DE60131006T2 - Mehrschichtige pappverpackungsstruktur enthaltend eine polyolefin/polyamid-schicht - Google Patents

Mehrschichtige pappverpackungsstruktur enthaltend eine polyolefin/polyamid-schicht Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Verpackungskartons, erzeugt aus Multilagen-Laminaten, enthaltend Pappe und mindestens eine Schicht von Polymermischungen aus Polyolefinen und Polyamiden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die kürzlichste Verbesserung in der Verpackungsstruktur für Milch erfordert einen Multilagen-Coextrusionsprozess auf ein Pappesubstrat als die Produkt-Kontaktschicht, umfassend Nylon 6/Haftschicht/Polyethylen niedriger Dichte. Diese Multilage kann online coextrudiert werden und dadurch ein beschichtetes Substrat erzeugen. Die Multilagen-Coextrusion von Nylon 6/Haftschicht/ Polyethylen niedriger Dichte stellt eine Sauerstoffbarriere, eine Versiegelung, Stärke und eine Beständigkeit gegenüber Nadellöchern bereit, obwohl sie nur auf einer sehr spezifischen Coextrusionsvorrichtung coextrudiert werden kann.
  • Es gibt eine spezifische Notwendigkeit, ein Barrierenmaterial zu entwickeln, das auf der Produktkontaktseite einer Pappeverpackung als eine Monolage extrudiert werden kann, die die Leistungsfähigkeit der Multilage besitzt. Dieser Ansatz wird eine Struktur niedrigerer Kosten im Vergleich zu der Wirtschaftlichkeit der Multilagen-Coextrusions-Linie erzeugen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt eine Polymermischung aus einem Polyamid und einem Polyolefin, wie Nylon 6 und Polyethylen niedriger Dichte, mit anderen erforderlichen oder optionalen Komponenten, die als eine Monolage auf der Produkt-Kontaktseite einer Pappe-Verpackungsstruktur extrusionsgeschichtet wird.
  • Die Struktur verbessert die Beständigkeit gegenüber Nadellöchern, wie auch die Sauerstoffbarrieren-Eigenschaften über die kommerzielle Monolagen-Struktur und erzeugt eine verbesserte Struktur mit einer verbesserten Beständigkeit gegenüber Aufwölbung durch den Monolagen-Extrusions-Beschichtungsprozess.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist eine Fotographie des unteren Abschnitts eines Kontroll-Kartons, nachdem ein Beständigkeitstest gegenüber Nadellöchern mit rotem Farbstoff ausgeführt worden ist; und
  • 2 ist eine Fotographie des unteren Abschnitts eines Kartons, der eine Ausführungsform einer bevorzugten Struktur der Erfindung ist, nachdem der Beständigkeitstest gegenüber Nadellöchern mit rotem Farbstoff ausgeführt worden ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung ist gerichtet auf eine Monolagen-Polyolefin/Polyamidmischungs-Schicht, verwendet in einer Pappe-Verpackungslaminatstruktur. Ein geeigneter Kompatibilitälsvermittler, wie mit Maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polyethylen ermöglicht die Extrusion einer Mischung von Nylon 6 und Polyethylen niedriger Dichte auf einem Pappe-Substrat. Der Zusammensetzungsbereich für die Extrusion umfasst bis zu annährend 40 Gewichtsprozent des Polyamids mit der Verwendung des Maleinsäureanhydrid-funktionalisierten Kompatibilitätsvermittlers. Unter Einsetzen anderer Kompatibilitätsvermittler kann der Bereich des Gewichtsprozent des Polyamides 40 Gewichtsprozent überschreiten. Eine besonders erwünschtes Ausgangsmaterialmischung würde Nylon 6 und Polyethylen niedriger Dichte umfassen.
  • Eine Struktur, umfassend 12 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annährend 20 Gramm pro Quadratmeter) Polyethylen niedriger Dichte als die außenbedruckte Schicht; 265 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annähernd 432 Gramm pro Quadratmeter) Pappesubstrat: 25–30 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annähernd 41–49 Gramm pro Quadratmeter) der Mischung von Nylon 6 und Polyethylen niedriger Dichte mit dem Kompatibilitätsvermittler ist bereitgestellt. Dies ist eine bevorzugte Struktur, obwohl sie in der Offenbarung nicht begrenzend ist. Der Schmelz-Mischungs-Prozess wird erreicht auf zwei Weisen:
  • (1) Innerhalb des Extruders der Extrusionsbeschichtungslinie.
  • In diesem Fall werden die Harze und der Kompatibilitätsvermittler zuerst trocken vermischt und dann in den Trichter des Extruders zugeführt. Alternativ kann man gravimetrische Zuführer verwenden, um jeden Inhaltsstoff in den Trichter mit den geeigneten Anteilen zuzuführen.
    • (2) Verwenden eines getrennten Extruders (einzelne Schraube oder Zwillingsschraube), um die Mischung zuerst zu erzeugen (bevorzugt in einer Pelletform) und dann werden die Mischungspellets in den Trichter des Extruders zur Extrusionsbeschichtung zugeführt.
  • Typische Verarbeitungstemperaturen für Monolagen-Extrusionen von Polyethylen niedriger Dichte können eingesetzt werden, um die neuen Mischungen auf die Pappe Extrusions-zu-schichten.
  • Die in der Erfindung verwendeten Polyamide sind Nylon 6, Nylon 6-6, Nylon 6-10, amorphes Nylon, MXD6 Nylon oder dergleichen. Nylon 6 ist eine bevorzugte Komponente. Die verwendeten Polyolefine umfassen Polyethylen niedriger Dichte, Polyethylen hoher Dichte, Metallocen-Polyethylen, lineares Polyethylen niedriger Dichte, Polypropylen oder Metallocen-Polypropylen.
  • Der verwendete Kompatibilitätsvermittler ist ein mit Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polyethylen. Andere Typen von Polymeren, die als Kompatibilitätsvermittler verwendet werden können, umfassen: Mit Metall neutralisiertes Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer (Surlyn®), Ethylen-Acrylsäure-Copolymer (Primacor®), Ethylen-Methacryl-Copolymer (Nucrel®), mit Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polypropylen (Oravac®), mit Epoxy funktionalisiertes Polyethylen oder mit Epoxy funktionalisiertes Polypropylen (Lotader®).
  • Das verwendete Pappe-Substrat kann ein Basisgewicht innerhalb des Bereiches von 140 lbs. bis 300 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annähernd 228 bis 489 Gramm pro Quadratmeter) besitzen. Für Polyethylenpolymere erstreckt sich der Schmelzflussindex zwischen 1 und 15. Für Polypropylenpolymere beträgt die Schmelzflussgeschwindigkeit zwischen 4 und 60.
  • Gegebenenfalls kann man Füllstoffe in die Mischungen zugeben, um die Steifigkeit oder Barriereneigenschaft zu verstärken. Diese Füllstoffe können Calciumcarbonat, Talk, Glimmer, Ton oder dergleichen sein. Man kann den Füllstoff während des Mischungsprozesses in dem Extruder dazugeben. Alternativ kann man ein Polymer nehmen, das einen vordispergierten Füllstoff enthält, und es mit einem anderen Polymer vermischen. Zum Beispiel kann man mit Calciumcarbonat gefülltes Polyethylen niedriger Dichte mit Nylon 6 schmelz-vermischen. Auf ähnliche Weise kann man mit Talk gefülltes Nylon 6 mit Polyethylen niedriger Dichte schmelzvermischen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform umfasst Nylon 6 mit Nano-Ton und Polyethylen niedriger Dichte, aufgrund der feinen Dispersion der Tonteilchen, die der Mischung barrieren- und mechanische Eigenschaften vermitteln. Außerdem kann man eine vierte polymere Komponente in die Mischungen zugeben anstelle von Füllstoffen, um die Eigenschaften der Mischungen maßzuschneidern.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist ein Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter bereitgestellt, umfassen ein Pappe-Substrat, eine Mischungsschicht eines Polyamidpolymers und eines Polyolefinpolymers, geschichtet auf Pappe-Substrat, wobei die Mischungsschicht einer äußeren Schicht entspricht, wenn das Laminat zum Behälter geformt wird.
  • Ein Behälter mit einer bevorzugten strukturellen Ausführungsform wurde erzeugt und er wurde getestet und verglichen mit einer Kontrolle, wie dargestellt in den folgenden Beispielen:
  • Beispiel 1
  • Eine Mischung von Polyethylen niedriger Dichte oder LDPE (65 Gewichtsprozent), einem Polyamid (Nylon 6) (30 Gewichtsprozent) und einem Kompatibilitätsvermittler (5 Gewichtsprozent) wurde auf ein Pappe-Substrat extrusionsgeschichtet mit einem Basisgewicht von 265 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annähernd 432 Gramm pro Quadratmeter) als die Produkt-Kontaktschicht.
  • Eine Kontrollstruktur wurde auch erzeugt, die bestand aus einer Schicht aus LDPE als die Produkt-Kontaktschicht. In beiden Strukturen bestand die außen bedruckte Schicht aus einer Schicht LDPE. Die Sauerstoffübertragungsrate (OTR) dieser zwei beschichteten Pappen wurde gemessen über ein MOCON-OX-TRAN-Maschinenmodell 2/20 bei 23°C und 50% RF. Um direkt die Daten zu vergleichen, waren die Beschichtungsgewichte für beide Proben dieselben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgelistet. Tablle 1. OTR-Ergebnisse von den zwei Proben
    Kontrollpappe Experimentelle Pappe mit der Mischung auf der matten Seite
    OTR (cc/100 in2 – Tag) 106 66
  • Der Einbau von Nylon 6 in die Mischung verbessert die OTR der beschichteten Pappe wesentlich. Es ist ein Vorteil der Mischung gegenüber dem reinen LDPE.
  • Beispiel 2
  • Eine Mischung von Polyethylen niedriger Dichte oder LDPE (65 Gewichtsprozent), einem Polyamid (Nylon 6) (30 Gewichtsprozent) und einen Kompatibilitätsvermittler (5 Gewichtsprozent) wurde direkt auf die Pappe extrusionsgeschichtet mit einem Basisgewicht von 265 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annähernd 432 Gramm pro Quadratmeter) in der Pilotlinie als die Produkt-Kontaktschicht. Die drei Komponenten wurden trocken vermischt in einem Zementmischer für mindestens zwei Minuten und dann in den Extrudertrichter zugeführt. Eine Kontrollstruktur wurde auch erzeugt durch Extrusionsbeschichten von reinem LDPE auf das Pappe-Substrat als die Produkt-Kontaktschicht. In beiden Strukturen bestand die außen bedruckte Schicht aus zwei Schichten LDPE. Die bedeckte Pappe wurde dann umgewandelt in Zuschnitte mit J-Boden, und diese Zuschnitte wurden in Kartons mit einer Größe eines halben Gallons unter Verwenden einer Evergreen-Befüllungsmaschine geformt. Der Farbbeständigkeitstest gegenüber Nadellöchern wurde ausgeführt mit diesen zwei Typen von Kartons unter Verwenden der wässrigen Scarlett-Moo-Lösung mit rotem Farbstoff. Die Lösung mit rotem Farbstoff wurde zuerst in den leeren Karton für eine Minute gegossen, dann wurde die Farbstofflösung aus dem Karton gegossen. Der Karton wurde dann gründlich mit laufendem Trinkwasser für ein paar Minuten gespült. Der Karton wurde schließlich an der offenen Luft zum Trocknen belassen.
  • Weil der rote Farbstoff in die Faser leicht eindringt, falls es Nadellöcher auf der Beschichtung gibt, wird er eine Markierung in der Form roter Punkte hinerlassen, nachdem er getrocknet ist. Durch Beurteilen ausgehend von dem Ausmaß der Bildung von roten Punkten kann man die Beständigkeit der Kartons gegenüber Nadellöchern bewerten. Der Kontrollkarton LDPE auf der matten Seite zeigt ein sehr ernsthaftes Ausmaß der Nadellochbildung, überwiegend aufgrund einer intensiven Wärme während der Kartonbildung (1). Die experimentelle Struktur mit der LDPE/Nylon 6-Mischung auf der matten Seite zeigt einen viel geringeren Grad der Nadellochbildung (2).
  • Beispiel 3
  • Ein Milchbefüllungstest wurde ausgeführt auf einer Milchproduktverpackungsanlage, um die Leistungsfähigkeit der Kartons mit der LDPE/Nylon 6-Mischung als die Produkt-Kontaktschicht zu bewerten. Das Pappe-Substrat besaß ein Basisgewicht von 265 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annähernd 432 Gramm pro Quadratmeter). Die Kontrollprobe mit LDPE als der Produkt-Kontaktschicht wurde auch in diesen Test einbezogen. In beiden Strukturen bestand die außen bedruckte Schicht aus einer Schicht von LDPE. Beide Strukturen hatten den J-Boden und die Seitennaht in beiden war verdrückt. Die 2%ige UHT (ultrahocherhitzte) Milch wurde gefüllt in die Kartons unter Verwenden des Evergreen-EH1-Füllers unter den normalen kommerziellen Arbeitsbedingungen. Diese Kartons wurden dann in gewellte Boxen gepackt und auf der Standardpalette gestapelt und zu unserem Labor in Cincinnati, Ohio zurückgeliefert. Die Leistungsfähigkeits-Bewertungstests umfassen ein Wölbungs- und Geschmacks-Panel. Der Wölbungswiderstandstest wurde ausgeführt in unserem Labor. Der Geschmacks-Panel wurde ausgeführt bei einem externen unabhängigen Labor mit trainierten Panelmitgliedern. Diese Tests wurden periodisch ausgeführt bis zur Woche 12 oder Woche 13.
  • Die Proben für den Wölbungswiderstandstest wurden frei stehend belassen und gelagert im kalten Raum bei 4°C. Die durchschnittliche Wölbung (Gabel-zu-Gabel-Entfernung und die Seite-zu-Seite-Entfernung) der Kartons wurde gemessen in Form von 1/32 Inch relativ zu den perfekten quadratischen oder nicht-gewölbten Kartons. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet. Tabelle 2. Wölbungswiderstandstests – Ergebnisse (ausgedrückt in Form von 1/32 Inch)
    Zeit, Woche 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
    Kontrolle 4,6 9,5 12,8 14,4 15,2 16,1 17 18 18,8 19,1 19,6 19,8 20
    Experimentell 4,8 9,1 12 13,3 14,6 15,2 15,9 17,1 17,8 18,2 18,6 18,5 18,5
  • Beispiel 4
  • Die 2%-ige UHT-Milch, gelagert in den Kartons und erzeugt in dem Befüllungstest wie beschrieben in Beispiel 3, wurde bewertet auf ihren Geschmack periodisch bei einem externen Labor. Der Test wurde ausgeführt durch Anordnen der Kartons in einer gekühlten Kammer, die offensive Naturproduktgerüche enthielt. Diese Naturprodukte umfassten Zwiebeln, reife Äpfel und reife Bananen. Die trainierten Panelmitglieder stuften den Geschmack der Milch basierend auf einer Skala von 0 bis 100, wobei 0 das Schlechteste war, ein. Die Panelmitglieder gaben auch eine kurze Beschreibung über die Geschmackseigenschaften der getesteten Proben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3. Die Geschmacks-Panel-Ergebnisse von den externen trainierten Panelmitgliedern
    Zeit, Woche Woche 3 Woche 5 Woche 9 Woche 13
    Kontrolle 80 (cremig, milchig, leichter Pappegeschmack) 60 (Pappegeschmack, Fremdaroma, Zwiebel/Naturprodukt) 40 (Fremdaroma, Naturprodukt) 20 (Fremdaroma, Zwiebel, inakzeptabel)
    Experimentell 80 (sauber, cremig, milchig) 100 (cremig, milchig) 80 (sauber, cremig, milchig) 80 (sauber, cremig, milchig, leichter Pappegeschmack)
  • Es soll verstanden werden, dass Variationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung erzeugt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Es sollte auch verstanden werden, dass der Umfang der Erfindung nicht als auf die hier offenbarten spezifischen Ausführungsformen begrenzt interpretiert werden soll.

Claims (15)

  1. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter, umfassend: a) ein Pappe-Substrat; und b) eine Mischungsschicht eines Polyamidpolymers und eines Polyolefinpolymers, geschichtet auf das Pappe-Substrat, wobei die Mischungsschicht einer Produkt-Kontaktschicht entspricht, wenn das Laminat zum Behälter geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungsschicht als eine Monolage auf dem Pappe-Substrat extrusionsgeschichtet wird.
  2. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 1, wobei die Mischungsschicht ferner einem Kompatibilitätsvermittler umfasst.
  3. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 2, wobei die Mischungsschicht annähernd 65 Gewichtsprozent Polyolefinpolymer, annähernd 30 Gewichtsprozent Polyamidpolymer und annähernd 5 Gewichtsprozent Kompatibilitätsvermittler umfasst.
  4. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 1, wobei das Polyamidpolymer Nylon 6, Nylon 6-6, Nylon 6-10, armorphes Nylon oder MXD6 Nylon ist.
  5. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 2, wobei der Kompatibilitätsvermittler ist Maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polyethylen, Metall-neutralisiertes Ethylenmethacryl-Copolymer, Ethylenacrylsäure- Copolymer, Ethylenmethacrylsäure-Copolymere, Maleinsäureanhydridmodifiziertes Polypropylen, epoxy-funktionalisiertes Polyethylen oder epoxy-funktionalisiertes Polypropylen.
  6. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Schicht aus Polyethylenpolymer niedriger Dichte, geschichtet auf eine unbeschichtete Seite des Substrats, wobei das Polyethylenpolymer niedriger Dichte einer außen bedruckten Schicht entspricht, wenn das Laminat zum Behälter geformt wird.
  7. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Schicht aus Polyethylenpolymer niedriger Dichte, geschichtet auf eine unbeschichtete Seite des Substrats, wobei das Polyethylenpolymer niedriger Dichte einer außen bedruckten Schicht entspricht, wenn das Laminat zum Behälter geformt wird.
  8. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 6, wobei die Mischungsschicht ein Gewicht von 25–30 lbs. pro 3000 Quadratfuß (41–49 Gramm pro Quadratmeter) besitzt; das Substrat ein Basisgewicht von 140–300 lbs. pro 3000 Quadratfuß (228–489 Gramm pro Quadratmeter) besitzt; und die außen bedruckte Schicht ein Gewicht von 10–15 lbs. pro 3000 Quadratfuß (16–25 Gramm pro Quadratmeter) besitzt.
  9. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 1, wobei die Mischungsschicht trocken vermischt wird, bevor sie in einen Extrusionsbeschichter gegeben wird.
  10. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 1, wobei das Polyolefinpolymer Polyethylen niedriger Dichte, Polyethylen hoher Dichte, Metallocen-Polyethylen, lineares Polyethylen niedriger Dichte, Polypropylen oder Metallocen-Polypropylen ist.
  11. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 1, wobei die Mischungsschicht ferner umfasst einen Füllstoff, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Calciumkarbonat, Talk, Glimmer, Ton und Kombinationen davon.
  12. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 2, wobei die Mischungsschicht ferner umfasst einen Füllstoff, ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus Calciumkarbonat, Talk, Glimmer, Ton und Kombinationen davon.
  13. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter, umfassend: a) ein Pappe-Substrat mit einem Gewicht von annähernd 265 lbs. pro 3000 Quadratfuß (annähernd 432 Gramm pro Quadratmeter); und b) eine Mischungsschicht, umfassend annähernd 65 Gewichtsprozent eines Polyethylens niedriger Dichte, annähernd 30 Gewichtsprozent eines Nylon 6 und 5 Gewichtsprozent eines mit Maleinsäureanhydrid funktionalisierten Kompatibilitätsvermittlers, extrusionsgeschichtet als eine Monolage auf eine Seite des Substrats als die Produkt-Kontaktschicht, und mit einem Gewicht von 25–30 lbs. pro 3000 Quadratfuß (41–49 Gramm pro Quadratmeter).
  14. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Schicht aus Polyethylen niedriger Dichte, extrusionsgeschichtet auf eine unbeschichtete Seite des Pappe-Substrats als die außen bedruckte Schicht und mit einem Gewicht von 10–15 lbs. pro 3000 Quadratfuß (16–25 Gramm pro Quadratmeter).
  15. Pappe-Verpackungslaminat für einen Behälter, umfassend: a) ein Pappe-Substrat; und b) eine Mischungsschicht eines Polyamidpolymers und eines Polyolefinpolymers, geschichtet auf das Pappe-Substrat, wobei die Mischungsschicht einer äußeren Schicht entspricht, wenn das Laminat zum Behälter geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungsschicht als eine Monolage auf das Pappe-Substrat extrusionsgeschichtet wird.
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