminiumoxidschicht in der Bedampfungszone zwischen dem Verdampfer und dem zu bedampfenden, mit der Glättungs- und Poly­ ethylenschicht versehenen Grundmaterial ein vorzugsweise mit 20 bis 100 kHz bipolar gepulstes Plasma zwischen zwei Magnetronelektroden gezündet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die heißsiegelfä­ hige Deckschicht im Extrusionsverfahren bei Atmosphärendruck aufgetragen wird.