CN117203395A - 包括通过粘结剂附接的金属化和聚合物阻挡层的可回收纸包装材料 - Google Patents
包括通过粘结剂附接的金属化和聚合物阻挡层的可回收纸包装材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种阻隔多层包装材料结构(1)，其被形成为柔性或半刚性整体片材并且包括金属化纸(2)，该金属化纸在所述材料结构(1)的内侧上进一步涂覆有聚合物粘结剂(5)，该聚合物粘结剂选自以下的列表：纯乙烯‑丙烯酸、纯甲基丙烯酸共聚物、纯聚酯、纯聚乙酸乙烯酯、纯聚氨酯，并且在其最内侧上进一步涂覆有纯聚偏二氯乙烯(PVDC)的防水氧气阻隔层(6)。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于包装纸的材料，其对湿气和氧气具有高阻隔性能，并且可在再循环纸流中再循环。
背景技术
塑料包装在经济和人们的日常生活中使用频繁。它具有多个优点，诸如其柔韧性和其轻重量。例如，此类重量减轻有助于节省燃料和减少运输过程中的CO2。它的阻隔性能由于对延长保质期有积极作用，因而有助于减少食物浪费。阻隔性能也有助于确保食品安全。
然而，根据欧盟委员会最近发布的《欧洲循环经济中的塑料战略(Europeanstrategy for plastics in a circular economy)》，欧洲每年产生约2580万吨塑料废物，其中此类废物中的不到30％被收集用于再循环利用，并且每年有15万至50万吨塑料废物进入海洋。
为确保减少塑料垃圾，工业和商业领域都做出了巨大努力。例如，一些超市用纸基袋代替塑料袋。然而，在食物包装中使用纸张来代替塑料并不是一项简单的任务。包装材料的改变不得损害消费者安全。包装必须起到保护食品的作用，但还必须足够坚固以在生产过程中由机器操纵，并且必须使得食物产品能够被有效地展示。
因此，需要具有改进的阻隔性能的纸质材料。特别需要一种具有改进的阻隔性能的纸基材料，其可以在常规纸回收工艺中回收。
已经开发了包括金属化纸的解决方案，以实现对湿气或油脂的一定程度的阻隔。有时，通过挤出或层合工艺添加聚合物膜层，以便还实现对气体(特别是氧气)的阻隔性能。然而，由于挤出或层合工艺，这种聚合物以厚层沉积，这使得该材料由于高含量的聚合物而不能用纸回收工艺回收。
此外，尽管目前的金属化阻隔纸解决方案可提供高水平的氧气和水蒸气阻隔，但发现它们缺乏对机械作用诸如折叠(当形成包装件时)的稳健性。此外，已经发现这种纸基结构在承受极高水平的相对湿度时也会起皱。
因此，需要一种纸基包装材料，其不含有大量的会使其与纸再循环工艺不相容的聚合物材料，并且具有优异的对湿气和氧气的阻隔性，同时能够抵抗如在包装制造过程中遇到的机械应力。
已经发现，聚偏二氯乙烯(PVDC)在聚合物膜结构中是一种非常好的阻氧屏障，同时还提供优异的热密封能力，因为它在受到包装制造过程中使用的类型的密封工具所产生的热时不会显著劣化。然而，还发现PVDC不能适当地粘附到多层结构中的铝金属层上，因此长期以来，技术人员通常认为，为了在包装中实现对湿气和氧气的高阻隔，他们不应该将金属层与PVDC相联。
DUONT de NEMOURS公司名下的WO 9211952 A1公开了一种金属化材料，该金属化材料在一个或多个表面上具有金属涂层，该金属涂层显示出改进的阻挡层涂层粘附性和热密封性能。这些材料包含由至少80％的偏二氯乙烯(PVDC)、至少4％的烯属不饱和丙烯酸单体组成的聚偏二乙烯共聚物的涂层，以及用于改变膜性能的涂层添加剂。PVDC实现了优异的抗机械应力性能，同时提供了良好的氧气阻隔性能。在该专利公开中，本发明人已经发现，通过将PVDC与添加剂混合，它们可以在金属层与PVDC氧气阻隔层之间实现相当好的粘结。更准确地说，WO’952中描述的金属化材料显示出改进的阻隔层涂层粘附性和热密封性能，因为它们是通过用涂层添加剂和偏二氯乙烯共聚物的配制溶液处理其上具有至少一个金属表面的基材材料(例如纸)而制备的。该聚偏二氯乙烯共聚物包含至少80重量％的聚偏二氯乙烯、至少4重量％的烯键式不饱和丙烯酸酯。
尽管WO 9211952中公开的发明提高了PVDC与金属的粘附性，但我们现在发现，由于偏二氯乙烯与允许PVDC粘附于金属的相同添加剂的混合，PVDC出现了重大改性。这种化学改性导致PVDC的阻隔性能的显著损失。
考虑到以上内容，需要一种在纸回收工艺中可回收的包装材料，该包装材料被金属化以实现高防潮性，并且还包括用于优异的氧气阻隔和热密封性能的附加层，同时避免现有解决方案的主要缺点。
发明内容
上述目的通过一种阻隔多层包装材料结构来实现，该结构被成形为柔性或半刚性整体片材并且从其外表面到其内表面包括以下层：
(i)柔性或半刚性纸层，其具有介于40g/m2和150g/m2之间的克重，
(ii)位于所述纸层与金属层之间的预金属化层，所述层以1g/m2至10g/m2范围内的量存在，
(iii)薄金属层，其选自以下的列表：光学密度等于1.5至4的物理气相沉积的铝、物理或化学气相沉积的氧化铝(AlOx)或氧化硅(SiOx)，
所述金属或氧化物层具有介于7nm和100nm之间的厚度，
(iv)聚合物粘结剂，其选自以下的列表：纯乙烯-丙烯酸、纯甲基丙烯酸共聚物、纯聚酯、纯聚乙酸乙烯酯、纯聚氨酯，所述粘结剂以介于0.1g/m2至10g/m2之间的量存在，
(v)纯聚偏二氯乙烯(PVDC)的防水氧气阻隔层，其量为4g/m2至20g/m2，优选地5g/m2至8g/m2。
由于PVDC层是纯的这一事实，其阻隔和耐热能力没有改变并且证明是优异的，这与其中PVDC化学结构被添加剂改变的现有技术结构不同。此外，发现介于金属与PVDC层之间中间粘结层的存在提供了这两层之间优异的粘合性。已知技术中可获得的解决方案中没有一种能够同时提供所有这些益处。
预金属化层允许金属层正确地粘附到纸的表面，特别是当它使纸的表面平滑时，并且为待沉积的金属原子提供化学相容的界面。
所谓包装结构的“内侧”是指旨在面向由所述包装结构生产的包装件的填充的食品内容物的一侧。
所谓“纯聚偏二氯乙烯(PVDC)层”是指完全由PVDC制成的层，使得所述聚合物不含粘结剂、填充剂，特别是不含任何其他类型的聚合物或材料。
所谓“纯乙烯丙烯酸层”或“纯”甲基丙烯酸是指所述层完全和专有地分别由乙烯-丙烯酸或甲基丙烯酸构成，特别是它仅含有一种类型的聚合物，而不含任何其它类型的聚合物或成分。
根据本发明的多层金属化纸基材料可以与其它纸包装材料一起在常规纸回收工艺中回收，优选在根据PTS测试方法PTS-RH 021:2012类别II的工艺中回收。这种可能性是由于这样的事实：尽管它含有一定量的聚合物(HDPE)，但是该聚合物是通过分散体涂布工艺来施涂的。
由于聚合物层的分散体涂层，与纸材料的厚度相比，该结构中聚合物材料的总厚度被极大地减小；因此，本发明人已经获得了一种包装多层结构，其具有优异的对氧气和湿气转移的阻隔性能以及对液体接触的抗性，同时获得了占总材料重量比例非常高的纤维素纤维的总含量。此外，聚合物分散体涂层避免了聚合物的高内聚力和高粘附性，并且因此解决了可回收性问题(分散在水载体介质中的聚合物固体颗粒，而不是施涂于基材的液体聚合物)。本发明人成功地形成完全没有通过挤出(挤出-层合或挤出涂布)形成的聚合物层的多层结构的事实提供了具有纤维素纤维与非纤维素材料的比率的多层结构，其纤维含量极高，并且其中由于聚合物的相对低的内聚强度以及相同聚合物对基材的其余部分(特别是纤维素纤维)的相对低的粘附性，聚合物层在纸循环流的再浆化过程中容易崩解。因此，所得到的结构表现出优异的再浆化能力和高纤维产率，这使得其在世界上大多数国家的废纸收集中是可接受的。与本领域已知的现有结构不同，非常低含量的非纤维素聚合物和金属材料真空沉积金属层容易崩解、溶解并与纤维素分离。
有利地，在根据本发明的纸基阻隔多层结构中，所述结构的总纤维含量介于85重量％和95重量％之间。
在一个实施方案中，该包装结构还包括最外涂层，该最外涂层包括：油墨印刷、套印清漆，所述最外层以介于0.1g/m2和6g/m2的量施用。
优选地，预金属化层包含选自以下的列表的成分：乙烯丙烯酸共聚物、聚乙烯醇(PVOH)、丁烯二醇乙烯醇(BVOH)共聚物、硝基纤维素-丙烯-丙烯酸共聚物、聚氨酯或它们的组合。
为了提供具有足够低水平的聚合物含量的包装结构从而允许在纸回收工艺中回收，优选地通过聚合物分散体涂布工艺来施涂预金属化层，更优选地使用直接或反向凹版涂布或半柔性版印刷工艺。
任选地，本发明的包装结构还可有利地包括具有热封漆、液密聚烯烃分散体涂层或它们的组合的最内层，所述最内层以介于1g/m2和10g/m2之间的量存在。
本发明还涉及由如上所述的纸基阻隔多层结构制成的包装件。
附图说明
本发明的另外的特征和优点在下文参照附图给出的目前优选的实施方案的说明中有所描述，并且这些特征和优点将从该说明中显而易见，其中：
图1是根据本发明的多层阻隔结构的第一实施方案的横截面的示意图。
图2是根据本发明的多层阻隔结构的第二实施方案的横截面的示意图。
具体实施方式
通常，在本说明书中，所谓“挤出涂布”是指通过使用挤出机来提供厚聚合物层的方法，所述挤出机迫使熔融的热塑性树脂(例如聚乙烯)通过水平狭缝模头到达基材(例如纸)的移动幅材上。所得产品是永久涂布的幅材结构。
所谓“挤出层合”是指与挤出涂布类似的方法，其中将聚合物树脂在两个基材(例如一层纸和另一层聚合物膜)之间挤出，并充当粘结剂。
所谓“粘合剂层合“是指一种方法，其中一个纸材料用粘合剂涂布并层合到第二个纸或纸板材料。
在层合过程中，通过挤出层合或粘合剂层合将两个厚的材料层结合，其中每一层的厚度远大于通过分散体涂布获得的厚度。
所谓“分散体涂布”或“聚合物分散体涂布”，是指将细小聚合物颗粒或聚合物溶液的水性分散体像这样施涂到纸或纸板表面，以便在干燥后形成固体无孔膜的涂布技术。分散体涂布可通过凹版印刷、柔性凹版印刷、棒、刀片、槽模、帘式气刀或任何其它已知的纸张涂布方法进行。分散体涂布可产生比挤出薄得多的层，因为聚合物在水性水溶液中混合。这在聚合物用量、其阻隔性能和所得纸结构的可回收性方面带来优点。分散体涂布的目标是通过环境友好的涂布获得对水、水蒸气、油脂、油、气体等的阻隔层。另一目标是制备用于真空沉积工艺的纤维素材料的表面。
在图1中示出了本发明的第一实施方案。在该图中示出了多层结构1，其包括如下所述的若干层，从外层(即，一旦所述结构形成为包装件，则与外部大气接触的层)开始，然后到内层(即，一旦所述结构形成为包装件，则最终将与经包装的产品接触的层)。
在根据本发明的结构1的该第一实施方案中，如图1所示，第一最外层2是克重为80g/m2的柔性或半刚性纸层。该纸是从UPM公司获得的未涂覆的无木超级压光牛皮纸。
然后，纸基阻隔多层结构1还包含位于纸层2与下一层真空沉积的金属层4之间的丁烯二醇乙烯醇(BVOH)共聚物的预金属化层3，所述预金属化层3通过聚合物分散体涂布以约3g/m2的量施涂。
然后，用薄金属层4对预金属化层3进行金属化，该薄金属层4是光学密度等于3的物理气相沉积的铝，所述铝层具有约45nm的厚度。
然后，铝层4的内侧涂覆有包含聚酯的水基分散体的聚合物粘合底漆涂层5，所述底漆(在本说明书的其余部分中也称为“粘结剂”)通过分散体涂布工艺以约2g/m2的量施涂。
最后，根据该第一实施方案的结构1的最内层是纯聚偏二氯乙烯(PVDC)的耐水性氧气阻隔层6，其以约8g/m2的量施涂并且其通过使用直接凹版施涂的聚合物分散体涂布工艺来沉积。
在根据本发明的结构1的第二实施方案中，如图2所示，该结构类似于以上关于图1所述的第一实施方案的结构。然而，在该实施方案中，纸基阻隔多层结构1还包括最外涂层7，所述最外涂层7包含约5g/m2的量的油墨印刷和套印清漆。在材料结构的最内侧，PVDC层用作热封漆，以防该材料在热封过程中需要密封，特别是用于由其制造包装件。
本发明的柔性包装材料结构被设计成形成用于食物产品的包装材料。其优选为初级包装材料，但也可用于制造二级包装材料或三级包装材料。用于食物产品的初级包装材料与实际的食物产品直接接触。食物产品用二级包装材料可以是有助于将包含在初级包装中的一种或多种食物产品固定的食物产品用包装材料。当向消费者提供各自单独地包装在单一容器中的多种食物产品时，通常使用二级包装材料。食物产品用三级包装材料是有助于在运输期间将容纳在初级包装和/或初级和次级包装中的一种或多种食物产品固定的食物产品用包装材料。
应当理解，对本文所述的目前优选的实施方案作出的各种变化和修改对于本领域的技术人员将为显而易见的。可在不脱离本发明的实质和范围并在不减少所伴随的优点的情况下作出这些变化和修改。因此，此类变化和修改旨在由所附权利要求书涵盖。
Claims (7)
1.阻隔多层包装材料结构(1)，其被成形为柔性或半刚性整体片材并且从其外表面到其内表面包括以下层：
(i)柔性或半刚性纸层(2)，其具有介于40g/m2和150g/m2之间的克重，
(ii)位于所述纸层(2)与金属层(4)之间的预金属化层(3)，所述预金属化层(3)以1g/m2至10g/m2范围内的量存在，
(iii)薄金属层(4)，其选自以下的列表：光学密度等于1.5至4的物理气相沉积的铝、物理或化学气相沉积的氧化铝(AlOx)或氧化硅(SiOx)，所述金属或氧化物层具有介于7nm和100nm之间的厚度，
(iv)聚合物粘结剂(5)，其选自以下的列表：纯乙烯-丙烯酸、纯甲基丙烯酸共聚物、纯聚酯、纯聚乙酸乙烯酯、纯聚氨酯，所述粘结剂以介于0.1g/m2和10g/m2之间的量存在，
(v)纯聚偏二氯乙烯(PVDC)的防水氧气阻隔层(6)，其量为4g/m2至20g/m2，优选介于5g/m2至8g/m2之间。
2.根据权利要求1所述的纸基阻隔多层结构(1)，其中所述结构的总纤维含量介于85重量％和95重量％之间。
3.根据前述权利要求1或2中任一项所述的纸基阻隔多层结构(1)，其还包括最外涂层(7)，所述最外涂层包括：油墨印刷、套印清漆，所述最外层以介于0.1g/m2和6g/m2之间的量施涂。
4.根据前述权利要求中任一项所述的纸基阻隔多层结构(1)，其中所述预金属化层(3)包含选自下列的列表的成分：乙烯丙烯酸共聚物、聚乙烯醇(PVOH)、丁烯二醇乙烯醇(BVOH)共聚物、硝基纤维素-丙烯-丙烯酸共聚物、聚氨酯或它们的组合。
5.根据前述权利要求中任一项所述的纸基阻隔多层结构(1)，其中所述预金属化层(3)通过聚合物分散体涂布工艺施涂。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的纸基阻隔多层结构(1)，其还包括最内层(8)，所述最内层包含热封漆、液密聚烯烃分散体涂层或它们的组合，所述最内层(8)以介于1g/m2和10g/m2之间的量存在。
7.包装件，所述包装件由根据前述权利要求1至6中任一项所述的纸基阻隔多层结构制成。
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