具有优异的水汽和气体阻隔性能的阻隔层压材料及其生产方法与流程

本发明涉及一种对水和气体具有优异阻隔性能的阻隔层压材料及其制造方法。

背景技术：

食品包装中使用的包装材料要求具有能够阻挡氧气、水汽和其他可能导致食品变形的气体的物理性能，以抑制内容物的腐烂或酸败，以及保持食品的功能和外观。因此，高阻隔薄膜、铝等被用于传统的包装材料，以提供气体阻隔性能。然而，高阻隔薄膜是昂贵的，并且存在许多问题，例如，在使用后废弃处置之前，需要将铝等金属材料作为不可燃材料进行处理。

因此，用聚乙烯(pe)等聚合物涂覆的纸被广泛用于一次性容器。一般来说，聚乙烯涂覆的纸是通过在纸的一面或两面挤出涂覆聚乙烯生产而成，因此统称为防止内容物泄漏及防止水汽吸收用纸。

聚乙烯涂覆的纸具有优异的水汽阻隔性能，能够阻隔水汽。然而，这种纸的缺点在于对氧的阻隔性能很差，并且将其制备成容器时，其内容物会被氧化和腐烂。因此，为了防止食物因接触氧气的氧化、腐烂等，并允许长期保存，可以引入铝涂层(例如利乐(tetrapak))以赋予氧气阻隔性能，或者可引入尼龙、evoh等涂层。然而，引入铝涂层不仅需要铝(其是一种昂贵的材料)，而且还需要昂贵的工艺。此外，尼龙和evoh不仅是昂贵的，而且还需要额外的粘合层。

此外，聚乙烯是一种典型的非极性树脂，对纸的附着力低。为了提高对纸的附着力，存在以下困难：将聚乙烯在300℃至350℃的高温下挤压并热氧化，以在熔体表面引起极性基团，从而涂覆在纸上。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是提供一种具有阻隔层的高阻隔基材，所述阻隔层具有优异的水汽和空气阻隔性能。

本发明所要解决的另一个问题是提供一种制造高阻隔基材的方法。

此外，本发明所要解决的另一个问题是提供一种由高阻隔基材制成的软包装材料。

为了解决本发明的问题，本发明提供了一种阻隔层压材料，其包括纸基材和直接在纸基材上形成的阻隔层，其中阻隔层是用于同时阻挡气体和水汽的单层。

阻隔层可包括一种或多种聚合物和共聚物，所述聚合物和共聚物选自苯乙烯-丁二烯聚合物、苯乙烯-丙烯酸聚合物、聚乙烯醇、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯和聚乙烯-乙烯醇。

根据一个实施方式，可通过施胶或涂覆对所述纸基材进行表面处理以及对所述纸基材进行压延。

根据一个实施方式，阻隔层可包括聚偏二氯乙烯或其共聚物。

根据一个实施方式，聚偏二氯乙烯或其共聚物可以是聚偏二氯乙烯和氯乙烯或丙烯腈的共聚物。

根据一个实施方式，采用至少一种表面处理剂，可通过施胶或涂覆对所述纸基材进行表面处理，所述表面处理剂选自淀粉、聚乙烯醇(pva)和羧甲基纤维素(cmc)。

根据一个实施方式，纸基材的毛体积密度可为0.8至1.2cm³/g。

此外，纸基材的平滑度可为1800至2300秒。

根据一个实施方式，纸基材的空气透过率为1ml/min或更低。

根据一个实施方式，层压材料的氧气透过率可为0.01至10cc/m²·天，水蒸气透过率可为0.01至10g/m²·天。

此外，为了解决另一个问题，本发明提供了一种制造阻隔层压材料的方法，包括以下步骤：

对纸基材进行施胶或涂覆，以进行表面处理；

通过压延处理增加经表面处理的纸基材的密度；

压延处理后，将含有聚合物的水性涂料溶液施加在纸基材上，形成阻隔层；以及

对所述水性涂料溶液进行干燥。

根据一个实施方式，压延处理可在压力为200kn或更高以及加热辊温度为90至160℃的工艺条件下进行。

根据一个实施方式，含有聚合物的水性涂料溶液的固含量可为40至60wt％，ph值可为1至5，粘度可为10至50mpa·s，表面张力可为30至80mn/m，平均粒径可为100至130nm，最小成膜温度可为10至25℃。

根据一个实施方式，水性涂料溶液可包括至少一种无机颜料，所述无机颜料选自高岭土、纳米粘土、碳酸钙、二氧化钛、胶体二氧化硅和分层粘土。

根据一个实施方式，水性涂料溶液可进一步包括选自ph调节剂、消泡剂和固化剂中的至少一种。

根据一个实施方式，纸基材的毛体积密度可为1.4至1.8cm³/g，平滑度可为10秒或更高，空气透过率可为15ml/min或更高。

根据一个实施方式，水性涂料溶液的涂覆量按干重计可为5至20g/m²。

根据一个实施方式，压延处理后的纸基材的毛体积密度可为0.8～1.2cm³/g。

根据一个实施方式，压延处理后的纸基材的平滑度可为1800至2300秒。

根据一个实施方式，压延处理后的纸基材的空气透过率可为1ml/min或更低。

根据一个实施方式，压延处理后的纸基材的厚度可压缩至初始厚度的70％或更低。

此外，本发明提供了一种由高阻隔层压材料制成的软包装材料。

本发明效果

本发明涉及一种具有优异的氧气和水汽阻隔性能的层压材料。通过在纸基材进行压延处理后涂覆水基阻隔涂层，可以更有效地形成阻隔层，从而改善涂覆纸的氧气和水汽的阻隔性能。此外，本发明可以通过直接在纸上涂覆水基阻隔涂层来减少用于形成阻隔薄膜的材料的使用量和碳排放量。因此，能够以更环保的方式制造具有优异阻隔性能的纸。

附图说明

图1是根据一个实施方式的阻隔层压材料的制造过程的流程图。

图2是根据一个实施方式的阻隔层压材料的横截面图。

具体实施方式

由于可以在本发明中进行各种修改和变化，所以在附图中举例说明了具体实施方式，并且将在具体说明中详细描述。然而，应当理解，本发明并非旨在限于具体实施方式，而是包括属于本发明精神和范围内的所有修改、等效物和替代物。在本发明以下说明中，如果确定已知功能的详细描述可能会模糊本发明的要旨，则省略对已知功能的详细描述。

传统的阻隔薄膜是通过在薄膜上沉积铝或siox，或者涂覆阻隔材料(pvdc、evoh、pva等)制备而成。然而，当将阻隔层直接施加在纸上时，由于纸的表面变化和空隙，阻隔材料无法在纸表面上均匀地形成，因此存在薄膜无法适当地形成的问题。

为了解决这些传统问题，本发明提供了一种阻隔层压材料，其包括纸基材和直接在纸基材上形成的阻隔层，所述阻隔层是用于同时阻挡气体和水汽的单层。

根据本发明的阻隔层压材料可通过以下方法制造，所述方法包括以下步骤：

对纸基材进行施胶或涂覆，以进行表面处理；

通过压延处理增加经表面处理的纸基材的密度；

压延处理后，将含有聚合物的水性涂料溶液施加在纸基材上，形成阻隔层；以及

对所述水性涂料溶液进行干燥。

图1是根据本发明的层压材料的制造过程的流程图。参照图1，用具有自身阻隔性能的材料处理纸的表面，以抑制纸的渗透(s1)，通过加热和施压进行挤压纸张的压延处理，以提高纸的密度和表面的均匀度(s2)，然后利用水性涂料溶液形成涂层膜(s3)，由此制备具有高的水汽和气体阻隔性能的阻隔层压材料。图2是根据本发明制备方法而制造的阻隔层压材料的横截面图。

根据本发明，通过在表面处理工艺之后但在阻隔涂层膜的涂覆工序之前进行压延处理，不仅可以提高纸的密度(即，减小毛体积)，而且还在纸表面上，更加均匀地形成在纸基材上涂覆的阻隔涂层，从而显著提高了水汽和气体的阻隔性能。

根据一个实施方式，压延处理优选地采用超压延工艺进行，其速度为300m/min或更高，例如300～450m/min，压力为200kn或更高，优选地为250kn或更高，例如200～400kn。加热辊的温度可为90～160℃。为了平滑度和光泽度，可以重复进行一次或多次的压延处理。

根据一个实施方式，压延处理后，纸基材的厚度可压缩至相对于初始厚度的70％或更低，例如，50％至70％，优选地为50％至60％。

根据一个实施方式，如果纸基材的毛体积密度为1.4至1.8cm³/g，则压延处理后的纸基材的毛体积密度可为0.80至1.2cm³/g，更优选地为0.85至1.0cm³/g·天。对于纸的毛体积密度，该值越低，则密度越高，即组织越紧密。

此外，压延处理后，纸基材的表面会更平整。例如，纸基材的平滑度可以根据10ml空气在样品和玻璃之间通过所用的时间来评定。如果纸基材的平滑度为10秒或更高，则压延处理后的纸基材的平滑度可为1800至2300秒。

此外，与原纸相比，压延处理后的纸基材具有显著降低的空气透过率，例如，空气透过率可为1ml/min或更低，优选地为0.6ml/min或更低。

用于对纸基材进行施胶或涂覆的表面处理剂可包括选自以下中的一种或多种：淀粉、淀粉衍生物、聚乙烯醇(pva)、羧甲基纤维素(cmc)、乳胶及其混合物。例如，表面处理剂可包括具有自身阻隔性能的聚乙烯醇(pva)。除上述组分外，还可包括1至50重量％的阳离子树脂。

淀粉可以是从选自大米、玉米、糯玉米、大麦、小麦、马铃薯和木薯的物质中提纯的生淀粉。淀粉衍生物可以是上述物质经酸处理、酶处理、氧化、酯化或醚化制备的淀粉衍生物。例如，可以使用淀粉衍生物，该淀粉衍生物通过将生淀粉和低分子量的改性淀粉按1:19至19:1的摩尔比混合，然后用阳离子取代基进行醚化和酯化而得到。

按纸基材的总重量计(或按纸浆为100份重量份数计)，可以使用1至5重量％(或重量份数)的表面处理剂。

作为包含在水性涂料溶液中的阻隔材料，可使用不含亲水基团的聚合物，以有效抑制由于纸的亲水性而可能发生的水汽渗透。例如，它可以包括一种或多种聚合物或共聚物，所述聚合物或共聚物选自苯乙烯-丁二烯、苯乙烯-丙烯酸、聚乙烯醇、偏氯乙烯聚合物、丙烯腈聚合物、氯乙烯聚合物和乙烯-乙烯醇聚合物。例如，聚偏二氯乙烯(pvdc)或包括其的共聚物，其具有优异的气体和水汽渗透阻隔性能和耐热性，可用作阻隔材料。

根据优选的实施方式，所述聚合物可以是聚偏二氯乙烯(pvdc)和氯乙烯或丙烯腈的共聚物，并且可以使用市售产品。在这种情况下，pvdc重复单元的分子量可为约70～120g/mol或80～110g/mol。

此外，含有聚合物的水性涂料溶液的固含量可为40至60wt％，ph值可为1至5，粘度可为10至20mpa·s，表面张力可为40至80mn/m，平均粒径可为100至130nm，最小成膜温度可为10-25℃。当涂料液体具有这些物理性质时，可进一步改善纸基材的阻隔性能。在此，平均粒径是指固体内容物的平均粒径，除非另有说明。

此外，所述水性涂料溶液除阻隔材料外，还可包括至少一种无机颜料，所述无机颜料选自高岭土、纳米粘土、白炭黑、滑石、沸石、研磨碳酸钙、沉淀碳酸钙、二氧化钛、胶体二氧化硅和分层粘土。

此外，水性涂料液体可以进一步包括选自ph调节剂、消泡剂和固化剂(如有必要)中的至少一种，其用量在不影响阻隔层压材料性能的范围内。

水性涂料溶液的涂覆量按干重计为5至20g/m²，优选地为10至20g/m²。如果涂覆量小于5g/m²，则涂层难以填充原纸的所有孔隙；如果涂覆量大于20g/m²，则可能出现干燥不良和制造成本过度增加的情况。

所述水性涂料溶液可以以下方式涂覆在纸基材上，所述方式包括但不限于计量施胶压榨、喷雾涂布、气刀涂布、刮刀涂布、刮棒涂布机、帘幕涂布、柔印涂布或凹版涂布。

此外，阻隔层是通过涂覆水性涂料溶液两次或三次而形成的，并且涂层可通过执行三种或多种涂覆工艺来形成。

根据本发明，通过使用含有如上所述的阻隔材料的水性涂料溶液涂覆纸基材，能够以更环境友好的方式制造对水和气体具有优异的阻隔性能的阻隔层压材料。

纸基材可包括化学制浆，例如漂白硫酸盐阔叶木浆(laubholzbleachedkraftpulp，lbkp)、漂白硫酸盐针叶木浆(nadelholzbleachedkraftpulp，nbkp)和亚硫酸盐浆(sp)，机械制浆(例如石磨浆(sgp)、热机械浆(tmp)、化学热机械浆(ctmp)、脱墨浆(dip)、由红麻、竹子、大麻获得的非木材纤维，等等，以及它们的组合。

根据一个实施方式，该纸基材，即原纸的毛体积密度为1.4到1.8cm³/g，平滑度为10秒或更高以及空气透过率为15ml/min或更高。

在本发明中，当将表现出阻隔性能的材料，例如pva(聚乙烯醇)或pvdc(聚偏二氯乙烯)、evoh(乙烯-乙烯醇)直接涂覆在纸上时，由于多孔纸的性质，这些材料会渗透入纸中，所以很难形成表面膜。因此，通过压延处理增加纸的密度，并通过施胶处理抑制阻隔材料对纸的渗透，可以直接在纸表面上形成阻隔薄膜。

根据本发明制造的阻隔层压材料可具有优异的气体阻隔性能和水汽阻隔性能。根据一个实施方式，阻隔层压材料的氧气透过率可为0.01至10cc/m²·天，水汽透过率可为0.01至10g/m²·天。阻隔层压材料的平滑度可为110000至170000秒。

由于根据本发明的阻隔层压材料在低湿度和高湿度下具有优异的气体阻隔性能，因此它可以应用于软包装材料，例如糖果、咖啡、烘焙和粉末食品的食品包装材料。它不仅可以简单地取代传统的包装纸，还可以将薄膜材料的包装转变为环保纸材料的包装。

关于根据本发明的阻隔层压材料的环境友好性，可以将诸如塑料和铝之类的金属材料的使用量减少约45％，因此与传统的阻隔薄膜包装相比，碳排放量可减少约48％。

此外，与通过传统的层压工艺进行层压薄膜包装来涂覆阻隔材料的方法相比，本发明可以通过将阻隔材料直接涂覆在纸上来减少层压工艺，进一步提高生产率，从而降低了工艺成本。

此外，可以通过将传统聚合物薄膜基材的包装材料改变为纸材料的印刷品，以提供包装材料的纸纹理，并且可以提供与现有产品的差异化和纸材料的独特奢华感。

以下，将详细描述本发明的实施方式，以便本领域技术人员能够容易地实施本发明。然而，本发明可以采用多种不同的形式实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施方式。

<制备实施例1>

用聚乙烯醇(pva)在纸基材上进行施胶处理后，通过压延纸基材来提高纸的密度。采用一台具有13辊的超压延机，在速度为350m/min、压力为300kn、加热辊温度为90至160℃下进行压延。

测定原纸或施胶和压延处理后该纸的基重、厚度、毛体积和平滑度，结果如下表1所示。

[测量方法]

-基重：测量每1m²纸的重量(g)。

-厚度：采用l&w千分尺s/n780型测量纸的厚度。

-毛体积：纸的厚度除以基重的比值，是与密度相反的概念。

-平滑度：使用自动bekk平滑度与孔隙率测试仪k533型(购于buchelbv)，以秒为单位，测量纸的平滑度。

-空气透过率：根据iso5636-3进行测量。

[表1]

<实施例1和2>

制备了一种含有聚合物组合物(pvdc重复单元的分子量为70至120g/mol或80到110g/mol)的水性涂料溶液，所述聚合物组合物通过将聚偏二氯乙烯(pvdc)与氯乙烯或丙烯腈共聚制备而成，具有表2所示的性质。将制备的水性涂料溶液涂覆在通过压延处理而具有平整表面的纸基材上。

[表2]

<实施例3>

将naoh加入实施例1的水性涂料溶液中，以将水性涂料溶液的ph值调整至6。

<实施例4>

将氨水加入实施例2的水性涂料溶液中，以将水性涂料溶液的ph值调整至6。

<实施例5>

通过使用实施例1和实施例2的水性涂料溶液形成各个涂层来实施二次涂覆。

<实施例6>

通过改变实施例2的水性涂料溶液的涂覆率来实施涂覆。

<实施例7>

使用实施例2的水性涂料溶液来实施三次涂覆。

<对比例1>

将实施例1的水性涂料溶液涂覆于未经施胶和压延处理的原纸上。

<对比例2>

将实施例1的水性涂料溶液涂覆于经施胶处理但未经压延处理的原纸上。

下表3总结了以上述相同方式涂覆阻隔层压材料的阻隔质量。

[表3]

[测量方法]

-水蒸气透过率(mvtr)：采用moconpermatran-w3/33水蒸气透过率系统，在温度为38±0.5℃和相对湿度为90±2％下测量水蒸气透过率。

-氧气透过率(otr)：采用labthinkox2/230氧气透过率(otr)测试仪，在温度为23±0.5℃和相对湿度为0％下测量氧气透过率。

以上述方式涂覆的阻隔层压材料可以用作食品包装材料。下表4示出了确定根据本发明阻隔层压材料适用于食品器具、容器、包装的检验结果。

[表4]软包装材料2类

※试验名称：食品器具、容器、包装法典，韩国建筑与生活测试学院(koreainstituteofconstructionandlivingtesting，kcl)

从上述测试结果可以看出，根据本发明的制备方法制造的阻隔层压材料符合适用于食品包装材料的标准。

虽然已经参考本发明的具体实施方式特别地示出和描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，这些具体描述只是优选的实施方式，并且本发明的范围并不因此而受到限制。因此，本发明的实际范围将由所附权利要求及其等效物限定。

工业适用性

本发明可以通过将水基阻隔涂层直接施加在纸上来减少用于形成阻隔薄膜的材料的使用量和碳排放量。因此，能够以更环境友好的方式制造具有优异阻隔性能的包装材料。

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