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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein delaminierbares Verpackungsmaterial, das
Schichten von Papier oder Pappe und Kunststoff umfasst, sowie ein
Verfahren zur Herstellung des delaminierbaren Verpackungslaminats.
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Hintergrundtechnik
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In
der Verpackungsindustrie verwendet man oft Verpackungen des Einwegtyps,
und eine große Gruppe
dieser sogenannten Einwegverpackungen wird aus laminiertem Verpackungsmaterial
(Verpackungslaminat) hergestellt, das eine Papier- oder Pappschicht
sowie eine äußere, gegen
Flüssigkeit beständige Polyethylenhülle umfasst.
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Der
Ausgangspunkt für
die Zusammensetzung des laminierten Verpackungsmaterials (des Verpackungslaminats)
besteht darin, das Produkt, das verpackt werden soll, bestmöglich zu
schützen. Gleichzeitig
muss die Verpackung über
ausreichende mechanische Festigkeit und Stabilität verfügen und verlässlich und
einfach zu handhaben sein.
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Eine
Verpackung, die nur aus Papier oder Pappe und Polyethylen besteht,
ist sowohl maßstabil als
auch wasserfest, hat jedoch keine Gassperreigenschaften. Um die
Verpackung zusätzlich
gegen Gase, insbesondere Sauerstoffgas, beständig zu machen, wird das Verpackungslaminat
normalerweise mit einer Aluminiumschicht (einer so genannten Al-Folie)
versehen. Auch andere Materialien als Al-Folie, die über die entsprechenden Beständigkeitseigenschaften
verfügen,
sind in handelsüblichen Einwegverpackungen
zu finden, wie z. B. EVOH, bei dem es sich um ein Copolymer aus
Ethylen und Vinylalkohol handelt.
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Ein
Verpackungslaminat des vorstehend beschriebenen Typs wird herkömmlich durch
ein einfaches Extrusionsverfahren hergestellt, bei dem eine Bahn
aus Papier oder Pappe auf beiden Seiten mit dünnen Schichten extrudierten
Polyethylens beschichtet wird, um die äußeren, flüssigkeitsbeständigen Kunststoffschichten
des Verpackungslaminats herzustellen. Ein Verpackungslaminat, das
zusätzlich gasfest
gemacht wird, wird z. B. dadurch hergestellt, dass man eine Bahn
aus Papier oder Pappe mit einer vorgefertigten Aluminiumbahn verbindet,
die mittels einer Versiegelungsschicht (Klebstoff oder Bindemittel),
welche zwischen den Bahnen extrudiert wird, gut haftend mit der
Papier- oder Pappbahn verbunden wird. Anschließend werden die Bahnen mit
dünnen Schichten
Polyethylen beschichtet, die auf beiden Seiten der Bahnen extrudiert
werden, um die äußeren, gegen
Flüssigkeit
beständigen
Kunststoffschichten des Verpackungslaminats herzustellen.
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Dadurch
kann ein Verpackungslaminat des eingangs beschriebenen Typs vervollständigt und
mit guter innerer Haftfestigkeit (Bindung) versehen werden, die
eine unbedingte Voraussetzung dafür ist, aus dem Verpackungslaminat
eine mechanisch feste und maßstabile
Verpackung herzustellen.
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Obwohl
gute Integrität
und interne Haft- oder Bindungsfestigkeit des Verpackungslaminats
sowohl wünschenswert
als auch notwendig sind, um Verpackungen herzustellen, die über überlegene
mechanische Festigkeit und Maßstabilität verfügen, sind
diese ebenso wichtige und entscheidende Faktoren, wenn es um das
bestmögliche
Recyceln der einzelnen, im Verpackungslaminat verwendeten Materialien
und die Wiederverwendung dieser einzelnen Materialien durch Rückgewinnung
und Recycling in möglichst
reiner Form geht. Beispielsweise besteht auf diesem Gebiet schon
lange Bedarf, den Fasergehalt des Verpackungslaminats (d. h. die
Papier- oder Pappfraktion) zu recyceln, doch wegen der starken Klebehaftung
zwischen der Papier- oder Pappschicht und den benachbarten Versiegelungsschichten
(oder Polyethylenschichten) hat es sich als schwierig erwiesen,
diese Schichten voneinander zu trennen, ohne dass dadurch zu viele
Fasern verloren gehen, die nach der Trennbehandlung am Kunststoff
haften.
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EP-A-0
085 919 offenbart, dass Papier- und Polyethylenschichten mit Polyvinylalkohol
verbunden werden können
und dadurch Gassperreigenschaften erhalten. Die zur Herstellung
der Bindungsschicht verwendete wässrige
Polyvinylalkohollösung
kann auch Alginat oder Carboxymethylcellulose umfassen.
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Aufgaben der
Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die vorstehend aufgeführten Nachteile
im Zusammenhang mit dem beschriebenen Verpackungsiaminat des Standes
der Technik zu beseitigen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verpackungslaminat herzustellen,
das trotz guter Integrität
und guter innerer Haftung zwischen den einzelnen Schichten des Verpackungslaminats
leicht in seine Schichten getrennt und deshalb ohne weiteres recycelt
und wiederverwendet werden kann, ohne dass es wie beim Verpackungslaminat
des Standes der Technik zu übermäßigem Materialverlust
kommt.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verpackungslaminat
herzustellen, das Schichten von Papier oder Pappe und Kunststoff
umfasst, aus dem zumindest der Fasergehalt (das Papier bzw. die
Pappe) des Verpackungslaminats recycelt und im größtmöglichen
Umfang und in der reinstmöglichen
Form wiederverwendet werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verpackungslaminat
zur Verfügung
zu stellen, das einfach in seine Schichten getrennt werden kann
und Sperreigenschaften für
Sauerstoffgas aufweist.
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Lösung
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile werden erfindungsgemäß durch
ein Verpackungslaminat gelöst,
das die in Anspruch 1 aufgeführten kennzeichnenden
Merkmale aufweist.
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Praktische
und bevorzugte kennzeichnende Merkmale des erfindungsgemäßen Verpackungslaminats
gehen außerdem
aus dem kennzeichnenden Teil der Unteransprüche 2 bis 8 hervor.
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Wenn
man die Klebeschicht aus wasserlöslichem
Polymer, die zwischen der Papier- und Pappschicht und der Kunststoffschicht
(bzw. den Kunststoffschichten) aufgebracht wird, verwendet, erhält man erfindungsgemäß ein Verpackungslaminat,
das einerseits über
gute Integrität
und gute innere Haftung (Klebefestigkeit) zwischen der Papier- oder Pappschicht
und den vorstehend erwähnten
Kunststoffschichten verfügt,
andererseits aber auch leicht delaminierbar ist, d. h. sich nach
Verwendung des Verpackungslaminats leicht in seine einzelnen Materialschichten
trennen lässt.
Genauer hat es sich als möglich
erwiesen, aus dem erfindungsgemäßen Verpackungslaminat
Verpackungen herzustellen, die über
Gassperreigenschaften sowie ausreichende mechanische Festigkeit
und Maßstabilität verfügen, um
den äußeren, bei
normaler Handhabung und Verwendung auftretenden Belas tungen standzuhalten, ohne
deformiert oder auf andere Weise beschädigt zu werden, und aus denen
der Fasergehalt (Papier oder Pappe) ohne weiteres mit zur Verfügung stehenden
Mitteln recycelt und wiederverwendet werden kann, ohne dass übermäßig viele
Fasern verloren gehen, weil sie abgetrennt werden und an der abgetrennten
Kunststofffraktion hängen
bleiben.
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Beispiele
für solche
Bindemittel oder Klebstoffe aus wasserlöslichem Polymer, die als "Trennmittelschichten" dienen, können entweder
sogenannte Biopolymere oder synthetische wasserlösliche Polymere sein. Gut funktionierende
praktische Beispiele für
die vorstehenden Biopolymere sind Carboxymethylcellulose (CMC),
Stärke,
Stärkederivate,
Dextrin und Pektin, von denen Stärke
und Stärkederivate
besonders bevorzugt werden. Ein gut funktionierendes und praktisches
Beispiel eines synthetischen wasserlöslichen Polymers ist Polyvinylalkohol.
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In
praktischen Experimenten, die erfindungsgemäß durchgeführt wurden, hat sich gezeigt,
dass die Zwischenschicht selbst bei sehr geringen Mengen von nur
etwa 0,1 g (Trockengewicht)/m2 ein gut integriertes
und gleichzeitig leicht delaminierbares Verpackungslaminat hergestellt
werden kann. Erfindungsgemäß liegt
daher ein praktischer Mengenbereich für die Zwischenschicht aus Bindemittel
oder Klebstoff in der Größenordnung
von etwa 0,1 g (Trockengewicht)/m2 bis etwa
5 g (Trockengewicht)/m2, vorzugsweise etwa
0,5 bis 1 g (Trockengewicht)/m2.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit
dem ein gut integriertes, aber leicht delaminierbares Verpackungslaminat,
das eine Schicht aus Papier oder Pappe und Schichten aus Kunststoffumfasst, hergestellt
werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
hat die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9, während bevorzugte und
vorteilhafte kennzeichnende Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
aus den Unteransprüchen 10 und 11 hervorgehen.
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Kurze Beschreibung
der Begleitzeichnung
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Die
Erfindung wird jetzt anhand des nicht einschränkenden Beispiels eines Verpackungslaminats nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
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Darin
zeigt 1 schematisch einen Querschnitt eines Verpackungslaminats
nach einer Ausführungsform
der Erfindung.
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2 zeigt
schematisch ein Verfahren zur Herstellung des Verpackungslaminats
von 1.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt
also schematisch einen Querschnitt eines Verpackungslaminats nach
einer einfachen Ausführungsform
der Erfindung, die die Bezugszahl 10 hat. Der Begriff "einfache Ausführungsform" soll hier bedeuten,
dass das Verpackungslaminat 10 nur mit einer sehr begrenzten
Anzahl einzelner Schichten gezeigt ist, um das Prinzip so deutlich
wie möglich
darzustellen. In der Praxis kann das Verpackungslaminat jedoch wesentlich
mehr Schichten umfassen als in der Zeichnung zu sehen ist. Das Verpackungslaminat 10 wird
zwar nur mit vier getrennten Schichten gezeigt, doch für einen
Fachmann liegt auf der Hand, dass diese Zahl schwanken kann und
dass die folgende Beschreibung daher nicht so ausgelegt werden sollte,
als würde
sie die Erfindung einschränken.
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Das
Verpackungslaminat 10 hat eine maßstabile starre, aber faltbare
Kernschicht 11 aus Papier oder Pappe, deren Hauptfunktion
darin besteht, dem Verpackungslaminat 10 mechanische Festigkeit und
Stabilität
zu verleihen, damit aus dem Verpackungslaminat 10 maßstabile
Verpackungen hergestellt werden können. Die Kernschicht 11 ist
die Schicht im Verpackungslaminat 10, die die relativ größte Dicke
hat, welche für
den Typ Verpackungslaminat, um den es in der Erfindung besonders
geht, von etwa 100 bis etwa 300 bis 400 μm reichen kann. Die Dicke der
Kernschicht 11 ist jedoch kein kritischer Parameter für die Erfindung.
In ihrem weitesten Rahmen kann die Erfindung auf Verpackungslaminate mit
sowohl kleineren als auch größeren Dicken
der Kernschicht als hier offenbart angewendet werden.
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Auf
beiden Seiten der Kernschicht 11 befinden sich die äußeren Schichten 12 und 13 aus
Kunststoff, durch die die innere, flüssigkeitsabsorbierende Faserschicht 11 (das
Papier bzw. die Pappe) aus beiden Richtungen gegen das Durchdringen
von Feuchtigkeit oder Nässe,
die sonst leicht eindringen und die Faserschicht schlaff und unbrauchbar
machen würde,
geschützt
wird. Der Kunststoff in diesen beiden äußeren Schichten 12 und 13 kann
unterschiedlich gewählt
werden, doch vorzugsweise bestehen die Schichten aus dem gleichen
Kunststoff wie in der gezeigten Ausführungsform, vorzugsweise aus
einem extrudierbaren Duroplasten, wie z. B. Polyethylen niedriger
Dichte (LDPE). Einer der Vorteile von LDPE-Schich ten als äußere, gegen
Flüssigkeit
beständige
Kunststoffschichten 12 und 13 im erfindungsgemäßen Verpackungslaminat 10 besteht
darin, dass sie durch das sogenannte Wärmeversiegeln leicht mit- und
untereinander verbunden werden können. Dabei
handelt es sich um ein effizientes Verfahren, um einer Verpackung,
die durch Ausbildung von Falten hergestellt wurde, ihre erwünschte dauerhafte geometrische
Konfiguration zu geben, während
das Verpackungslaminat 10 wie nachstehend im einzelnen
beschrieben zu maßstabilen
Verpackungen umgewandelt wird. Die Dicke der jeweiligen äußeren Kunststoffschichten 12 und 13 wird
vorzugsweise so gewählt,
dass der gewünschte
Schutz der Faser 11 gegen Nässe und Feuchtigkeit erreicht
und gleichzeitig eine effiziente Wärmeversiegelung zwischen einander
zugewandten Oberflächen
der beiden Schichten ermöglicht
wird. In der Praxis beträgt
die Dicke der jeweiligen Kunststoffschichten 12 und 13 etwa
10 bis 40 μm.
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Wie
aus 1 hervorgeht, sind sowohl die äußere Kunststoffschicht 12 als
auch die äußere Kunststoffschicht 13 in
dieser einfachen Ausführungsform
durch die jeweilige Zwischenschicht 14 bzw. 15 an die innere
Papier- oder Pappschicht 11 gebunden. Diese Zwischenschicht
besteht aus einem Bindemittel oder Kleber mit solchen Eigenschaften,
dass sie sowohl an der Papier- oder Pappschicht 11 als
auch an der äußeren Kunststoffschicht 12 bzw. 13 gut
haftet.
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Beispiele
für solche
erfindungsgemäßen Klebstoffe
oder Bindemittel können
entweder sogenannte Biopolymere oder synthetische Polymere sein,
die neben ihrer guten Klebekraft auch wasserlöslich sein müssen, um
eine leichte Schichtentrennung des Laminats 10 nach dem
Gebrauch zu ermöglichen.
Beispiele für
in Frage kommende erfindungsgemäße sogenannte
Biopolymere sind Carboxymethylcellulose (CMC), Stärke, Dextrin
und Pektin, von denen Stärke
oder Stärkederivate
stärker
bevorzugt werden. Ein gut funktionierendes Beispiel eines wasserlöslichen
synthetischen Polymers ist Polyvinylalkohol.
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Die
klebende Bindemittelzwischenschicht 14, 15, die
bei der Schichtentrennung als Trennmittelschicht fungiert, kann
eine Dicke haben, die zwischen etwa 0,1 g (Trockengewicht)/m2 und höher
variiert, z. B. 0,1 bis 5 g (Trockengewicht)/m2.
Vorzugsweise beträgt
die Dicke etwa 0,5–1
g (Trockengewicht)/m2.
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Überraschend
hat sich herausgestellt, dass aufgebrachte Stärkeschichten als Sauerstoffgassperre
dienen können.
Besonders überraschend
war es, dass kommer ziell akzeptable Gassperreigenschaften auch durch
sehr kleine Mengen an wässrigen
Stärkepolymeren
erreicht werden können.
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Beispielsweise
hat sich herausgestellt, dass aufgebrachte Stärkepolymerschichten 14, 15 mit
einer Dicke von 0,5 bzw. 1 g/m2 eine Sauerstoffgassperre
von 289 cm3/m2 bei
24 h und 1 atm ergeben.
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Außerdem wurde
festgestellt, dass das Aufbringen von Polymerschichten 14, 15 mit
einer Dicke von 1 g bzw. 1,5 g/m2 eine Sauerstoffgassperre
von 141 cm3/m2 bei
24 h und 1 atm ergeben.
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Die
vorstehenden Sperreigenschaften sollten mit denjenigen eines herkömmlichen
Papp-Polyethylen-Laminats ohne eine herkömmliche Sperrschicht wie eine
EVOH-Schicht oder eine Al-Folie verglichen werden; dieses Laminat
hat eine Sauerstoffgassperre von 3000 cm3/m2 bei 24 h und 1 atm.
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Das
erfindungsgemäße Verpackungslaminat 10 kann
in der Weise hergestellt werden, die in 2 schematisch
dargestellt ist. Dort wurden die gleichen Bezugszahlen wie in 1 für gleiche
oder entsprechende Teile verwendet, um einen Vergleich der beiden
Zeichnungen zu erleichtern.
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Eine
Bahn 11 aus Papier oder Pappe wird in Pfeilrichtung aus
einer Magazinrolle (nicht gezeigt) links von 2 zu einer
Beschichtungsstation bei 20 geführt, an der beide Seiten der
Bahn 11 mit einem herkömmlichen
Beschichtungsapparat 21 mit einer dünnen Schicht einer wässrigen
Lösung
oder Dispersion des gewählten
wässrigen
Polymers, z. B. Stärke oder
Polyvinylalkohol, beschichtet werden. Die Menge der wässrigen
Lösung
oder Dispersion, die auf beide Seiten der Bahn 11 aufgebracht
wird, wird so gewählt,
dass jede aufgebrachte Polymerschicht eine Dicke zwischen 0,1 und
5 g (Trockengewicht)/m2, vorzugsweise etwa
0,5 bis 1 g (Trockengewicht)/m2 hat.
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Die
doppelseitig beschichtete Bahn 11 wird weiter zu einer
Trockenstation bei 30 geführt, an der die Bahn mit Hilfe
eines Trocknungsapparates 31 auf beiden Seiten getrocknet
wird, um Wasser aus der zuvor aufgebrachten Polymerschicht zu entfernen (Trocknen).
Nach dem Trocknen sollte die Dicke jeder Polymerschicht wie bereits
erwähnt
vorzugsweise 0,1 bis 5 g (Trockengewicht)/m2,
idealerweise etwa 0,5 bis 1 g (Trockengewicht)/m2 betragen.
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Von
der Trocknungsstation bei 30 wird die getrocknete Bahn 11 über eine
Biegewalze 40 weiter zu einer Extruderstation bei 50 geführt, an
der die Bahn 11 auf beiden Seiten mit dünnen Außenschichten aus Kunststoff
beschichtet wird. Diese werden mit Hilfe geeigneter Extruder 51 auf
die getrockneten Polymerschichten extrudiert. Dies geschieht zum
gleichen Zeitpunkt, da die Bahn durch den Walzenspalt zwischen zwei
sich drehenden Kühlwalzen 52, 52 geführt wird,
um das fertige Verpackungslaminat 10 herzustellen, das
innerhalb des eingekreisten Bereichs bei 1 in Vergrößerung zu
sehen ist. Wie bereits erwähnt,
ist der extrudierte Kunststoff vorzugsweise ein Duroplast, vorzugsweise
ein Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), das für eine effiziente Umwandlung des
Verpackungslaminats 10 zu gegen Flüssigkeit beständigen,
maßstabilen
Verpackungen durch Wärmeversiegelung
geeignet ist.
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Aus
bahn- oder gewebeförmigen,
vorzugsweise vorgefalteten und mit Farbe verzierten Rohlingen des
Verpackungslaminats 10 werden nach der herkömmlichen "form – fill – seal" Technik gegen Flüssigkeit
beständige,
maßstabile
Einwegverpackungen hergestellt, nach der die Verpackungen mit modernen,
rationellen Verpackungs- und Füllmaschinen
hergestellt, gefüllt
und versiegelt werden. Beispielsweise werden aus einer Bahn des
Verpackungslaminats Verpackungen so hergestellt, dass die Bahn zuerst
in einem Rohr reformiert wird, wobei beide Längskanten des Rohrs durch Wärmeversiegelung
mit einer längs überlappenden
Siegelnaht vereinigt werden. Das Rohr wird mit dem entsprechenden
Inhalt gefüllt,
z. B. flüssigen
Lebensmitteln, und dann in Einzelpackungen unterteilt, indem das Rohr
mehrfach quer versiegelt wird, und zwar quer über die Längsachse des Rohrs unter dem
Niveau des Inhalts des Rohrs. Am Schluss werden die Packungen durch über die
Querversiegelungen verlaufende Schnitte geteilt und erhalten durch
eine zusätzliche
Formung und Wärmeversiegelung
nach bekannter Technik ihre erwünschte
geometrische, normalerweise parallelflache Form.
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Nach
der Verwendung kann das Material der Verpackungen auf einfache Weise
und unter Einsatz verfügbarer
Techniken und Anlagen ohne weiteres in seine Einzelkomponenten zerlegt
und in sehr reiner Form recycelt und wiederverwendet werden. Erfindungsgemäß kann insbesondere
der Fasergehalt der Verpackungen (das Papier bzw. die Pappe in der Kernschicht
des Verpackungslaminats) in großen Mengen
recycelt und in äußerst reiner
Form wiederverwendet werden, da die leeren gebrauchten Verpackungen
zuerst in sehr kleine Stücke
oder Streifen zerkleinert werden. Das zerkleinerte Material wird
in einen herkömmlichen
Pulper eingespeist und durch Rühren
in heißem
Wasser bei 40 bis 60°C
mechanisch be arbeitet, um die als "Trennmittel" dienende Schicht aus wasserlöslichem
Polymer aufzulösen. Dadurch
können
die Fasern effektiv vom Kunststoff getrennt werden, ohne dass Fasern
an der Kunststoffoberfläche
hängen
bleiben. Die auf diese Weise getrennten Faser- und Kunststofffraktionen
werden anschließend
physisch voneinander getrennt. Dadurch können die getrennten Fasern
in sehr großer Menge
zurückgeführt und
in äußerst reiner
Form wiederverwendet werden, z. B. zur Herstellung neuen Papiers
oder neuer Pappe.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung geht somit eindeutig hervor, dass
ein erfindungsgemäßes Verpackungslaminat
die Herstellung gegen Flüssigkeit
beständiger,
maßstabiler
Verpackungen zur gleichen Zeit wie die des Verpackungslaminats ermöglicht und
dass aus diesem Verpackungslaminat hergestellte Verpackungen ohne
weiteres in ihre Einzelschichten getrennt werden und daher mit einfachen Techniken
und verfügbaren
Anlagen leicht recycelt und wiederverwendet werden können. Insbesondere stellt
die Erfindung ein Verpackungslaminat auf Papier- oder Pappbasis
zur Verfügung,
aus dem praktisch der gesamte Fasergehalt des Verpackungslaminats
(Papier oder Pappe) recycelt und in extrem reiner Form wiederverwendet
werden kann.
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Für einen
Fachmann werden verschiedene Modifikationen und Abwandlungen des
vorstehend spezifisch beschriebenen Verpackungslaminats auf der
Hand liegen, ohne dass dadurch der Rahmen der hier offenbarten Erfindung
verlassen würde.
Beispielsweise kann das Verpackungslaminat zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Schichten
eine Vielzahl anderer Schichten aus dem gleichen oder anderen Materialien
enthalten, z. B. zusätzliche
Sperrmaterialien (z. B. Al-Folie oder EVOH). In diesen Fällen kann
das erfindungsgemäße Verpackungslaminat zusätzliche
Klebe- oder Bindemittelschichten enthalten, die als Trennmittelschichten
zwischen den vorstehend erwähnten
zusätzlichen
Schichten fungieren, damit das Verpackungslaminat einfach delaminiert
werden kann und diese zusätzlichen
Schichten ebenfalls recycelt und wiederverwendet werden können. Solche
Modifikationen und Abwandlungen liegen daher im Rahmen des erfindungsgemäßen, in den
Ansprüchen
definierten Konzepts.