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Dokumentenidentifikation DE102006018872A1 25.10.2007
Titel Feuchteregulierendes Verpackungsmaterial, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Langowski, Horst-Christian, Prof. Dr., 85406 Zolling, DE;
Sängerlaub, Sven, Dipl.-Ing. (FH), 04509 Krostitz, DE;
Wanner, Thomas, Dipl.-Ing., 86529 Schrobenhausen, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 80339 München
DE-Anmeldedatum 24.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018872
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse B65D 81/26(2006.01)A, F, I, 20061211, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein feuchteregulierendes Verpackungsmaterial aus einer mit Kavitäten versehenen Polymermatrix, in der eine die in der Umgebung vorhandene Feuchtigkeit regulierende Substanz eingebettet ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Verpackungsmaterialien. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien insbesondere in der Lebensmittel-, der pharmazeutischen und der chemischen Industrie. Ebenso sind aber auch Verwendungen für die Verpackung von elektronischen Bauteilen denkbar.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein feuchteregulierendes Verpackungsmaterial aus einer mit Kavitäten versehen Polymermatrix, in der eine die in der Umgebung vorhandene Feuchtigkeit regulierende Substanz eingebettet ist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Verpackungsmaterialien. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien insbesondere in der Lebensmittel-, der pharmazeutischen, und der chemischen Industrie. Ebenso sind aber auch Verwendungen für die Verpackung von elektronischen Bauteilen denkbar.

Zur Einflussnahme auf die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung von gegenüber Luftfeuchtigkeit empfindlichen Produkten sind grundsätzlich zwei verschiedene Varianten bekannt.

Die erste Variante betrifft Feuchteabsorber, d.h. Stoffe und Stoffsysteme, die Wasserdampf absorbieren können. Mit Hilfe derartiger Stoffe lässt sich die Umgebungsfeuchte auf bis zu 0 % relative Feuchte reduzieren. Typische Feuchteabsorber sind Oxide, z.B. Calciumoxid, oder spezielle Silikate, wie z.B. ein Molekularsieb. Die Absorption der Luftfeuchtigkeit, z.B. von Wasserdampf, ist unter Umgebungsbedingung irreversibel. Nur bei starker Erhitzung kann die absorbierte Feuchtigkeit vollständig freigesetzt werden.

Die zweite Variante betrifft sog. Feuchteregulatoren, d.h. Stoffe und Stoffsysteme, welche durch Aufnahme oder Abgabe von Feuchtigkeit eine bestimmte relative Feuchte in einem abgeschlossenen System einstellen und konstant halten können. Auf diese Weise kann die relative Feuchte in einem Bereich zwischen 1 und 100 % eingestellt werden.

Feuchteregulatoren absorbieren Wasserdampf ab einer bestimmten stoffspezifischen relativen Luftfeuchte. Spezielle Silikate, wie Silikagel und Bentonit, Cellulose und spezielle Alkohole absorbieren Wasserdampf ab etwa 1 % relative Luftfeuchte.

Hygroskopische Salze und hygroskopische Zucker absorbieren Wasserdampf, je nach Substanz, bei geringen, mittleren und hohen relativen Luftfeuchten. So absorbiert Lithiumbromid ab einer relativen Luftfeuchte von 6 %, Magnesiumnitrat ab 53 % relative Luftfeuchte und Kaliumsulfat ab 97 % relative Luftfeuchte. Die hygroskopischen Salze und Zucker lösen sich durch die Absorption von Wasserdampf in dem absorbierten Wasser auf. Konzentrierte Lösungen mit Bodensatz, d.h. nicht gelöste Kristalle, von hygroskopischen Salzen und Zuckern puffern ihre Umgebungsfeuchte auf die relative Feuchte, bei der sie beginnen Wasserdampf zu absorbieren. Steigt die Umgebungsfeuchte, absorbieren die Lösungen mit Bodensatz Wasserdampf und ihre Kristalle lösen sich auf. Sinkt die Umgebungsfeuchte, geben die Lösungen Wasserdampf ab und es fallen ihre Kristalle aus.

Das besondere bei hygroskopischen Salzen und Zuckern ist deren hohe Absorptionskapazität. Sie absorbieren bei hohen relativen Luftfeuchten ein Vielfaches ihres Eigengewichtes an Wasserdampf. Dabei bilden sich Salz- bzw. Zuckerlösungen. Das Volumen dieser Lösungen ist größer als das Volumen der ungelösten Salz- oder Zuckerkristalle. Je mehr Wasserdampf absorbiert wird, desto stärker erhöht sich das Volumen der Salz- bzw. Zuckerlösungen.

Silikate und Cellulose haben eine deutlich geringere Absorptionskapazität als hygroskopische Salze und Zucker. Silikate und Cellulose geben absorbierten Wasserdampf unvollständig bei sinkender Umgebungsfeuchte ab. Hierbei spricht man auch von einer Hysterese.

Aus dem Stand der Technik sind Beutel oder Sachets bekannt, die mit Feuchteabsorbern bzw. Feuchteregulatoren gefüllt sind. Diese werden zur Reduzierung der Umgebungsfeuchte eingesetzt.

Aus der US 6,217,701 B1 ist eine Zusammensetzung aus Stärke und Calciumchlorid als Feuchteregulator bekannt. Die Stärke bindet hier die Calciumchloridlösung, die sich durch Absorption des Wasserdampfes durch das Calciumchlorid bildet.

Es sind ebenso Feuchteabsorber und Regulatoren bekannt, die in Polymer- oder Oligomer-Matrizes eingearbeitet sind. Bei diesen Systemen handelt es sich um Compounds bzw. Dispersionen aus Polymeren, Lacken oder Heißschmelzklebstoffen mit pulvrigen Feuchteabsorbern bzw. Feuchteregulatoren, die zu Formkörpern extrudiert oder als Beschichtung aufgetragen werden können (DE 695 12 331 T2 und DE 198 26 209 A1).

Die vorbeschriebenen Systeme werden jedoch lediglich zur Absorption von Wasserdampf eingesetzt und sind zur Regulierung der Umgebungsfeuchte weder vorgesehen noch darauf optimiert.

Aus der DE 40 00 143 A1 ist eine feuchtigkeitsregulierende Verpackung bekannt, die auf einem Vlies basiert, das die Umgebungsfeuchte regulieren kann. Das Vlies ist dabei mit einer hygroskopischen Lösung imprägniert. Weiterhin sind aus der DE 691 22 287 T2 Wasserdampf-durchlässige Beutel bekannt, die mit Feuchteregulatoren gefüllt sind.

Diese beiden Systeme zur Feuchteregulierung bringen aber den Nachteil mit sich, dass Beutel und Vliese mit Feuchteregulatoren keinen Schutz vor dem Austritt des flüssigen Feuchteregulators, insbesondere bei Beschädigung, gewähren. Beutel und Vliese sind nicht als Packmittel, sondern nur als Packhilfsmittel geeignet und werden den Verpackungen beigefügt.

Auf der anderen Seite haben Polymer-Matrizes mit darin enthaltenen festen Feuchteregulatoren oft eine geringe Absorptions- und Desorptionskapazität für Wasserdampf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher die Bereitstellung feuchteregulierender Verpackungsmaterialien, die zu Verpackungen verarbeitet werden können. Diese Verpackungsmaterialien sollen die relative Feuchte im Kopfraum einer Verpackung durch Ab- und Desorption von Feuchtigkeit einstellen können. Gleichzeitig können Sie Abhilfe schaffen, dass bei einer Beschädigung des Verpackungsmaterials der Feuchteregulator nicht austreten kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verpackungsmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. In Anspruch 21 werden erfindungsgemäße Verwendungen genannt. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird ein feuchteregulierendes Verpackungsmaterial bereitgestellt, das aus einer Polymer-Matrix besteht, die eine Vielzahl von Kavitäten aufweist. Das Verpackungsmaterial ist eine extrudierte Folie, ein extrudiertes Spritzgussteil oder ein gegossenes Verpackungsmaterial. In der Polymer-Matrix ist dabei mindestens ein für die Aufnahme und/oder Abgabe von Feuchtigkeit geeigneter Feuchteregulator dispergiert.

Die erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien bringen dabei folgende Vorteile mit sich:

  • • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien kann die relative Feuchte in einem geschlossenen Raum in einem Bereich der relativen Feuchte von 1 bis 100 % eingestellt werden.
  • • Die relative Feuchte kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien den Bedürfnissen des zu verpackenden Füllgutes angepasst werden.
  • • Erfindungsgemäß kann eine Kondenswasserbildung bei zu hoher relativer Feuchte, speziell bei Temperaturabsenkung, kompensiert werden.
  • • Das Mikrobenwachstum durch hohe Umgebungsfeuchten kann stark vermindert werden.
  • • Der Wasserverlust und damit das Austrocknen des zu verpackenden Füllgutes kann vermieden werden.
  • • Somit kann eine optimale Produktqualität des Füllgutes und eine Mindesthaltbarkeit sichergestellt werden.

Der Feuchteregulator wird dabei durch das Verpackungsmaterial gebunden, sodass ein Austreten des Feuchteregulators auch bei einer Sättigung mit Wasserdampf verhindert wird.

Entscheidende Bedeutung gegenüber dem Stand der Technik kommt dabei den Kavitäten, d.h. Hohlräumen, in den erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien zu. So können Lösungen, die sich aus den Feuchteregulatoren in der Polymer-Matrix während der Absorption von Feuchtigkeit bilden, in den Kavitäten aufgenommen werden. Dadurch werden die Lösungen in der Matrix gespeichert, ohne dass diese aus der Matrix austreten können. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verpackungsmaterialien wird die Kapazität für die Absorption von Feuchtigkeit, insbesondere von Wasserdampf, stark erhöht. Die absorbierte Feuchtigkeit, insbesondere Wasserdampf, kann im Gegensatz zum Stand der Technik von den sich bildendenden Lösungen in den Kavitäten gespeichert werden.

Ein weiterer Vorteil ist darauf zurückzuführen, dass durch die Kavitäten die Durchlässigkeit für Feuchtigkeit der Polymer-Matrix erhöht wird, wodurch die Absorptions- und Desorptionsgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Die Polymer-Matrix besteht vorzugsweise aus einem Polymer, einem Copolymer und/oder deren Blends oder Legierungen. Dabei ist es möglich, sowohl polare als auch unpolare Polymere zu verwenden. Das polare Polymer ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der Polyamide, Polyvinylester, Polyester, Polyurethane, Säurecopolymere, Polycarbonate, Polystyrole, Ionomere und Mischungen hiervon. Bei Verwendung unpolarer Polymere sind diese vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine. Besonders bevorzugt werden als unpolare Polymere Polyethylen und/oder Polypropylen verwendet.

Hinsichtlich der Feuchteregulatoren gibt es grundsätzlich keinerlei Beschränkungen, sofern diese Substanzen geeignet sind, Feuchtigkeit aufzunehmen und/oder abzugeben. Vorzugsweise sind die Feuchteregulatoren ausgewählt aus der Gruppe der Salze der Alkali- und Erdalkalimetalle, der hygroskopischen Zucker, der Alkohole, der Silikate und beliebigen Mischungen hiervon. Als Salz der Alkali- bzw. Erdalkalimetalle wird besonders bevorzugt Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Zinkchlorid, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Kaliumsulfat, Kaliumnitrat und/oder Calciumchlorid verwendet. Als hygroskopischer Zucker ist vorzugsweise Fructose, Glucose und Saccharose enthalten. Unter den Alkoholen sind insbesondere Glycerin und/oder Glycol bevorzugt. Aus der Gruppe der Silikate sind Silikagel und/oder Bentonit besonders bevorzugt.

Vorzugsweise ist in dem Verpackungsmaterial der Feuchteregulator in einer Menge von 0,1 bis 70 Gew.-% enthalten. Besonders bevorzugt liegt er im Bereich von 5 bis 20 Gew.-%.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verpackungsmaterials sieht vor, dass die Kavitäten durch Schäumen der Polymer-Matrix während der Herstellung derselben erzeugt worden sind. Das Schäumen kann mit physikalisch und/oder chemisch wirkenden Treibmitteln durchgeführt werden. Eine weitere bevorzugt Variante, die auch mit der zuvor genannten Variante kombiniert werden kann, sieht vor, dass die Kavitäten oder zusätzlichen Kavitäten durch Recken des Verpackungsmaterials erzeugt werden. Das Verpackungsmaterial kann während oder nach einer Folienextrusion in einem separaten Arbeitsschritt gereckt werden. Zusätzlich kann eine Folie während eines Thermoformprozesses gereckt werden. Beim Recken der Verpackungsmaterialien befinden sich die festen Feuchteregulatoren, die vorzugsweise in Pulverform vorliegen, in der Mitte der Kavitäten. Diese lösen sich dann während des Reckens von der Polymer-Matrix ab. Somit sind sie nicht durch die Polymer-Matrix versiegelt, was zu einer verbesserten Absorptionskinetik führt. Durch das Recken nach dem Schäumen der Polymer-Matrix kann die Wasserdampfdurchlässigkeit erhöht werden, wodurch es zu einer erhöhten Absorptions- und Desorptionsgeschwindigkeit kommt. Die Kavitäten haben dabei vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 0,1 &mgr;m bis 50 &mgr;m.

Bevorzugt liegt das Verpackungsmaterial in Form einer Folie vor, die dann für die Verpackung beliebiger Produkte eingesetzt werden kann.

Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass das Verpackungsmaterial zwischen einer Barrierefolie und einer Siegelfolie eingebettet ist.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines feuchteregulierenden Verpackungsmaterials, wie es zuvor beschrieben wurde, bereitgestellt, bei dem der Feuchteregulator, mit dem das die Polymer-Matrix bildende Polymer vermischt und so in die Polymer-Matrix eingebettet wird. Gleichzeitig oder im Anschluss werden dann in der Polymer-Matrix Kavitäten erzeugt.

Eine bevorzugte Variante sieht dabei vor, dass die Kavitäten durch Schäumen der Polymer-Matrix erzeugt werden. Alternativ oder in Kombination können die Kavitäten auch durch Schäumen während der Extrusion eines mit Wasser beladenen Feuchteregulators gebildet werden. Ebenso ist es möglich, dass die Kavitäten durch Recken des Verpackungsmaterials, d.h. z.B. nach der Extrusion, erzeugt werden. Die Maßnahmen des Schäumens und des Reckens können auch kombiniert werden, wobei durch das Recken nach dem Schäumen der geschlossenzellige Schaum zusätzlich aufgerissen und in einen offenzelligen Schaum überführt wird.

Die erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien finden Verwendung zur Verpackung von festen oder flüssigen Lebensmitteln, Arzneimitteln, chemischen Substanzen, Gefahrgütern, elektronischen Produkten, Kulturgütern, Zierpflanzen. Die Einsatzgebiete erstrecken sich hierbei auf die Lebensmittelindustrie, die pharmazeutische Industrie ebenso wie auf den kulturellen, militärischen und chemischen Bereich. Auch eine Verwendung als partiell optimierte Einzelfolie ist möglich.


Anspruch[de]
Feuchteregulierendes Verpackungsmaterial aus einer Kavitäten aufweisenden Polymermatrix, in der mindestens ein für die Aufnahme und/oder Abgabe von Feuchtigkeit geeigneter Feuchteregulator dispergiert ist. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix aus einem Polymer, einem Copolymer und/oder deren Blends oder Legierungen besteht. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix aus einem polaren und/oder unpolaren Polymer besteht. Verpackungsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyamide, Polyvinylester, Polyester, Polyurethane, Säurecopolymere, Polycarbonate, Polystyrole, Ionomere und deren Mischungen. Verpackungsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das unpolare Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyolefine, insbesondere Polyethylen und Polypropylen. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteregulator ausgewählt ist aus der Gruppe der Salze der Alkali- und Erdalkalimetalle, der hygroskopischen Zucker, der Alkohole, der Silikate und Mischungen hiervon. Verpackungsmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Salz der Alkali- und Erdalkalimetalle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Zinkchlorid, Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat, Kaliumsulfat, Kaliumnitrat und/oder Calciumchlorid. Verpackungsmaterial nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der hygroskopische Zucker Fructose, Glucose und Saccharose ist. Verpackungsmaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol ein Glycerin und/oder ein Glykol ist. Verpackungsmaterial nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikat ein Silikagel und/oder Bentonit ist. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteregulator im Verpackungsmaterial in Pulverform oder flüssig vorliegt. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpackungsmaterial von 0,1 bis 70 Gew.-%, insbesondere von 5 bis 20 Gew.-% des mindestens einen Feuchteregulators enthält. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten durch Schäumen der Polymermatrix bei der Herstellung und/oder durch Recken des Verpackungsmaterials erzeugt worden sind. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteregulator zumindest teilweise losgelöst von der Polymermatrix in den Kavitäten angeordnet ist. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten einen mittleren Durchmesser von 0,1 &mgr;m bis 50 &mgr;m aufweisen. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Form einer Folie. Verpackungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpackungsmaterial zwischen einer Barrierefolie und einer Siegelfolie eingebettet ist. Verfahren zur Herstellung eines feuchteregulierenden Verpackungsmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Feuchteregulator mit dem die Polymermatrix bildenden Polymer vermischt und so in die Polymermatrix eingebettet wird und in der Polymermatrix Kavitäten erzeugt werden. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten durch Schäumen der Polymermatrix erzeugt werden. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten durch Schäumen während der Extrusion eines mit Wasser beladenen Feuchteregulators gebildet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten durch anschließendes Recken des Verpackungsmaterials erzeugt werden. Verwendung des Verpackungsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Verpackung von festen oder flüssigen Lebensmitteln, Arzneimitteln, chemischen Substanzen, Gefahrgütern, elektronischen Produkten, Kulturgütern und Zierpflanzen. Verwendung des Verpackungsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Verwendung als partiell optimierte Einzelfolie.






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