射频可热合的、非箔的包装结构

1.发明领域

一种包装用的新颖的、非箔的防渗层压结构，它易于使用射频 (RF)或介电热合法取代惯用的热合和/或感应热合法。

                      发明的背景

在某些国家中法规已禁止，或建议取缔或大大地限制销售在其结 构中使用铝箔的层压包装。这些法律措施对现在正在生产和销售的通 用的箔基包装产品是一个坏兆头。

当前受到这些“反箔”法规威胁的包装例子是纸板基的无菌的长 方形包装。这种包装由铝箔层压制品形成阻气层并促进包装的感应热 合。感应热合是热合这种包装的优选方法，因为它以高速度形成不漏 气的封口。感应热合要求在层压制品具有如铝箔那样的导热层，以便 当处于电磁能中时起加热件作用。

生产具有良好阻气性的非箔型包装的技术是已知的。然而，使用 常规的热封合法产生高速、热感应的一无缺陷的封合，特别是在纸板 基的结构中，是非常困难的。另外，大多数的聚合物是非导体，因此 排除了使用感应热合的可能性；并且包括有任何传导性金属材料可能 危及它在新的和建议的法规下的地位。鉴于这些情况，需要可替代的 方法和材料来生产不透气的非箔型包装，特别是纸板基的非箔型包装。

射频(RF)热合或介电热合是通过用1Mhz～300Mhz频率范围内 的电磁能振动聚合物的分子偶极来实现的。聚合物的分子偶极的振动 在聚合物中产生热，然后此热将聚合物熔化。如果此熔融聚合物与另 一种聚合物或相容性的其他表面紧密接触的话，通过冷却所说的连接 处就能实现封合。但是，并不是所有的聚合物均可在RF能场中加热 的。常用的聚合物例如聚乙烯和聚丙烯就不可进行RF加热。为了使 聚合物成为可RF加热，它必须具有足够的极性成分和高的介电损耗 系数。介电损耗系数是介电常数与介电损耗角正切(tanδ)的乘积。 一般说来，具有介电损耗系数大于0.2的聚合物是容易RF加热的。

塑料的射频加热和焊接并不是一种新技术，在工业界它已被实践 许多年。然而，将RF热合法应用到包装、特别是液体包装是不常见 的。涉及此方面的两件特别重要的专利是美国专利第3992606号和美 国专利第4660354号。

美国专利第3992606号( Arutt等人)公开一种用于塑料片或薄 膜的便携式介电(RF)热合机。但是该专利没有提及包装结构，也没 有详细提及该装置的具体应用。该公开资料仅局限于产生与含封合电 极的热合压机相连的27.12Mhz RF电流的热合装置。

美国专利第4660354号( Lancaster等人)公开一种装填与热合 容器的方法，其中结构是使用一氧化碳-乙烯共聚物作为RF可加热 的材料和以微波(300Mhz～10000Mhz)和RF(1Mhz～300Mhz)而被 热合的。

本发明的目的是提供新颖的非箔型包装结构用的可替代的新颖的 热合法和材料。

本发明的另一目的是提供一种以极快而有效的方式、甚至在被污 染的情况下、热合结构中的塑料的方法。

本发明的再一个目的是生产非箔的防渗结构，该结构在气密的包 装应用中具有充分的防渗性，并且可在稍作改进的工业使用的预成型 -充填-热合机组中被热合。

                       发明概要

本发明生产气密的包装应用用的非箔的防渗层压结构，它们在被 改成用作RF热合机的工业使用的预成型-充填-热合机组上是可热 合的。本发明还提供以非常快和有效的方式，甚至在热合区被所包装 的产品污染的情况下用于热合非箔的层压结构的方法和材料。

这种新颖的非箔的层压结构包括RF可加热的材料诸如乙烯-丙 烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸丁酯、和/或乙烯-丙烯酸乙酯。这些共聚 物是易于加工的，具有高的将RF能转变成热的转化率，并且是成本 相对较低的。此非箔的层压结构可包括单独的或混合物形式的热塑性 塑料隔氧层，诸如乙烯-乙烯醇聚合物、乙烯醇聚合物、锦纶、聚酯、 共聚多酯、1，1-二氯乙烯聚合物，或氧化硅。此层压结构可包括聚 烯烃，诸如聚乙烯(低密度，线型低密度，中密度，或掺混物)或聚 丙烯，作为密封剂和/或增量层的其他的热塑性塑料，或它们的掺混 物。此非箔的层压结构可包括底基或基层，诸如纸、纸板、织造织物 或菲织造织物、塑料片、或塑料薄膜。

这些材料被独特地掺入非箔的层压制品中，从而生产出RF可热 合的包装结构。这种层压结构在装有商业上可购得的射频发生器和封 合工具的工业使用的预成型-充填-热合机组上进行转化。

                   附图的简略说明

图1是体现本发明的层压结构的剖面图；

图2是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图3是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图4是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图5是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图6是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图7是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图8是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图9是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图10是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图11是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图12是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图13是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图14是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图15是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图16是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的削面图；

图17是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图18是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图19是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图；

图20是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图； 和

图21是体现本发明的一种替换的实施方式的层压结构的剖面图。

                   本发明的详细说明

本发明提供了一种生产具有充分的防渗性的用于高度防渗或其他 包装应用的非箔的包装结构的方法和材料。此结构在装有射频发生器 和封合工具的工业使用的预成形-充填-热合机组上是可热合的。可 以使用在1Mhz～300Mhz的范围内操作、优选为在27Mhz～65Mhz的 范围内操作的发生器和封合工具。

此结构是通过将商业上可购得的热塑性塑料施加到底基而生产的。 优选的底基是纸或纸板基膜；然而，此底基可以是聚合物薄膜或片基 膜、织造织物、或非织造织物。此有关底基的说明适用于本发明的所 有的实施方式。将热塑性塑料施加到基膜可以通过生产包装层压制品 的任何本领域技术人员能实施的若干种方法中的任何一种方法来完成。 这些方法包括，但并不限于，挤出、共挤出、挤出贴面、共挤贴面、 挤出层压、胶粘层压、和热层压。

优选地，其中所说的第一和第二聚合物粘合剂粘合层是聚烯烃、 基于乙烯的接枝共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物的锌盐、乙烯-甲 基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、 乙烯-乙酸乙烯酯共聚物或乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物的钠盐。

此结构含有使其成为能用射频发生器和封合工具热合的结构的可 射频加热的热塑性聚合物。可被射频加热的聚合物可选自乙烯-丙烯 酸共聚物例如乙烯-丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸丁酯、和/或乙烯- 丙烯酸酯。这些共聚物以极快的方式将电磁能转变成热，使有可能在 常用的预成型-充填-热合机组中形成商品的硬纸盒包装。这些材料 被优选用于本发明的所有的实施方式中。

此结构还可包括作为密封剂、防渗剂、印刷表面、和/或增量层 的一层或多层的热塑性塑料层。热塑性塑料层可以是单一材料层或不 同材料的复合层夹芯。当防渗材料诸如乙烯-乙烯醇、锦纶、聚酯、 聚偏二氯乙烯、氧化硅、或其他等与密封剂/增量层诸如聚乙烯或聚 丙烯相结合生产高度防渗/低成本的复合材料时，这种复合层夹芯是 尤为有用的。有关热塑性塑料层的规定也适用于包括热塑性塑料层的 本发明的所有的实施方式。

以下对各图的说明被用作生产基于以上说明的实施方式的例子。

图1示明包括底基层22、在底基一面上的热塑性塑料层24、 在底基另一面上的热塑性塑料层26、在热塑性塑料层26上的RF 可加热的聚合物层28、和在RF可加热的聚合物层28上的热塑性 塑料层30的层压制品20。

图2示明包括底基层42、在底基一面上的热塑性塑料层44、 在热塑性塑料层44上的RF可加热的聚合物层46、在底基的另一 面上的热塑性塑料层48、在热塑性塑料层48上的RF可加热的聚 合物层50、和在RF可加热的聚合物层50上的热塑性塑料层52 的层压制品40。

图3示明包括底基62、在底基一面上的RF可加热的聚合物层 64、在RF可加热的聚合物层64上的热塑性塑料层66、在底基 另一面上的热塑性塑料层68、在热塑性塑料层68上的RF可加热 的聚合物层70、和在RF可加热的聚合物层70上的热塑性塑料层 72的层压制品60。

图4示明包括底基82、在底基一面上的热塑性塑料层84、在 热塑性塑料层84上的RF可加热的聚合物层86、在RF可加热的聚 合物层86上的热塑性塑料层88、在底基另一面上的热塑性塑料层 90、在热塑性塑料层90上的RF可加热的聚合物层92、和在RF 可加热的聚合物层92上的热塑性塑料层94的层压制品80。

图5示明包括底基102、在底基一面上的RF可加热的聚合物层 104、在底基另一面上的热塑性塑料层106、在热塑性塑料层106上的 RF可加热的聚合物层108、和在RF可加热的层108上的热塑性塑料 层110的层压制品100。

图6示明包括底基122、在底基的一面上的热塑性塑料层124、在 底基另一面上的热塑性塑料层126、和在热塑性塑料层126上的RF可 加热的聚合物层128的层压制品120。

图7示明包括底基132、在底基一面上的热塑性塑料层134、在热 塑性塑料层134上的RF可加热的聚合物层136、在底基另一面上的热 塑性塑料层138、和在热塑性塑料层138上的RF可加热的聚合物层 140的层压制品130。

图8示明包括底基152、在底基一面上的RF可加热的聚合物154、 在热塑性塑料层154上的热塑性塑料层156、在底基的另一面上的热 塑性塑料层158、和在热塑性塑料层158上的RF可加热的聚合物层 160的层压制品150。

图9示明包括底基172、在底基的一面上的热塑性塑料层174、在 热塑性塑料层174上的RF可加热的聚合物176、在RF可加热的聚合 物层176上的热塑性塑料层178、在底基另一面上的热塑性塑料层180、 和在热塑性塑料层180上的RF可加热的聚合物层182的层压制品170。

图10示明包括底基192、在底基的一面上的RF可加热的聚合物 层194、在底基另一面上的热塑性塑料层196、和在热塑性塑料层196 上的RF可加热的聚合物层198的层压制品190。

图11示明包括底基202、在底基的一面上的热塑性塑料层204、 在底基另一面上的RF可加热的聚合物层206、和在RF可加热的聚合 物层206上的热塑性塑料层的层压制品200。

图12示明包括底基212、在底基的一面上的RF可加热的聚合物 层214、在RF可加热的聚合物层214上的热塑性塑料层216、在底基 另一面上的RF可加热的聚合物层218、和在RF可加热的聚合物层218 上的热塑性塑料层220的层压制品210。

图13示明包括底基232、在底基的一面上的热塑性塑料层234、 在热塑性塑料层234上的RF可加热的聚合物层236、在RF可加热的 聚合物层236上的热塑性塑料层238、在底基另一面上的RF可加热的 聚合物层240、和在RF可热合的聚合物层240上的热塑性塑料层242 的层压制品230。

图14示明包括底基252、在底基的一面上的RF可加热的聚合物 层254、在底基的另一面上的RF可加热的聚合物256、和在RF可加热 的聚合物层256上的热塑性塑料层258的层压制品250。

图15示明包括底基262和在底基的一面上的RF可加热的聚合 物264的层压制品260。

图16示明包括底基272、在底基的一面上的RF可加热的聚合物 层274、和在热塑性塑料层274上的热塑性塑料层276的层压制品270。

图17示明包括底基282、在底基的一面上的热塑性塑料层284、 和在热塑性塑料层284上的RF可加热的聚合物层286的层压制品280。

图18示明包括底基292、在底基的一面上的热塑性塑料层294、 在热塑性塑料层294上的RF可加热的聚合物层296、和在RF可加热 的聚合物层296上的热塑性塑料层298的层压制品290。

图19示明包括底基302、在底基的一面上的热塑性塑料层304 和在底基另一面上的RF可加热的聚合物层306的层压制品300。

图20示明包括底基312、在底基的一面上的RF可加热的聚合物 层314和在底基另一面上的RF可加热的聚合物层316的层压制品310。

一种优选的纸板结构被图21所描绘，其中层压制品320包括纸 板底基322、一层处于底基外表面上的聚烯烃324例如低密度聚乙烯 聚合物。由粘合层328和330与处于其间的一层乙烯-乙烯醇共聚物 332组成的三层夹芯被装在底基的内表面上。射频(RF)可热合层 334处在所说的夹芯层326上。RF可热合层可以选自乙烯-丙烯酸 乙酯、乙烯-丙烯酸丁酯、或最好为乙烯-丙烯酸甲酯，并且通过 LLDPE层338被粘合到粘合层330上。最后，处在RF可热合层334 上的是聚烯烃聚合物层336，层336优选为线型低密度聚乙烯。

                      实施例1

为了测定含乙烯-丙烯酸酯共聚物的结构的RF热合性，制造图 18所示的结构。

底基是奶瓶用纸板型的纸板。与底基相连接的热塑性塑料层是10 磅/3000英尺2的低密度聚乙烯(LDPE)。RF热合层是3、6、9 和12磅/3000英尺2的乙烯-丙烯酸甲酯(EMA)、乙烯-丙烯酸 丁酯(EBA)、或乙烯-丙烯酸乙酯(EEA)。在RF热合层上的热塑 性塑料层是15磅/3000英尺2的线性低密度聚乙烯。

测定每一试制结构的最短热合时间。此热合试验是在27Mhz和 65Mhz热合频率下操作的Callanan 1.5Kw RF热合机上使用2英寸× 1/8英寸的黄铜热合电极进行的。每一结构的最短热合时间和频率是 在热合机功率设定为60％、70％、80％、90％和100％下测定的。最 短热合时间以在形成100％纤维撕裂封口时的最短发生器压合时间来 定义的。低于100％纤维撕裂被认为是不充分的热合。这些数据(表 1)表明在65Mhz热合频率下，在190～240毫秒内能形成100％纤维 撕裂封口。这些数据还显示所有的RF-热合层材料具有良好的RF热 合效果并且RF-热合层的涂布量对热合时间没有重大的影响。这些数 据还说明热合频率越高，越不易起弧。起弧是突然放电，有时它发生 在热合机电极与被热合的物件之间。当产生电弧时，会损坏物件，有 时还会损坏热合机电极。其中出现起弧的封合通常是不完好的。因此 要避免起弧现象的发生。

                      实施例2

为了说明包含乙烯-丙烯酸酯共聚物的高防渗结构的RF可热合 性，先试制四种由图1所示的结构。

在这些结构中，底基是纸板。在底基的一面上的热塑性塑料层是 10磅/3000英尺2量的LDPE。在底基另一面上的热塑性塑料层是 一种由7磅/3000英尺2的聚乙烯基粘合树脂、5磅/5000英尺2 的EVOH和7磅/3000英尺2的聚乙烯基粘合树脂构成的共挤出的夹 芯。在防渗热塑性塑料层上的RF-热合层是14磅/3000英尺2的 EMA。在RF-热合层上的热塑性塑料层对第一种结构来说是12磅/ 3000英尺2的LLDPE，对第二种结构来说是3磅/3000英尺2的 LLDPE，对第三种结构来说是12磅/3000英尺2的LDPE，而对最 后一种结构来说是3磅/3000英尺2的LDPE。

在27MHz和65MHz热合机频率下测定这些结构的最短RF热合时 间和最大热合机功率。上述的功率级表明在电极与物件之间引起电弧 的功率。这些测试是在操作频率为27MHz或65MHz下使用2英寸×1/8 英寸黄铜热合电极在Callanan 1.5KW的RF热合机上进行的。最短热 合时间以在形成100％纤维撕裂封口时最短发生器压合时间来定义的。 小于100％纤维撕裂被认为是不完全的热合。

这些数据(表2)表明，就这些结构来说，根据聚乙烯的类型、 密封剂层聚乙烯的涂布量、以及热合机频率的不同，可以在小至仅为 30毫秒的时间内形成100％纤维撕裂封合。密封剂层聚乙烯涂布量 愈小，热合就能更快地形成封合。实施例2的结果表明，当LLDPE涂 布量保持恒定时，不管EMA涂布量的多寡，电磁能均能充分地转换成 热。实施例2说明，在恒定的EMA涂布量的情况下，热合速度可以通 过穿过LLDPE的热转换来控制。因此，LLDPE的涂布量愈低，热转换 和热合就愈快。

热合频率为65MHz时与热合频率为27MHz时相比，能形成更快的 热合而且起弧的机会也较少。在27MHz高于40％功率时，在热合电极 与物件之间会发生频繁的起弧。这些数据证实，可以生产出能使用RF 热合工艺方便地封合的高防渗结构。

                                                            表1     最短热合时间(秒)     RF     材料   涂布量，   磅/令   1.5kW发生器的功率设定   60％   27      65   mHz     mHz   70％   27      65   mHz     mHz   80％   27       65   mHz      mHz   90％   27       65   mHz      mHz   100％   27      65   mHz     mHz     EMA   3   0.41    0.39   0.35    0.35   0.34     0.32   0.31     0.26   ARC     0.19     EMA   6   0.40    0.41   0.36    0.32   0.34     0.30   ARC      0.25   ARC     0.22     EMA   9   0.44    0.37   0.38    0.32   0.34     0.29   0.30    0.26   0.27    0.22     EMA   12   0.44    0.45   0.39    0.41   0.34     0.37   0.30    0.33   ARC     0.24     EBA   3   0.35    0.39   0.31    0.29   0.21     0.27   ARC     0.25   ARC     0.18     EBA   6   0.36    0.36   0.34    0.30   0.29     0.29   ARC     0.22   ARC     0.19     EBA   9   0.36    0.34   0.33    0.34   0.31     0.30   ARC     0.25   ARC     0.19     EBA   12   0.35    0.35   0.33    0.31   0.30     0.28   0.27    0.24   ARC     0.19     EEA   3   0.3     0.36   0.32    0.31   0.29     0.28   0.24    0.24   ARC     0.18     EEA   6   0.38    0.35   0.34    0.31   0.30     0.28   0.27    0.25   ARC     0.21     EEA   9   0.44    0.36   0.38    0.32   0.32     0.32   ARC     0.28   ARC     0.21     EEA   12   0.36    0.44   0.31    0.35   0.29     0.32   ARC     0.27   ARC     0.19

                                             表2  RF可热合的防渗结构的最短热合时间  EMA  RF-  热合层，  涂布量，  磅/3000英尺2     密封剂层     材料   密封剂层   涂布量   磅/3000英尺2   频率   27MHz     65MHz   功率   时间，   秒     功率     时间，     秒  14  14  14  14     LDPE     LDPE     LLDPE     LLDPE   3   12   3   12   40％   40％   40％   40％   0.20   0.31   0.22   0.27     100％     100％     100％     100％     0.04     0.08     0.03     0.06