用于密封胶囊的可堆肥盖和由该盖密封的胶囊的制作方法

本发明涉及一种设计用于密封胶囊、特别是咖啡胶囊的盖。本发明也涉及由所述盖密封的胶囊。最后，本发明涉及这种盖用于密封装有食品(特别是咖啡粉)的胶囊的应用。

在下面的描述中，本发明对于咖啡胶囊来进行说明。然而，它可以应用于盖子封闭食品物质并且必须耐水、耐压力、耐撕裂并且有利地对胶囊或任何其他食物容器可热封的所有领域。更具体而言，本发明适用于一种盖，其经设计用于密封装有干粉(例如咖啡、茶、热巧克力等)的胶囊以制备饮料。

背景技术：

市场上出售的咖啡包通常含有约5至15g咖啡粉。茶叶包整体的质量更小，尽管被泡物的体积通常是相当的。对于expresso胶囊，咖啡机的渗滤时间通常为10到60秒，水的体积为约30到40ml。对于过滤咖啡包，水的体积为约120到300ml时渗滤时间范围是相同的。

在食品工业中，所使用的材料通常受到更严格的要求，特别是有关环境的要求。因此，目前正在开发的产品不仅仅是设计为满足顾客的口味。它们也必须尊重环境。对环境的尊重可能是监管性的。这也日益反映出消费者选择可重复使用、可回收或可降解的产品的趋势。

目前市场上提供两种咖啡包，即：

-基本上由装有咖啡的非织造材料袋组成的柔性包，

-通过密封而封闭的由胶囊本身组成的硬质包或胶囊。

本发明具体涉及硬质胶囊。

型胶囊在欧洲市场上是众所周知的。例如，专利us7153530和us7658141中描述了这种胶囊。这些胶囊通常具有截锥形状的侧壁和由铝(20至100μm)、纯塑料或多层塑料、纸板/铝/塑料复合材料或塑料/纸板复合材料形成的底部。在胶囊底部提供聚氨酯型层以过滤咖啡。胶囊密封可由各种材料形成，例如铝或纸、铝和/或塑料(例如聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚酰胺(pa)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、乙烯-乙烯醇(evoh)、聚偏二氯乙烯(pvdc)等)的多层复合材料。在实践中，圆形密封围绕胶囊边缘热焊接或卷曲。

然而，将这些硬质的、不可堆肥的包改为可堆肥包的需求很高。

文献us8956672描述了型胶囊，具有倒置杯形体的特定特征。在所示的实施方式中，盖固定在向内弯曲的外围凸缘上。它可以由各种材料形成，例如铝或纸、铝和/或塑料(例如聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、聚酰胺(pa)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、乙烯-乙烯醇(evoh)、聚偏二氯乙烯(pvdc)等)的多层复合材料。盖被密封至外围凸缘的向内弯曲的部分，并且包含经校准的孔口，以便产生在萃取过程中导致压力增加的限制。可在腔室和盖之间放置过滤器。

文献ep2690035a描述了其他形状的胶囊。特别是，它描述了一种胶囊，其具有由圆形肋加强的穿孔底部，带有外围凸缘的截短体形或截头圆锥形侧壁，以及在胶囊装满成分后固定在边缘的盖。

文献us7543527中描述了其他胶囊设计。胶囊由圆柱形或略呈圆锥形的杯子形成。它包含分配单元，位于杯内靠近盖子的上肩上，以使冲泡的过程中进入胶囊的液体流可被修改。杯子也包含分配下方单元，允许在萃取期间将多余的液体收集到饮料杯外部。杯子和盖子由气密性多层复合膜组成。

文献ep1659909b1中也描述了用于制备食品或饮料的方法和装置。因此，该文献描述了由底部和装有外围凸缘的侧壁组成的胶囊。胶囊通常由单层或多层形式的塑料(例如evoh、pvdc、pp、pe和/或pa)制成。盖子被热焊接至胶囊。盖子由可穿孔材料制成，如铝、铝/塑料、纸板/塑料、纸板/铝/塑料或单层或多层塑料。

文献ep2648579b1描述了各种截头形、棱形、金字塔形等形状的胶囊盒。胶囊具有外围凸缘，盖子在凸缘上热封。

虽然已经提出了多种制备胶囊的方法，但其中大多数都不是可堆肥的。

为了解决这个问题，开发了由基于聚乳酸(pla)的塑料或所谓的“pla相容”塑料制成的胶囊。所谓的“pla相容”材料是pla和植物纤维的混合物。它们是可生物降解和可堆肥的。因此，胶囊符合en13432标准规定的可堆肥条件。

在下面的说明书中以及在权利要求书中，术语“可堆肥盖”指的是含有至多5重量％总比例的没有确定的生物降解性的有机成分(例如来自非可堆肥粘合剂或纤维)的盖子，从而符合en13432标准。

同样，“可堆肥胶囊或胶囊体”指的是含有至多5重量％总比例的没有确定的生物降解性的有机成分(例如来自非可堆肥粘合剂或纤维)的胶囊，从而符合标准。

到目前为止，还没有提出令人满意的解决方案来结合可堆肥盖与上述胶囊。考虑到与盖子相关的众多限制，这并不奇怪。事实上，这种小包很可能在它们必须机械承受的压力和温度下用于咖啡机。

基本上，胶囊按照以下过程用于小包或个体胶囊咖啡机。一旦胶囊被插入其位置，底部就会被刺穿。所形成的孔口允许加热到96℃的水以10至12巴的压力引入胶囊体中农。充满胶囊的水逐渐对盖子施加压力，盖子与机器中设置的钉型钻孔机接触。根据咖啡粒径，盖子穿孔时和渗滤过程中的压力最通常在5至15巴之间。一旦盖子被穿刺成针的图案，咖啡就会倒进杯子里。制造商对咖啡的倒入设置了一些条件。特别是，杯子里必须没有粉末。而且，约30ml的咖啡量必须在约30秒内倒入。此外，倒入的液体的颜色和密度必须与泡沫的颜色和密度相似。在咖啡倒出后而胶囊还没有被弹出时，也有一些限制。假设用户只在咖啡倒出几个小时后弹出胶囊，即在胶囊温度降至环境温度后，胶囊不得变形。如果胶囊变形，其在插入新胶囊时不会掉入提供的容器中。盖子必须不分离。

在本发明的范围内，当盖子在被穿孔时和在渗滤过程中承受粉末和水的混合物施加的5至15巴的压力时不会撕裂，则从耐压性的角度来看，认为盖子是令人满意的。在穿孔前，盖子不得在胶囊内水压升高的作用下撕裂。穿孔后，穿透的孔不得撕裂由此在压力的作用下扩大，以防止一些粉末经过并保持咖啡、特别是泡沫的特性。

以申请人名义的文献fr3050725描述了一种用于密封特别是装有咖啡的胶囊的可堆肥盖，该可堆肥盖由将基于聚乳酸纤维的非织造材料与蜡纸支持体结合的多层复合物组成。

虽然这种盖令人满意地可堆肥，但该盖提供的防潮性有限。

文献us2012/0097602描述了一种用盖子密封的胶囊。该胶囊的壁由夹在两层之间的氧阻隔层组成，一层基于pla，另一层基于pla或交联的pha/pla共聚物。盖子可具有两层。在一个特定的实施方式中，两层中的一层基于选自聚烯烃(pe、pp等)或聚酯(除pla外的pha、pla)的耐热、可生物降解聚合物，而另一层基于pla。未描述材料的具体组合。

因此，本发明要解决的问题是如何设计可堆肥盖来密封胶囊，特别是满足咖啡机(特别是使用小包或单个胶囊的机器)中这种类型的盖子的使用条件的容纳咖啡的胶囊，特别是防潮和抵抗粉末和水混合物施加的压力的盖子，不会分离的盖子，具有防止咖啡在渗滤过程中进入杯子的过滤器性质。

本发明所要解决的另一个问题是设计一种盖，所述盖可以引入当前的胶囊生产线中，而无需对所述生产线进行实质性修改。

本发明所要解决的另一个问题是设计一种能阻挡香气的盖。

技术实现要素：

为实现这一点，申请人已经开发了由两层组成的盖，这两层分别是基于聚乳酸(pla)纤维的非织造材料和基于除pla外的聚羟基烷酸酯聚合物(pha)的具有特定厚度的膜。由此获得的盖是耐压且防潮的，并且可以容易地引入现有的胶囊生产线中。此外，它提供了令人满意的香气阻隔性。

更具体而言，本发明的主题是一种用于密封例如容纳咖啡的饮料胶囊的可堆肥盖，所述盖由多层复合物构成，所述复合物至少包含：

-含有可生物降解纤维的非织造材料，所述纤维的至少50重量％为聚乳酸纤维(pla)，

-含有除pla外的聚羟基烷酸酯(pha)聚合物的膜，

所述膜的厚度为50μm至等于或小于300μm。

根据第一特征，本发明的盖包含含有纤维的非织造材料，所述纤维的至少50重量％、有利地80重量％、优选100重量％由聚乳酸(pla)类纤维组成。

聚乳酸(pla)具有生物来源、可生物降解和可堆肥的特定优点。在下面的说明书中以及在权利要求书中，术语“聚乳酸”和“pla”表示由乳酸或诸如玉米淀粉、甘蔗等乳酸源形成的可再生的可生物降解的脂肪族热塑性聚酯。术语pla可表示l型或d型pla的所有形式的立体异构体及其外消旋混合物。例如，pla可指d-聚乳酸、l-聚乳酸(也称为plla)、d,l-聚乳酸、内消旋聚乳酸，以及d-聚乳酸、l-聚乳酸(也称为plla)、d,l-聚乳酸、内消旋聚乳酸的任何组合。例如，pla的数均分子量可以为15,000至约300,000。在pla的制备中，可利用细菌发酵产生乳酸，乳酸可先低聚然后催化二聚以产生开环聚合用单体。因此，可以通过使用例如辛酸亚锡、氯化锡(iii)等催化剂，经单体的开环聚合来制备高分子量pla。

根据本发明，如有必要，100％纤维的余量由可生物降解纤维组成。

在下面的说明书中以及在权利要求书中，表述“可生物降解纤维”是指可被微生物等活生物体分解为有机物的纤维。

可生物降解纤维有利地选自包括以下物质的纤维的组：聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚丁烷(pb)、淀粉类聚合物、纤维素类聚合物、乙烯-乙烯醇(evoh)、聚丁二醇丁二酸(pbs)、生物来源的纤维素纤维(选自包括棉花、木纤维和亚麻纤维的组)。

术语“纤维素类聚合物”指可从纤维素衍生或制备的聚合物或聚合物组合。可用于本发明的实施方式中的纤维素类聚合物可包括例如纤维素酯，诸如甲酸纤维素、乙酸纤维素、二乙酸纤维素、丙酸纤维素、丁酸纤维素、戊酸纤维素及其混合物。

在优选的实施方式中，纤维仅由聚乳酸(pla)类纤维组成。

有利的是，所述纤维的至少40重量％是可热封纤维。可热封纤维的熔点优选为至少100℃。

一般而言，非织造材料是通过交错的个体纤维的随机排列获得的材料。纤维的粘合例如可通过胶粘剂或粘合剂(胶乳、聚乙烯醇、淀粉等)、通过加热、通过加压或通过针刺来实现。制备非织造材料的许多工艺在行业中是常识。例如，它们包括通过加热/吹制(“熔喷”)拉伸纤维、直接拉伸纤维或通过“纺丝成网”、“纺粘”、“梳理”、通过喷气分散(“气流成网”)或通过水分散(“湿法成网”)拉伸纤维的工艺。

除纤维外，非织造材料也可含有添加剂、矿物填料。通过加入添加剂或填料或除pla外的纤维，可以改变pla类非织造材料的熔点。

在实践中，非织造材料含有至少85重量％、更优选至少90重量％的纤维。

在有利的实施方式中，通过纺粘制造工艺，在不使用胶粘剂或粘合剂的情况下获得纤维的粘合，从而获得非织造材料的粘合。

在这些条件下，非织造材料含有100重量％的纤维，所述纤维的至少50重量％、有利地100重量％优选由pla纤维组成。

非织造材料可以是单层。有利的是，它可以是双层非织造材料。双层可以是单一组分，即只含有一种类型的pla，也可以是双组分，即含有熔点不同的两种类型的pla。

在一个具体的实施方式中，pla纤维具有芯/包层结构，即纤维为双组分纤维。在实践中，纤维包含含有聚乳酸(pla-1)的芯，该芯涂覆有含有聚乳酸(pla-2)的包层或。芯的直径为d1，鞘层的径向厚度为e1。可以修改直径d1与径向厚度e1之比，以改变纤维的性能。在实践中，芯的pla-1是乳酸单体l1和乳酸单体d1的共聚物。鞘层的pla-2是乳酸l2单体与乳酸d2单体的共聚物，其中d2单体水平高于pla-1d1单体水平。此外，芯可包含聚合物增塑剂。

根据另一个有利特征，非织造材料具有内表面和外表面，内表面的熔点低于外表面的熔点，内表面用于相对于含有聚羟基烷酸酯聚合物(pha)的膜布置。

根据din53887标准测量的非织造材料的透气性有利地为3000l/m2/s至5000l/m2/s。

pla纤维类非织造材料有利地具有20至30微米的厚度。

最后，在实践中，非织造材料的克重为5g/m²至100g/m²，有利地为10g/m²至30g/m²，进而更有利地为15g/m²至20g/m²，优选为约18g/m²。

根据另一个特征，多层复合物还包含含有除pla外的聚羟基烷酸酯聚合物(pha)的膜。根据本发明，该膜的厚度为50μm至300μm。

在下面的说明书和权利要求书中，术语“聚羟基烷酸酯(pha)”通常指可再生的热塑性脂肪族聚酯，其可通过淀粉、糖、脂类等的细菌发酵，由羟基脂肪族单体(包括羟基脂肪族酸的二聚体)的聚合产生。pha可包含一种或多种聚-β-羟基丁酸酯(phb)(也称为聚-3-羟基丁酸酯)、聚-α-羟基丁酸酯(也称为聚-2-羟基丁酸酯)、聚-3-羟基丙酸酯、聚-3-羟基戊酸酯、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯)(phbh)、聚-4-羟基丁酸酯、聚-4-羟基戊酸酯、聚-5-羟基戊酸酯，聚-3-羟基己酸酯、聚-4-羟基己酸酯、聚-6-羟基己酸酯、聚羟基丁酸酯-戊酸酯(phbv)、聚乙醇酸、聚乳酸(pla)等，包括各种pha聚合物等的共聚物、混合物和组合等。pha可通过例如在文献us7267794、us7276361中描述的方法来合成。

在有利的实施方式中，pha是聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯)(phbh)。

在实践中，聚羟基烷酸酯聚合物(pha)类膜，特别是phbh，通过平模挤出并拉伸以及压延。

根据本发明，膜的厚度为50μm至300μm。当膜厚度小于50μm时，盖不能充分抵抗压力，在咖啡被适当地萃取之前流动就开始。而且，当膜的厚度小于50μm时，盖不够坚硬，穿孔可能撕裂，如前所述，这是不可接受的。当膜的厚度大于300μm时，盖子太耐压力，咖啡流动不畅或不流动。而且，如果膜的厚度大于300μm，则盖子太硬并且未被最佳穿孔，导致咖啡流动性差。

有利的是，膜的厚度等于或大于100μm、等于或小于200μm，进而更有利地等于或大于125μm且等于或小于200μm。

除pha外，膜可含有添加剂，例如特别是矿物填料。

在实践中，pha占膜的80重量％至98重量％，有利地为90重量％至95重量％。

有利的是，含有pha聚合物的膜的克重为150g/m²至500g/m²，有利地为200g/m²至300g/m²，优选约240g/m²。

根据本发明，含有pha聚合物的膜通过热粘合，特别是通过热压延或热压与非织造材料结合。在试验机上，温度为110℃至150℃，有利的为120℃至145℃。施加的压力为130kn至230kn，有利地为约150kn至200kn。速度为4m/s至7m/s，优选为约5.5m/s。

在一个具体的实施方式中，盖仅由聚乳酸(pla)类纤维组成的非织造材料构成，膜由除pla外的聚羟基烷酸酯聚合物(pha)组成。

多层复合物，即本发明的目的，其厚度通常为110微米至310微米，并且有利地为150微米至200微米。

根据另一个特征，盖是可堆肥的，从而符合en13432标准。

本发明也涉及具有如先前所述的可堆肥盖的饮料胶囊。在一个具体的实施方式中，胶囊包含咖啡。

在优选的实施方式中，胶囊本身为pha/pla或相容的pha材料。这样做的优点是，只要材料相容(pha或pha相容)，就可以通过热封所述盖的非织造部分将盖粘合到胶囊上。所谓的“pha相容”材料是pha和植物纤维的混合物。在实践中，采用超声波热封。

优选的是，饮料胶囊用于分配个性饮料的机器中。

有利的是，饮料胶囊是可堆肥的，符合en13432标准。

本发明也涉及如上所述的可堆肥盖用于密封饮料胶囊、特别是咖啡的应用。为此，并且根据另一方面，将非织造材料应用于胶囊面向盖的表面。

本发明还涉及这种胶囊的制造方法，其包括以下步骤：

-形成依次由以下材料组成的多层复合物的条带：

-含有纤维的非织造材料，所述纤维的至少50重量％为聚乳酸纤维(pla)，

-含有除pla外的聚羟基烷酸酯(pha)聚合物的膜，所述膜的厚度为50μm至300μm，

-并行地，通过个体胶囊填充在板中形成的凹部，将条带叠加在板上，使得非织造材料朝向板，

-将条带切割成每个胶囊，形成盖，

-将盖热封在胶囊上。

根据该方法，热封采用超声波。

在说明本发明的以下附图和实施例中，并且不是以任何受限的方式，可以更好地理解本发明和由此产生的优点。

附图说明

图1说明了作为本发明的目的的盖子。

图2显示了具有本发明的盖的饮料胶囊。

具体实施方式

图1显示了多层复合物形式的盖，其依次包括：

-包含phbh聚合物的膜1，所述膜的厚度等于200μm；

-包含100重量％的pla纤维的非织造材料2。

非织造材料2仅由pla纤维形成。pla纤维是单一成分。非织造材料采用纺粘技术制造。非织造材料的厚度为20μm。

非织造材料和膜通过热压延结合，使得具有最低熔点的非织造材料的表面朝向膜。

然后将图1所示的盖超声热封到装满咖啡粉的胶囊上，该胶囊基本上由可堆肥pha类聚合物组成。由此获得的胶囊能够使咖啡在制造商要求的时间内流动，并且咖啡伴随有品质与当前胶囊相当的泡沫。由此制造的胶囊符合可堆肥标准en13432。

图2显示了具有适合本发明的盖的形状的胶囊。这种形状代表了普遍使用并以非限制性方式描述于文献us7153530和7658141(对于胶囊)、us7543527、ep2690035b1、ep1659909b1和/或ep2648579b1中的胶囊。结果，图2的胶囊可能具有这些文献中描述的一个或多个特征，并结合本发明的盖。

胶囊3通常具有主体4。主体4具有界定中心体积7的侧壁5和底部6。侧壁4可以是圆柱形、圆锥形、截头形等。侧壁具有从胶囊3的盖10的纵轴9沿径向向外延伸的边缘8。边缘8具有下表面14和上表面13。

胶囊可通过两种方式使用，即，当进行冲泡和萃取时盖10位于胶囊顶部(反之，在冲泡和萃取过程中盖(10)位于胶囊底部)。在某些应用中，胶囊的底部6也可具有符合本发明的第二盖，其可与盖10以相同的方式穿刺。

胶囊3具有一个或多个过滤和/或分配胶囊内容物的单元。尽管未显示，过滤材料可部分或完全覆盖边缘的上表面。在也未示出的其他实施方式中，过滤材料可固定至胶囊3的底部或盖10的下表面14上。

在实践中，制造胶囊4的主体并填充成分(例如咖啡粉、茶叶、热巧克力混合物等)。然后将盖10固定至胶囊3。通常，盖10的下表面11固定至胶囊4的主体边缘8的上表面12。

盖10被热封至胶囊3，使得非织造材料2与胶囊3接触。在其他实施方式中，可以用胶粘剂、通过激光焊接、超声波焊接或其他已知工序，将盖10密封至胶囊3。

防潮的评估

在本实施例中，发明人将根据图1的本发明的盖的防潮性能与如文献fr3050725中所述的盖进行比较。第二个盖由真实的蜡纸支持体、一层胶粘剂和pla的非织造材料组成(反例)。

在23℃、相对湿度为50％时，测量通过这两个盖的湿气的透过率。

通过本发明的盖的湿气的透过率为7g/m²·天+/-2g/m²·天。通过根据fr3050725的盖的湿气的透过率为85g/m²/天+/-2g/m²/天。

因此，本发明的盖提供了近92％的湿气透过率的降低。

香气阻隔性的评估

在本实施例中，发明人复制了图1的盖。

用每个盖(样品200a、200b、200c、200d、200e和200f)密封装有咖啡粉的五个胶囊。

将由此得到的胶囊放在罐子里。然后把罐子气密性密封。经过一段时间后，打开罐子，通过嗅觉感应测量打开过程中释放的气味。

15天后打开第一个罐子，样品200a没有释放气味或释放的气味非常弱。打开第一个罐子十五天后，打开第二个罐子。样品200b没有释放气味或释放的气味非常弱。打开第一个罐子一个月后，打开第三个罐子。样品200c释放出非常弱的气味。打开第一个罐子两个月后，打开第四个罐子。样品200d释放出非常弱的气味。打开第一个罐子三个月后，打开第五个罐子。样品200e释放出非常弱的气味。