专利名称：可生物降解的纸基杯子或包装物及其制造方法
技术领域：
本发明涉及可生物降解的纸基层压材料。
用于一次性餐饮服务使用的纸杯典型地通过低密度聚乙烯
(LDPE)或其它类似聚合物进行挤出涂覆，从而保存液体较长的时 间而不会泄漏或像100%纸杯通常那样变得软化。用于热饮例如咖啡 的杯子在内侧面具有LDPE层以防水。用于软饮等的冷饮杯常常在其 两面均涂覆有LDPE以防止在杯子的外测的形成冷凝软化杯子。 LDPE通常重0.5-1.5mils (7.2-21.6 lb/3000 ft2)。
这些杯子使用一次或非常少的次数随后丢弃。纸基材典型地是可 降解的，而LDPE涂层不容易降解(和可堆肥的)，并且因此，杯子 可能在垃圾中保留很多年而不分解。需要一种或多种可生物降解的聚 合物来替代LDPE，以使得所用的杯子更加"环境友好"。
除了杯子之外，其它涂覆的纸基产品例如山形盖顶纸盒、可折叠 纸盒、纸袋、多层包装物、纸板和碗、以及平板纸包装纸(ream wrap) 也可从本发明获益。
背景技术：
本发明的一个目的因此是提供一种可生物降解的层压材料，其适 用于覆盖一定形状的纸基制品例如容器，其克服了现有技术的这一大 类材料和方法的缺点，其在堆肥环境中是可生物降解的。
本发明的另一目的是提供用来形成适用于覆盖一定形状的纸基 制品的可生物降解的层压材料的方法。
本发明还有另外一个目的是提供包括可生物降解的层压材料的
成形纸基制品。
基于上述和其它目的，本发明提供了一种适合用于成形纸基制品 中的可生物降解的层压材料，所述纸基制品例如用于液体或固体、热 的或冷的食物产品的容器。所述可生物降解的层压材料包括具有两个 或更多表面的纸基基材，以及沉积在所述基材的至少一个表面上的至 少一层第一共聚酯和至少一层第二共聚酯，其中在所述基材表面和沉 积在基材表面的第一共聚酯层之间基本上不存在插入的聚合物层。第 一共聚酯层是提供对于纸基基材的粘合的内层，而第二共聚酯层是防 止冷却辊附着和粘结在辊中，并提供相对于所述第一层来说更大的热 稳定性的外层。所述第一共聚酯和第二共聚酯并不相同。
本发明共聚酯材料是苯-l，4-二羧酸与脂族二元醇以及至少一种
选自脂族二羧酸和环状二元醇的反应物的共聚产物。合适的二元醇包
括1，4-丁二醇、2,2-二甲基-1,3-丙二醇和乙二醇。合适的脂族二羧酸 包括1,6-己二酸、1，8-壬二酸、1，10-癸二酸和1,12-十二垸二酸。合适 的环状二元醇包括环己基-l，4-二甲醇、1,1,3,3-四甲基环丁烷-2,4-二醇 和1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇。
一种特别优选的第一共聚酯是苯-l,4-二羧酸与己二酸和1，4-丁二 醇的共聚产物。该产品可以商品名ECOFLEX和EASTAR BIO商业 获得。
一种特别优选的第二共聚酯是苯-l，4-二羧酸与乙二醇和1,4:3,6-二脱水-D-山梨醇的共聚产物。该产品可以商品名BIOMAX商业获 得。
沉积所述共聚酯层的一种特别优选的方式是通过共挤出，适合地 沉积到纸或纸板的移动网幅(web)上。
本发明层压材料的共聚酯材料已经被鉴定为在堆肥环境中是可 生物降解的(按照ASTMD6400-99测试)，由此使得所述层压材料成 为用于形成在将其丢弃前通常只使用一次或很少次数的食物容器的
高度理想材料。同样地，本发明层压材料的可生物降解性使得所述层 压材料可用于其它"一次性使用"的纸基产品如多层包装、平板纸包
装纸(reamwrap)等等。
在一个实施方案中，本发明层压材料可以在纸基基材的相对表面 提供有相同或其它共聚酯的共挤出层。
根据本发明，还提供了可生物降解的成形纸基制品，例如由所述 可生物降解的层压材料形成的可生物降解的容器或者能够被成形为 容器的毛坯或半制成中间产品。
此外，本发明还提供了用来形成适合用于成形纸基制品中的可生 物降解的层压材料的方法。
其它被视作本发明特性的特征陈述于所附的权利要求中。
尽管本发明在此处以可生物降解的纸基杯子或包装物进行了阐 明和描述，然而并非意图将本发明限制为所述详细公开，因为可以在 其中进行各种不偏离本发明要旨并且处于权利要求的等价范围和领 域内的各种修改和结构变化。
然而，通过结合附图阅读下述对于具体实施方式
的描述，本发明 的结构和操作方法及其另外的目的和优点将得到最好的理解。
图1和2是表示体现本发明各种特征的层压材料的一个实施方案 的示意性透视图3是表示体现本发明各种特征的层压材料的第二个实施方案的 示意性图示；和
图4用于形成本发明的层压材料的方法的示意图。
具体实施例方式
现在详细参考附图的图示，并首先特别地，参考其中的图1-3，
其中显示了纸基的可生物降解的层压材料10，意味着层压材料的基
材12包括纸，通常是被公知为SBS杯坯料(cupstock)或SUS (天 然的)牛皮纸可折叠纸箱板的纸基坯料，这些都是本领域所公知的。 本发明层压材料还分别包括共挤出到纸基基材的表面中的一个18上 的共聚酯的第一和第二层14和16。
如图4所示的，本发明层压材料的形成包括从辊22进料SBS的 连续片材20或其它可接受的纸基基材，向前进入进料有第一共聚酯 26和第二共聚酯28的常规共挤出机24。所述第一和第二共聚酯被共 挤出到纸基基材的平坦表面18之上，并随后通过将完成的层压材料 30缠绕到心轴32或类似物之上而收集起来。此后，层压材料可以被 成形为杯子、小袋、山形盖顶纸盒或其它用于食物产品的容器，适当 地通过首先形成毛坯和中间产品，并将其转化为制成品。由此形成的 容器适用于容纳液体、固体或半固体食物产品，而无论所述食物产品 是冷的还是热的(在加热和冷却的食物产品的常规温度范围内)。热 的食物产品的一个实例是大约180。F的热咖啡。冷却食物产品的一个 实例是33-40。F的冰茶。
在一个优选的实施方案中，本发明层压材料的纸基基材包括SBS 杯坯料(固态漂白硫酸盐)或SUS (固态未漂白硫酸盐)(天然牛皮 纸)可折叠纸箱板。板厚度的优选范围为大约100-3001b/3000ft2。可 接受的基础坯料(基材)的另一实例包括液体包装板、SBS可折叠纸 箱板、天然牛皮纸杯坯料、轻质牛皮纸或SBS纸、以及具有废弃资 源再生(post-consumer waste)("循环的")内容物的板或纸。所述 轻质纸被定义为小于100 lb/3000 ft2。液体包装板可以用于例如奶制 品之类的产品的山形盖顶纸盒。轻质纸的使用包括用于粉末或其它干 燥产品像麦片的小袋、快餐厅的多层包装和用于复印纸的平板纸包装 纸。
根据图1和2所示的本发明的一个方面，向纸基基材的至少一种
平坦表面施加共挤出的共聚酯的组合，g卩，由1，4-苯二羧酸(对苯二甲 酸)、1,4-丁二醇和己二酸以及扩链剂或支化剂的共聚生产的共聚酯 (可以名称ECOFLEX⑧从BASF获得，具有212-248°F的熔点(MP))， 或者由1,4-苯二羧酸(对苯二甲酸)、1,4-丁二醇和己二酸的共聚生产的 共聚酯(所得共聚酯为聚(己二酸-共-对苯二酸四甲基酯))(可以名称 Easter Bio⑧从Eastman Chemical/Novamont获得，具有226°F的MP)， 以及由1,4-苯二羧酸、乙二醇和1，4:3,6-二脱水-D-山梨醇的縮聚反应 生产的共聚酯(可以名称Biomax⑧从DuPont获得，具有383°F的 MP)。
如图l所示的，在用作热食物产品容器的一个优选实施方案中， 在纸基基材的一个平坦表面上提供Ecoflex和Biomax的共挤出层。 分别在堆肥环境中，大约90%的Ecoflex树脂在大约80天内生物降 解以及大约95%的Biomax树脂在大约63天内生物降解。在由大学 实验室进行的一项研究中，超过90%的覆盖层压材料在大约88天内 生物降解，满足了 ASTM标准D6400-99和D6868对于可生物降解性 /可堆肥性的标准。
在用于热食物容器的该优选实施方案中，可以使用以大约 80/20-20/80重量份的Ecoflex与Biomax任何组合的大约10-大约40 lb/3000ft2的总共挤出涂层重量。优选大约251b/3000ft2的总涂覆重量， 以满足可加工性和最终使用性能的要求。优选地，所述Biomax以大 约5-大约201b/3000ff的量施加，总涂覆重量的其余部分为Ecoflex。 例如对于热饮料杯子，将共挤出物施加到纸基基材的涂覆侧。可以对 基材表面进行火焰和/或电晕预处理以提高附着力，如所需或要求的。 可以使用更轻的总涂覆重量，但是在随后的制成包装物(杯子、山形 盖顶容器等等)中可能损失热密封质量。也可以使用更重的总涂覆重 量，但是材料成本可能超过所述更重的总涂覆重量带来的增加的性能 益处，和/或可能减慢容器的总体降解速率。
进一步地，已经发现在用于生物降解目的的层压材料中使用
Ecoflex作为单层典型地需要增滑/防结块添加剂组合(package)以防止 在制成层压材料的辊中的冷却辊粘着和结块。此外，当将一种或多种 共聚酯作为单层施用时，由于经历相当程度的向内弯曲(neck-in)，导 致过多的切边(trim)和废料。特别地，当作为单层施用时，Biomax 不会令人满意地附着于纸基基材。相反，根据本发明使用已知共聚酯 的组合被发现能有效克服共聚酯作为单层施用时的缺点。
用于冷食物产品的容器优选由图3所示的层压材料形成。所描述 的这一层压材料包括纸基基材，该纸基基材具有提供于所述基材的一 个平坦表面之上的共挤出的Eastar Bio或Ecoflex (优选Ecoflex)与 Biomax的第一层。进一步在所述基材的另一平坦表面上提供Eastar Bio或Ecoflex (优选Ecoflex)与Biomax的第二层。在用于冷食物容 器的该实施方案中，共聚酯的共挤出层(不考虑所述层布置于基材的 哪一侧)的总涂覆重量为大约10-大约40 lb/3000 ft2，具有大约 80/20-20/80重量份的Ecoflex与Biomax的任意组合。优选大约25 lb/3000 f一的总涂覆重量。如同在意图用于热食物产品的层压材料中 的情况，在该意图用于冷食物产品的该层压材料中，Biomax以大约 5-201b/3000 ft2的涂层重量施用，总涂覆重量的其余部分为Ecoflex或 Eastar Bio 。
在另一实施方案中，如图1所示，纸基基材12在该基材的一个 平坦表面上可以带有Eastar Bio14和Biomax 16的共挤出层。在该实 施方案中，可以使用总涂覆重量为大约10-大约40 lb/3000 ft2，具有 大约80/20-20/80重量份的Eastar Bio与Biomax的任意组合。优选大 约25 lb/3000 ft2的总涂覆重量。Biomax以大约5-201b/3000 ft2的涂层 重量施用，总涂覆重量的其余部分为Eastar Bio。
如果需要，可以将碳酸钙加入到任一或所有共聚酯挤出物中作为 成本节约手段，并通过替代某些可生物降解树脂材料来提供增加的降
解速率。其它可以与碳酸钙同时使用或替代碳酸钙的可接受有机和无 机填料包括淀粉、粘土、高岭土、滑石、纤维素和硅藻土。
由BASF Ecoflex和DuPont Biomax组成的两层共挤出涂层被施 用于SBS杯坯料和天然牛皮纸可折叠纸盒纸板。SBS和牛皮纸的基 础重量为180-210 lb/3000 ft2。两树脂的熔体加工温度分别为450°F和 4650F。
施用的涂层重量为12.51b/3000ft2 Ecoflex禾卩12.5 lb/3000ft2 Biomax。总涂覆重量为至少10 lb/3000 ft2-25 lb/3000 ft2,以提供良好 的熔体强度和最小化的共挤出物幕帘(curtain)的边缘皱纹(edge weave)。
对于具有共挤出到如上所述的SBS杯坯料和SUS折叠纸板上的 可生物降解的层压材料的坯料和中间材料，将其在PMC 1000杯子成 形机上以140个杯子/分钟的速率转化为杯子。所有杯子都通过了保 存咖啡(在180°F)至少25分钟而无泄漏、涂层的软化或由涂层引起 的饮料的可视污染等测试。
在标准低密度聚乙烯(LDPE)涂覆的杯坯料和其上共挤出了 Ecoflex和Biomax的涂覆的牛皮纸折叠纸盒上进行热密封测试。对于 每一基材，样品在Barber-Coleman密封单元中从涂覆一侧向未涂覆侧 放置。密封压力在80psi保持恒定，且采样时间保持为5秒。改变温 度以确定获得100%纤维撕裂所需的最小温度。在该密封步骤之后， 使样品冷却30秒，然后人工撕开各层，并视觉评估纤维撕裂的程度。 对于标准LDPE涂覆的杯坯料，最小密封温度为215°F。由Ecoflex 和Biomax涂覆的牛皮纸板在210°F这一稍低的温度下密封。
根据本发明的一个方面，注意到两种共聚酯的共挤出提供多项益 处。例如，Eastar Bio和Ecoflex很好地附着到纸上，导致100%的纤 维撕裂。另一方面，Biomax与纸之间的粘附水平低得多，导致很低 的纤维撕裂。因此，在本发明中，将共挤出物的EastarBio或Ecoflex层设置为直接与纸板基材相邻以获得良好的粘附。Biomax比Eastar Bio或Ecoflex粘性更低。因此，将共挤出物的Biomax层设置于层压 材料各层的最外面，以防止层压材料粘附于冷却辊并预防层压材料在 辊中结块。
进一步地，Biomax具有比Eastar Bio或Ecoflex显著更高的熔点 (Biomax的Tm=383°F，而Eastar Bio的Tm为226°F，和Ecoflex的 Tm为212-248°F)，因而将Biomax设置为层压材料的最外层与热食物 产品接触，能够使由所述材料形成的容器更好地抵抗由于热食物产品 造成的涂层的变质和软化。
权利要求
1.一种可生物降解的层压材料，其包括纸基基材，该基材具有层压到该基材上的至少一层第一共聚酯和至少一层第二共聚酯，所述层被沉积到所述基材的至少一个表面上，其中第一层为提供与纸基基材的附着力的内层，而第二层为防止冷却辊粘着和在辊中结块并提供相对于所述第一层来说更大的热稳定性的外层。
2. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其中所述第 一和第二层的共聚酯是苯-l,4-二羧酸与脂族二元醇以及选自脂族二 羧酸和环状二元醇的至少一种反应物的不同共聚产物。
3. 根据权利要求2所述的可生物降解的层压材料，其中所述二 元醇为1,4-丁二醇，且所述至少一种反应物为1,6-己二酸。
4. 根据权利要求2所述的可生物降解的层压材料，其中所述二 元醇为乙二醇，且所述至少一种反应物为1，4:3,6-二脱水-D-山梨醇。
5. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其中所述第 一和第二层的共聚酯是苯-l,4-二羧酸与脂族二元醇以及选自脂族二 羧酸和芳族二元醇的至少一种反应物的不同共聚产物。
6. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其中所述共 聚酯层具有不同的熔点，且熔点较低的共聚酯被放置于所述基材和熔 点较高的共聚酯之间。
7. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其中第一共 聚酯和第二共聚酯的比例范围为20重量份的所述第一共聚酯比80重 量份的所述第二共聚酯一80重量份的所述第一共聚酯比20重量份的 所述第二共聚酯。
8. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其中所述第 一和第二共聚酯的总涂覆重量为大约10-大约40 Ib/3000ft2。
9. 根据权利要求8所述的可生物降解的层压材料，其中所述第 一和第二共聚酯的总涂覆重量为25 lb/3000ft2。
10. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其中将无机 填料加入到至少一个共聚酯层中。
11. 根据权利要求10所述的可生物降解的层压材料，其中所述 无机填料是碳酸钙。
12. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其中所述共 聚酯层可以被热密封。
13. 根据权利要求1所述的可生物降解的层压材料，其经设计根 据ASTM标准D6400-99和D6868对于可生物降解性/可堆肥性限定 的标准进行生物降解。
14. 一种可生物降解的纸基成形制品，其包括纸基基材，该基材 具有至少两个表面和提供到所述基材的至少一个表面上的可生物降 解的层压材料，其中所述层压材料具有被层压到该基材上的第一共聚 酯的内层，以及第二共聚酯的外层，其中所述第一共聚酯层提供与纸 基基材的附着力，而所述第二共聚酯的外层防止冷却辊粘着和在辊中结块并提供相对于所述第一层来说更大的热稳定性；且其中所述第一 和第二层的共聚酯是苯-l,4-二羧酸与脂族二元醇以及至少一种选自 脂族二羧酸和环状二元醇的反应物的不同共聚产物。
15. 根据权利要求14所述的可生物降解的成形制品，其中所述 纸基基材具有提供于所述基材的一个表面之上的所述第一和第二共 聚酯的一层，并且所述第一和第二共聚酯的第二层被提供于所述基材 的相对表面上。
16. 根据权利要求14所述的可生物降解的成形制品，其中所述 纸基基材具有提供于所述基材的一个表面之上的所述第一和第二共 聚酯的一层，并且所述基材的相对表面没有进行涂覆。
17. 根据权利要求14所述的可生物降解的成形制品，其具有选 自如下的形状杯子、山形盖顶纸盒、可折叠纸盒、纸袋、多层包装 物、纸板和碗、平板纸包装纸以及用于制造上述物品的坯料。
18. 根据权利要求14所述的可生物降解的成形制品，其是在用 于冷食物产品的杯子的生产中使用的坯料。
19. 根据权利要求14所述的可生物降解的成形制品，其为用于 冷食物产品的杯子。
20. 用于液体、固体或半固体食物和非食物产品的由权利要求 15所述的层压材料构建的小袋、山形盖顶纸盒或其它容器。
21. 由权利要求15所述的层压材料构建的包装缠绕物。
22. —种形成可生物降解的纸基成形制品的方法，其包括如下步骤a) 提供具有100-300 lb/3000 ft2的基础重量和至少一个平坦表面 的纸基基材；b) 向所述基材的至少一个平坦表面施用至少一种第一共聚酯和 至少一种第二共聚酯的层压材料，所述第一共聚酯和第二共聚酯不相 同；禾口c) 使制品成形；其中第一共聚酯层为提供与纸基基材的附着力的内层，而第二共 聚酯层为防止冷却辊粘着和在辊中结块并提供相对于所述内层来说 更大的热稳定性的外层，且其中所述第一和第二共聚酯是苯-l，4-二羧 酸与脂族二元醇以及选自脂族二羧酸和环状二元醇的至少一种反应 物的不同共聚产物。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述第一和第二共聚酯 是苯-l,4-二羧酸与脂族二元醇以及形成反应物的脂族二羧酸或芳族 二元醇的不同共聚产物。
24. 根据权利要求22所述的方法，其中所述共聚酯的总涂覆重 量为大约10-大约401b/3000ft2。
25. 根据权利要求22所述的方法，其中所述第一和第二共聚酯 具有不同的熔点，且熔点较低的共聚酯被放置于所述基材和熔点较高 的共聚酯之间。
26. 根据权利要求22所述的方法，其中将共聚酯的层施用到所 述基材的一个表面上，并将共聚酯的第二层施用到所述基材的相对表 面上。
27. 根据权利要求22所述的方法，其中将共聚酯的层施用到所 述基材的一个表面上，而所述基材的相对表面没有进行涂覆。
28. 根据权利要求22所述的方法，其中通过一起共挤出到纸或 纸板的移动网幅上而将至少两种共聚酯施用于基材。
29. 根据权利要求28所述的方法，其中用于第一和第二共聚酯 层的挤出熔体温度在440-510°F的范围内。
全文摘要
本发明公开了一种可生物降解的层压材料(10)，其适合用于成形的纸基制品，例如用于液体或固体的、热的或冷的食物产品的容器，该层压材料包括纸基基材(12)，该基材具有沉积在基材(12)的至少一个表面之上的第一和第二共聚酯层(14，16)，在所述基材表面和沉积在基材表面上的共聚酯(14，16)之间基本上不存在插入的聚合物层。本发明还公开了由所述层压材料(10)形成的可生物降解的成形制品和形成可生物降解的层压材料的方法。
文档编号B32B37/15GK101102893SQ200580030315
公开日2008年1月9日 申请日期2005年9月8日 优先权日2004年9月9日
发明者克里斯托弗·斯科特·克利夫兰, 特里西娅·苏珊·赖格哈德 申请人:国际纸业公司