DE102016106852B4

DE102016106852B4 - Verpackungspapier für Lebensmittel und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016106852B4
Application number: DE102016106852.7A
Authority: DE
Inventors: Petri Niemi
Original assignee: Delfortgroup AG
Current assignee: Delfortgroup AG
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2036-04-14
Also published as: BR112018069170B1; US20190203423A1; BR112018069170A2; EP3253918A1; US10760219B2; PL3253918T3; ES2684693T3; DE102016106852A1; CN109072555B; CN109072555A; EP3253918B1; WO2017178604A1

Abstract

Verpackungspapier für Lebensmittel, mit einem Flächengewicht von 20 g/m² bis 50 g/m², umfassend Zellstofffasern und einen oder mehrere Füllstoffe, wobei die Menge an Füllstoffen insgesamt zwischen 5 Gew.-% und 20 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Verpackungspapiers beträgt, wobei das Verpackungspapier
• ein Leimungsmittel umfasst, das in einer solchen Menge enthalten ist, dass sich auf beiden Seiten ein relatives Wasseraufnahmevermögen von 0,4 bis 0,7 ergibt, wobei das relative Wasseraufnahmevermögen definiert ist als der Quotient aus dem nach ISO 535:2014 bestimmten C0bb₆₀ Wert und dem Flächengewicht,
• auf zumindest einer Seite eine Beschichtung aufweist, die Nanopartikel einer Stärke umfasst, wobei die aufgetragene Menge der Nanopartikel der Stärke zwischen 1 g/m2 und 6 g/m2 beträgt,
• keine Verbindungen der Struktur CF₃(CF₂)_n(CH₂)_mX enthält, wobei n=5 oder n=7 beträgt und m=0, 1 oder 2 ist und X eine Hydroxygruppe (X=OH) oder eine Carboxygruppe (X=COOH) ist, oder der Anteil derartiger Verbindungen an der Gesamtmasse des Verpackungspapiers 0,1 ‰ nicht übersteigt, und
• einen Widerstand gegen Fette und Öle von 6 bis 12, beschrieben durch den Kit Level gemäß TAPPI T559 cm-12, aufweist, wobei in dem Test nach TAPPI T559 cm-12 die zumindest eine mit den genannten Nanopartikeln beschichtete Seite Testflüssigkeiten ausgesetzt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Papier zur Verpackung von Lebensmitteln. Insbesondere betrifft sie ein Papier, das trotz geringen Flächengewichts durch Kombination spezieller Papiereigenschaften mit einer Beschichtung aus Nanopartikeln eines Biopolymers einen ausreichenden Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten und Ölen aufweist und trotzdem gut recyclingfähig und toxikologisch unbedenklich ist.
HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
An Verpackungspapier für Lebensmittel werden viele verschiedene und zum Teil einander widersprechende Anforderungen gestellt. Eine erste Funktion des Verpackungspapiers besteht darin, dass es das verpackte Lebensmittel vor Umwelteinflüssen schützt. Dies erfordert zumindest eine gewisse mechanische Festigkeit und eine chemische Beständigkeit gegenüber typischen Umwelteinflüssen. Eine zweite Funktion besteht darin, dass das Verpackungspapier auch die Umwelt vor Einflüssen durch das verpackte Lebensmittel schützen soll, mit denen es möglicherweise in Kontakt kommt. Dies erfordert bei Lebensmitteln vor allem einen ausreichenden Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten, Ölen und Wasser durch das Verpackungspapier. Zusätzlich soll das Verpackungspapier für Lebensmittel einen definierten Widerstand gegen das Durchdringen von Wasserdampf besitzen, um zu verhindern, dass das Lebensmittel zu schnell austrocknet.
Da Verpackungspapier für Lebensmittel sehr oft nur einmal verwendet wird, ist es aus ökologischen Gründen sinnvoll, wenn das Verpackungspapier möglichst einfach wiederverwertet werden kann oder, falls es nicht ordnungsgemäß entsorgt wird, zumindest biologisch abgebaut werden kann.
Aus demselben Grund ist es auch wünschenswert, dass das Verpackungspapier für Lebensmittel ein möglichst geringes Flächengewicht aufweist, sodass wenig Rohstoffe zur Herstellung eingesetzt werden müssen und die Menge an Abfall, die durch die Entsorgung des Verpackungspapiers entsteht, vergleichsweise gering ist.
Typischerweise widersprechen sich die Anforderungen eines hohen bzw. definierten Widerstands gegen das Durchdringen von Fetten und Ölen, sowie die gute Wiederverwertbarkeit oder biologische Abbaubarkeit in Kombination mit einem geringen Flächengewicht des Verpackungspapiers.
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren für die Herstellung von Verpackungspapieren, die einen sehr guten Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten, Ölen und Wasser bzw. Wasserdampf erreichen, besteht darin, ein Basispapier einseitig mit Polyethylen, beispielsweise in einem Extrusionsverfahren, zu beschichten. Wegen dieser Beschichtung kann ein solches Papier aber nicht oder nur mit großem Aufwand wiederverwertet werden. Dieses Verfahren erfüllt daher die Anforderung einer Wiederverwertbarkeit oder biologischen Abbaubarkeit nur unzureichend.
Ein anderes aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren für die Herstellung von Verpackungspapieren, die einen sehr guten Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten, Ölen und Wasser erreichen, besteht darin, das Papier mit bestimmten fluorhaltigen Substanzen zu beschichten. Insbesondere polyfluorierte organische Verbindungen, und vor allem Fluortelomeralkohole, CF₃(CF_z)_n(CH₂)_mOH mit n=1, 2,..., insbesondere mit n=5 oder n=7, und m=0, 1, 2,...,10, insbesondere mit m=0, 1 oder 2, haben sich für diese Anwendung bewährt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise der US 4 097 297 A zu entnehmen. Beim Einsatz dieser Stoffe kann es aber zu einer Kontamination mit Perfluoroktansäure (PFOA, C₈HF₁₅O₂) kommen, die sich im menschlichen Organismus ansammelt und die durch die in der EU geltende REACH-Verordnung (Registration, Evaluation, Authorisation of Chemicals) als fortpflanzungsgefährdend, krebserregend und toxisch eingestuft ist. Schon allein aus diesem Grund sind polyfluorierte organische Verbindungen als Bestandteil eines Verpackungspapiers nicht erwünscht und insbesondere nicht als Bestandteil eines Verpackungspapiers für Lebensmittel. Zusätzlich sind solche Papiere auch kaum wiederverwertbar.
Viele Versuche ein Verpackungspapier für Lebensmittel mit Substanzen überwiegend biologischen Ursprungs zu beschichten, so dass neben der guten Wiederverwertbarkeit oder biologischen Abbaubarkeit auch noch ein hoher Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten, Ölen und Wasser erreicht wird, waren nicht erfolgreich, weil der hohe Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten, Ölen und Wasser, den die Beschichtung mit Polyethylen oder der Einsatz von polyfluorierten organischen Verbindungen bietet, nicht annähernd erreicht werden konnte, insbesondere nicht für Verpackungspapiere mit einem geringen Flächengewicht.
In anderen Versuchen einer Beschichtung des Verpackungspapiers mit erdölbasierten Wachsen konnte zwar ein hoher Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten, Ölen und Wasser erreicht werden, aber die Anforderung einer guten Wiederverwertbarkeit oder biologischen Abbaubarkeit ist wieder nur unzureichend erfüllt. Zudem sind diese auf Erdölprodukten basierenden Wachse ihrerseits ökologisch nachteilig.
In WO 2015/180699 A1 ist ein Papier beschrieben, das Nanopartikel eines Biopolymers enthält. Durch diese Nanopartikel wird vor allem die Trockenfestigkeit des Papiers erhöht, sodass ein höherer Anteil an wiederverwerteten Fasern eingesetzt werden kann, was ökologische Vorteile bringt. Außerdem erhöht sich durch die Nanopartikel der Widerstand gegen Fette und Öle. Allerdings sind die in dieser Patentanmeldung beschriebenen Papiere vergleichsweise schwer, über 60 g/m², und erhebliche Mengen an Nanopartikeln sind erforderlich, üblicherweise mindestens 6 g/m², um ausreichende Festigkeit zu erreichen. Außerdem ist der Einsatz von Perfluoroktansäure weiterhin als vorteilhaft beschrieben und trotz aller dieser Maßnahmen wird kein Widerstand gegen Fette und Öle erreicht, der einen Kit Level von 5 überschreitet.
Die WO 2015/144983 A1 offenbart Stärkenanopartikel und ein Verfahren zu deren Herstellung. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird die Stärke in einem wässrigen Medium dispergiert, um eine wässrige Dispersion zu erhalten, die bei einer Temperatur zwischen 30 °C und 80 °C homogenisieren wird, um eine geleeartige Masse zu erhalten. In einem zweiten Schritt wird der geleeartigen Masse ein wässriges Medium in einem Volumenverhältnis von 1:1 oder mehr zugefügt, um eine verdünnte geleeartige Masse zu erhalten, und die verdünnte geleeartige Masse wird bei einer Temperatur von zwischen 3 °C und 20 °C homogenisiert, um Stärkenanopartikel zu erhalten. Ferner werden verschiedenen Anwendungen solcher Stärkenanopartikel diskutiert.
Die WO 2013/013786 A1 offenbart ein Filterhüllpapier für einen Rauchartikel, der einen Anteil an Langfaserzellstoff von mindestens 30 Gew.% bezogen auf die reine Fasermasse des Papiers hat. Der Mahlgrad des Langfaserzellstoffs nach ISO 5267, Schopper-Riegler-Verfahren beträgt zwischen 80° SR und 100° SR. Das Filterhüllpapier hat einen Füllstoffgehalt von weniger als 10 Gew.% bezogen auf die Gesamtmasse des Papiers und ist mit einem Material imprägniert, das geeignet ist, eine wässrige Zusammensetzung, insbesondere eine wässrige Lösung oder Suspension zu bilden. Die Ölbeständigkeit des Filterhüllpapiers weist einen KIT-Level nach Tappi T559 cm-02 von mindestens 4, vorzugsweise von mindestens 5 auf.
Schließlich offenbart die CA 2467601 A1 ein ölbeständiges Verpackungspapier, welches mit einer stärkebasierten Beschichtung versehen ist.
Es besteht daher weiterhin ein großer Bedarf in der Industrie, ein Verpackungspapier zur Verfügung zu haben, dass bei guter Festigkeit einen geringen Rohstoffeinsatz erfordert, auf die Verwendung von organischen Fluorverbindungen vollkommen verzichtet und trotzdem einen hohen Widerstand gegen Fette und Öle besitzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verpackungspapier für Lebensmittel anzugeben, das ein geringes Flächengewicht besitzt, einen ausreichend hohen Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten und Ölen bietet und gut wiederverwertet oder biologisch abgebaut werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verpackungspapier nach Anspruch 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verpackungspapier hat ein Flächengewicht von 20 g/m² bis 50 g/m², umfasst Zellstofffasern und einen oder mehrere Füllstoffe, wobei die Menge an Füllstoffen insgesamt zwischen 5 Gew.-% und 20 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Verpackungspapiers beträgt. Ferner umfasst das Verpackungspapier ein Leimungsmittel, das in einer solchen Menge enthalten ist, dass sich auf beiden Seiten ein relatives Wasseraufnahmevermögen, ausgedrückt durch den Quotienten aus dem nach ISO 535:2014 bestimmten Cobb₆₀ Wert und dem Flächengewicht von 0,4 bis 0,7 ergibt.
Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Verpackungspapier auf zumindest einer Seite eine Beschichtung auf, die Nanopartikel einer Stärke umfasst, wobei die Auftragsmenge zwischen 1 g/m2 und 6 g/m2 der besagten Nanopartikel beträgt. Das Verpackungspapier enthält keine Verbindungen der Struktur CF₃(CF₂)_n(CH₂)_mX, wobei n=5 oder n=7 beträgt und m=0,1 oder 2 ist und X eine Hydroxygruppe (X=OH) oder eine Carboxygruppe (X=COOH) ist, oder allenfalls einen Anteil derartiger Verbindungen an der Gesamtmasse des Verpackungspapiers, der 0,1 %o nicht übersteigt, und es besitzt einen Widerstand gegen Fette und Öle von 6 bis 12, beschrieben durch den Kit Level gemäß TAPPI T559 cm-12, wenn in diesem Test die zumindest eine mit den genannten Nanopartikeln beschichtete Seite den Testflüssigkeiten ausgesetzt wird. In bevorzugten Ausführungsformen wird dieser Widerstand gegen Fette und Öle jedoch beidseitig erreicht.
Im Stand der Technik geht man davon aus, dass das Wasseraufnahmevermögen eines Verpackungspapiers gering sein soll, um eine ausreichende Barrierewirkung zu erreichen. Das Verpackungspapier soll also wasserabweisend sein. Dies sorgt einerseits dafür, dass Wasser nicht rasch durch das Verpackungspapier dringen kann und andererseits dafür, dass wasserbasierte Beschichtungslösungen an der Oberfläche des Verpackungspapiers verbleiben.
Die Erfinder haben jedoch überraschend gefunden, dass das Wasseraufnahmevermögen nicht möglichst klein sein soll, sondern dass es für die Gesamtfunktion des Papiers in Kombination mit den genannten Nanopartikeln von erheblichem Vorteil ist, wenn es in einem bestimmten, engen Wertebereich liegt. Die Erfinder haben festgestellt, dass man in diesem engen Wertebereich ein wasserbasiertes Beschichtungsmaterial optimal zwischen der Oberfläche und dem Volumen des Verpackungspapiers verteilen und hohe Barrierewirkungen trotz des geringen Flächengewichts erreichen kann, sodass man weniger Beschichtungsmaterial benötigt.
Des Weiteren haben die Erfinder festgestellt, dass es hierbei nicht auf das absolute Wasseraufnahmevermögen ankommt, wie es beispielsweise nach ISO 535:2014 gemessen und als Cobb₆₀ Wert in g/m² ausgedrückt wird, sondern dass es vielmehr darauf ankommt, dass das Wasseraufnahmevermögen in Bezug auf das Flächengewicht des Verpackungspapiers geeignet gewählt ist. Zu diesem Zweck wird das relative Wasseraufnahmevermögen als dimensionslose Verhältniszahl aus dem Cobb₆₀ Wert nach ISO 535:2014 und dem Flächengewicht nach ISO 536:2012 definiert. Ist also beispielsweise der Cobb₆₀ Wert 15 g/m² und das Flächengewicht beträgt 35 g/m², dann beträgt das relative Wasseraufnahmevermögen 15/35 ≈ 0,428. Die Erfindung bezieht sich auf in Wasser suspendierte Nanopartikel einer Stärke als Beschichtungsmaterial und die Experimente zeigen, dass weitgehend unabhängig vom Flächengewicht bei einem relativen Wasseraufnahmevermögen zwischen 0,4 und 0,7, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6, eine optimale Verteilung von Nanopartikeln einer Stärke im Verpackungspapier erreicht werden kann, sodass das fertige Verpackungspapier, wenn die Nanopartikel einer Stärke in einer Menge von nur 1 g/m2 bis 6 g/m2 aufgetragen sind, bereits Kit Level nach TAPPI T559 cm-12 von mindestens 6 erreicht. Dies stellt einen ersten bedeutenden Vorteil der Erfindung dar. Zudem kann vollkommen auf den Einsatz der unerwünschten organischen Fluorverbindungen verzichtet werden, die üblicherweise als Barriere gegen Fette und Öle verwendet werden, was einen weiteren Vorteil der Erfindung vor allem in Bezug auf ökologische Aspekte darstellt.
Es ist außerdem ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, dass das relative Wasseraufnahmevermögen beider Seiten des Papiers in dem oben erwähnten Bereich von 0,4 bis 0,7 und bevorzugt von 0,4 bis 0,6 liegt. Dies widerspricht den Erwartungen aus dem Stand der Technik, weil das absolute und relative Wasseraufnahmevermögen der beschichteten Seite eines Papiers generell kleiner ist als jenes der unbeschichteten Seite, während es für die Erfindung von Bedeutung ist, dass das Wasseraufnahmevermögen unabhängig von jeder Beschichtung in dem angegebenen Bereich liegt.
Das erfindungsgemäße Verpackungspapier hat ein Flächengewicht zwischen 20 g/m² und 50 g/m². Generell wird man zur Einsparung von Rohstoffen das Flächengewicht möglichst gering wählen, dann allerdings reduziert sich die Barrierewirkung gegen Fette und Öle, sodass ein bevorzugter Bereich für das Flächengewicht zwischen 25 g/m² und 40 g/m² liegt. Das Flächengewicht eines Papiers kann nach ISO 536:2012 gemessen werden.
Das erfindungsgemäße Verpackungspapier umfasst Zellstofffasern. Grundsätzlich kommen dafür alle aus dem Stand der Technik bekannten Zellstofffasern in Frage, mit denen die üblicherweise vorausgesetzten technischen Eigenschaften, wie beispielsweise ausreichende Zugfestigkeit, erreicht werden können. Im Rahmen der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zellstofffasern Sulfatzellstofffasern sind und 25 Gew.-% bis 75 Gew.-% Langfasern und 25 Gew.-% bis 75 Gew.-% Kurzfasern umfassen, wobei sich die Prozentsätze auf die Masse der Zellstofffasern beziehen. Langfasersulfatzellstoff kann dabei beispielsweise aus Fichte oder Kiefer gewonnen werden, während der Kurzfaserzellstoff beispielsweise aus Birke, Buche oder Eukalyptus gewonnen werden kann. Der Einsatz von Zellstofffasern aus anderen Pflanzen, wie Flachs, Hanf, Sisal, Abacä, Ramie, Jute, Kenaf oder Espartogras ist ebenfalls möglich und kann zur Erzielung einer besonders hohen Zugfestigkeit (Flachs, Hanf, Sisal, Abacä) oder eines hohen Papiervolumens (Espartogras) sinnvoll sein.
Auch Fasern aus regenerierter Zellulose, wie Modalfasern oder Lyocellfasern, können eingesetzt werden, verschlechtern aber die biologische Abbaubarkeit. Fasern aus thermoplastischen Kunststoffen wie Polyethlyen oder Polypropylen können ebenfalls eingesetzt werden, insbesondere wenn eine Heißssiegelfähigkeit erforderlich ist. Selbstverständlich verschlechtern aber auch diese Fasern die biologische Abbaubarkeit.
Generell werden die Zellstofffasern gebleicht sein, weil das Verpackungspapier dann weiß ist und häufig auch noch bedruckt wird. Alternativ können die Zellstofffasern oder zumindest ein Teil davon ungebleicht sein. Das Verpackungspapier wird dann eine hellbraune bis dunkelbraune Farbe besitzen. Die Verwendung von ungebleichten Zellstofffasern kann von Vorteil sein, wenn ökologische Aspekte des Verpackungspapiers von besonderer Bedeutung sind.
Wenig bevorzugt sind recyclierte Fasern, die vor allem aus Altpapier gewonnen werden, weil solche Fasern oft durch Substanzen kontaminiert sind, die in Verpackungen für Lebensmittel unerwünscht sind. Dazu gehören beispielsweise mineralöl-basierte gesättigte Kohlenwasserstoffe (MOSH) und mineralöl-basierte aromatische Kohlenwasserstoffe (MOAH). In einer bevorzugten Ausführung des Verpackungspapiers enthält es daher keine oder nahezu keine recyclierten Fasern, insbesondere nicht solche aus Altpapier. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die oben genannten Zellstofffasern nicht recycliert, also vollständig, oder zumindest 95 Gew.-% Frischfasern („virgin pulp“).
Das erfindungsgemäße Verpackungspapier umfasst Füllstoffe. Der Anteil an Füllstoffen im Verpackungspapier ist aber eher niedrig und liegt zwischen 5 Gew.-% und 20 Gew.-% bezogen auf die Masse des fertigen Verpackungspapiers. Bei der Herstellung von Papier im Allgemeinen, speziell aber von Verpackungspapier, ist der Fachmann bestrebt, den Füllstoffgehalt möglichst hoch zu wählen, weil man damit eine höhere Weiße, höhere Opazität und geringere Kosten für das Verpackungspapier erreicht. Gegenwärtig geht der Trend in der Papierherstellung in Richtung auf zunehmend höhere Füllstoffgehalte, die durchaus bei 40 Gew.-% oder höher liegen können. Die Erfinder haben aber festgestellt, dass für die Zwecke der Erfindung ein vergleichsweise geringer Füllstoffgehalt von entscheidender Bedeutung ist. Grund hierfür ist, dass ein hoher Füllstoffgehalt dem Papier eine poröse Struktur verleiht, was die Barrierewirkung verschlechtert. Aus diesem Grund liegt der Füllstoffgehalt in jedem Fall zwischen 5 Gew.-% und 20 Gew.-%, bevorzugt aber zwischen 5 Gew.-% und 15 Gew.-%.
Als Füllstoffe können unterschiedliche Füllstoffe verwendet werden. Dazu gehören beispielsweise vor allem Carbonate, wie gefälltes oder geologisch abgebautes Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat; Metalloxide, wie Titandioxid oder Magnesiumoxid; Metallhydroxide, wie Magnesiumhydroxid oder Aluminiumhydroxid; und Silikate wie Kaolin und Talkum. Der Einsatz von Mischungen dieser Füllstoffe ist mit der Erfindung vereinbar.
Beispielsweise kann Titandioxid als einziger Füllstoff oder in einer Mischung eingesetzt werden, um die Opazität und Weiße zu erhöhen. Weil Titandioxid in dieser Hinsicht besonders wirksam ist, kann bei gleicher Weiße und Opazität der gesamte Füllstoffgehalt und damit das Flächengewicht reduziert werden, und eine für die Zwecke der Erfindung vorteilhafte, wenig poröse Struktur geschaffen werden.
Wegen des hohen Preises von Titandioxid ist es auch möglich, einen Teil des Titandioxids durch andere Füllstoffe, sogenannte Extender zu ersetzen, die in Kombination mit Titandioxid dessen Wirkung verstärken. Für eine Masseneinheit Titandioxid, die durch einen Extender ersetzt werden soll, müssen allerdings mehrere Masseneinheiten des Extenders verwendet werden. Als Extender kommen beispielsweise calciniertes Kaolin, Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃) oder gefällte amorphe Silikate in Frage.
Beispielsweise kann auch Kaolin oder Talkum als einziger Füllstoff oder in einer Mischung eingesetzt werden, um die Glätte des Verpackungspapiers zu erhöhen und die poröse Struktur zu beeinflussen. Dadurch kann die Bedruckbarkeit verbessert und eine begrenzte Barrierewirkung erzielt werden.
Für die Barrierewirkung des erfindungsgemäßen Verpackungspapiers ist es wesentlich, dass Nanopartikel einer Stärke so auf das Verpackungspapier aufgetragen werden, dass das fertige Verpackungspapier zwischen 1 g/m² und 6 g/m² der Nanopartikel enthält. Diese Menge ist ausreichend um einen guten Widerstand gegen Fette und Öle einen sogenannten Kit Level von 6 bis 12, gemessen nach TAPPI T559 cm-12, zu erzielen. Bevorzugt beträgt die Menge an Nanopartikeln einer Stärke im Verpackungspapier zwischen 1,5 g/m² und 5,5 g/m² und ganz besonders bevorzugt zwischen 1,5 g/m² und 5 g/m².
Die Herstellung von für die Erfindung geeigneten Nanopartikeln einer Stärke ist beispielhaft in WO 2008/022127 A2 , WO 2010/065750 A1 und WO 2011/084692 A1 beschrieben. In den genannten Patentschriften werden die Nanopartikel aber vor allem zur Verbesserung der Bedruckbarkeit eingesetzt. Die für die Herstellung der Nanopartikel geeigneten Stärken umfassen beispielsweise Kartoffelstärke, Maisstärke, Weizenstärke, Reisstärke oder Tapiokastärke. Generell eignen sich bevorzugt Stärken mit hohem Gehalt an Amylopektin, insbesondere solche mit einem Gehalt von mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % an Amylopektin.
Die mittlere Größe der Nanopartikel beträgt zwischen 1 nm und 500 nm, bevorzugt zwischen 10 nm und 400 nm und besonders bevorzugt zwischen 40 nm und 200 nm.
Neben den für das erfindungsgemäße Verpackungspapier wesentlichen Komponenten kann das Verpackungspapier weitere Komponenten enthalten.
Dazu gehören Leimungsmittel, wie beispielsweise Alkylketendimere (AKD), Alkenylbernsteinanhydrid (ASA) oder Harzleime. Diese Leimungsmittel machen das Verpackungspapier hydrophob und sind notwendig, um das relative Wasseraufnahmevermögen des Verpackungspapiers auf den gemäß der Erfindung erforderlichen Wert einzustellen. Die dazu nötige Menge an Leimungsmittel wird der Fachmann anhand seiner Erfahrung festlegen können bzw. durch Experimente bestimmen können. Das Leimungsmittel kann bei der Herstellung des Verpackungspapiers in der Masse zugegeben oder auf die Oberfläche aufgetragen werden. Bei einer Zugabe in der Masse ist das Leimungsmittel bereits beim Stoffauflauf in der Suspension enthalten. Diese Art der Leimung wird in der vorliegenden Offenbarung auch als „in der Masse geleimt“ bezeichnet und ist bevorzugt. Zusätzlich oder alternativ kann das Leimungsmittel aber auch auf die Oberfläche aufgetragen werden, beispielsweise in einer Leimpresse einer Papiermaschine.
Wenn gewünscht ist, dass das Verpackungspapier besonders wasserbeständig ist, kann es auch Nassfestmittel enthalten, das die Festigkeit des Verpackungspapiers im nassen Zustand erheblich erhöht. Ein gut geeignetes Nassfestmittel ist Polyaminopolyamid-Epichlorhydrin (PAE). Als Anhaltspunkt kann PAE in einer Menge von 2 kg pro Tonne Verpackungspapier eingesetzt werden.
Eine weitere optionale Komponente des Verpackungspapiers kann Stärke sein, wobei hier explizit nicht die Nanopartikel einer Stärke gemeint sind. Stärke kann dem Verpackungspapier hinzugefügt werden um seine Trockenfestigkeit zu erhöhen. Auch hier wird der Fachmann die nötige Menge anhand der Erfahrung wählen können und kann eine Menge von 5 kg pro Tonne Verpackungspapier als Anhaltspunkt nehmen.
Im Fall, dass nur eine Seite des Verpackungspapiers mit den Nanopartikeln einer Stärke beschichtet ist, kann die andere Seite mit gewöhnlicher Stärke beschichtet sein, um zu verhindern, dass sich das Verpackungspapier bei Änderung der Feuchtigkeit wölbt, weil sich die beiden Seiten des Verpackungspapiers bei Befeuchtung unterschiedlich ausdehnen. Für die weitere Verarbeitung des Verpackungspapiers, insbesondere das Bedrucken, ist es wichtig, dass sich das Verpackungspapier nicht wölbt.
Das erfindungsgemäße Verpackungspapier kann neben den Füllstoffen auch Pigmente oder Farbstoffe enthalten. Beispielsweise können gelbe, rote, braune oder schwarze Eisenoxide oder Kohlepartikel eingesetzt werden, um dem Papier eine andere Farbe als weiß zu verleihen. Unter Pigmenten können auch Metallpartikel oder Kunststoffpartikel verstanden werden, die dem Papier eine besondere Farbe oder einen besonderen Glanz verleihen. Insbesondere ist für besonders hochwertige Verpackungspapier auch der Einsatz von Blattgold denkbar.
Als Farbstoffe können bevorzugt solche verwendet werden, die in einer wässrigen Zusammensetzung verarbeitet werden können, sich aber bei Kontakt mit Lebensmitteln nicht nennenswert aus dem Verpackungspapier lösen, sodass das Lebensmittel nicht kontaminiert wird. Auch die UV-Beständigkeit kann bei der Auswahl des Farbstoffs eine Rolle spielen.
Das erfindungsgemäße Verpackungspapier kann auch bedruckt sein. In vielen Fällen sind Verpackungspapiere für Lebensmittel mit Marken, Logos, Firmenbezeichnungen, Inhaltsangaben oder anderen Informationen bedruckt. Dafür können alle aus dem Stand der Technik bekannten und für Verpackungspapiere für Lebensmittel üblichen Druckverfahren eingesetzt werden, insbesondere Tiefdruck, Flexodruck oder Digitaldruck.
Das Verpackungspapier kann auf keiner, einer oder beiden Seiten bedruckt sein. Bei einem Druck auf nur eine Seite ist bevorzugt eine Seite des Verpackungspapiers mit den Nanopartikeln einer Stärke beschichtet und die andere Seite bedruckt. Die mit Nanopartikel einer Stärke beschichtete Seite ist dann bevorzugt dem Lebensmittel zugewandt.
Weitere Komponenten des Verpackungspapiers, wie sie beispielsweise zur Herstellung des Papiers notwendig sind, kann der Fachmann geeignet wählen. Dazu gehören beispielsweise Retentionshilfsmittel, Vernetzungsmittel, Dispergierhilfsmittel, Entschäumer oder Biozide. Generell müssen bei der Verwendung dieser Komponenten, wie auch aller zuvor genannten Komponenten des Verpackungspapiers die gesetzlichen Bestimmungen berücksichtigt werden.
In Verpackungspapieren für Lebensmittel, insbesondere solchen, die einen hohen Widerstand gegen Fette und Öle aufweisen, werden im Stand der Technik sehr häufig Fluorverbindungen eingesetzt. Dazu gehört eine Klasse von Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel CF₃(CF₂)_n(CH₂)_mX, die sogenannten Fluortelomeralkohole, wenn X eine Hydroxygruppe (X=OH) ist, oder fluorierte oder perfluorierte Carbonsäuren, wenn X eine Carboxygruppe (X=COOH) ist. Dabei kann n die Werte n=1,2,... annehmen und m die Werte m=0,1,2,...,10. Von besonderer Bedeutung sind Fluortelomeralkohole mit n=5 oder n=7 und m= 0, 1 oder 2 und X=OH, sowie die Perfluoroktansäure mit n=6, m=0 und X=COOH.
Es ist ein wesentliches Ziel und ein bedeutender Vorteil des erfindungsgemäßen Verpackungspapiers, dass solche Fluorverbindungen nicht im Verpackungspapier enthalten sind. Dabei bedeutet „nicht enthalten“, dass sie nicht in einer Menge enthalten sind, die bedeutend zur Barrierewirkung gegen Fette oder Öle beiträgt. Es ist aber denkbar und noch mit der Erfindung vereinbar, dass Spuren von solchen Fluorverbindungen enthalten sind, die durch Kontamination, beispielsweisen durch den Kontakt mit anderen, nicht erfindungsgemäßen Verpackungspapieren, zustande gekommen sind. Jedenfalls soll der Anteil derartiger Fluorverbindungen an der Gesamtmasse des Verpackungspapiers 0,1 ‰ nicht übersteigen.
Eine weitere für die Erfindung wesentliche Eigenschaft des Verpackungspapiers ist sein Wasseraufnahmevermögen. Das absolute Wasseraufnahmevermögen wird nach ISO 535:2014 bestimmt und als Cobb₆₀ Wert („Cobb₆₀“) in g/m² angegeben. Nach Bestimmung des Flächengewichts des Verpackungspapiers („FLG“) in g/m² gemäß ISO 536:2012, kann daraus das relative Wasseraufnahmevermögen durch das Verhältnis Cobb₆₀/FLG berechnet werden. Da der Cobb₆₀ Wert für beide Seiten des Verpackungspapiers separat bestimmt werden kann, ist auch jeder Seite des Verpackungspapiers ein relatives Wasseraufnahmevermögen zugeordnet. Es hat sich für die Erfindung als wesentlich herausgestellt, dass das relative Wasseraufnahmevermögen beider Seiten ähnlich ist und zwischen 0,4 und 0,7, bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6, liegt. Die Erfinder gehen davon aus, dass nur in diesem Wertebereich eine optimale Verteilung der wässrigen Beschichtungszusammensetzung und damit der Nanopartikel im Verpackungspapier erreicht werden kann. Diese optimale Verteilung sorgt für den hohen Widerstand gegen Fette und Öle bei vergleichsweise geringen Auftragsmengen und geringem Flächengewicht des Verpackungspapiers.
Eine weitere wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verpackungspapiers ist sein Widerstand gegen das Durchdringen von Fetten und Ölen. Diese Eigenschaft wird nach der in TAPPI T559 cm-12 beschriebenen Methode quantifiziert. Dabei werden 12 unterschiedliche Testflüssigkeiten auf das Papier aufgebracht, die nach Ihrer Neigung Papier zu durchdringen aufsteigend von 1 bis 12 sortiert und nummeriert sind. Die Flüssigkeiten werden in aufsteigender Reihenfolge getestet, und die Nummer der letzten Flüssigkeit, bei der es zu keinem Durchdringen des Papiers gekommen ist, definiert den Widerstand gegen Fette und Öle, der dann als Kit Level bezeichnet wird. Der Kit Level kann daher Werte von 0 bis 12 annehmen. Um einen ausreichenden Widerstand gegen Fette und Öle bei Verpackungspapieren für übliche Lebensmittel zu erreichen, soll der Kit Level mindestens 6 und höchstens 12 betragen, bevorzugt ist ein Kit Level von 6 bis 10, der für den überwiegenden Großteil aller Anwendungen bereits ausreicht und ganz besonders bevorzugt ist ein Kit Level von 6 bis 8.
Beim Test nach TAPPI T559 cm-12 soll die mit Nanopartikeln einer Stärke beschichtete Seite des Verpackungspapiers den Testflüssigkeiten zugewandt sein. Sind beide Seiten des Verpackungspapiers mit Nanopartikeln einer Stärke beschichtet, muss für jede der beiden Seiten des Verpackungspapiers der Kit Level im Bereich von 6 bis 12 liegen. Die Kit Level der beiden Seiten können sich aber unterscheiden und Kit Level in den bevorzugten engeren Intervallen können daher in jeder beliebigen Kombination auch nur auf einer Seite des Verpackungspapiers auftreten, während der Kit Level für die andere Seite außerhalb des bevorzugten Intervalls liegen kann aber jedenfalls zwischen 6 und 12 liegen muss.
Der Kit Level kann primär durch die Menge der Nanopartikel einer Stärke im Verpackungspapier beeinflusst werden, wobei eine höhere Auftragsmenge auch zu einem höheren Kit Level führt. Weitere Maßnahmen, die der Fachmann zur Einstellung des Kit Levels im Sinne dieser Erfindung ergreifen kann, sind die Wahl von Art und Menge eines Leimungsmittels, die Mahlung der Zellstofffasern und papierverdichtende Maßnahmen wie Kalandrieren. Bei allen diesen Maßnahmen sind aber die Vorgaben an das relative Wasseraufnahmevermögen zu beachten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der optional ist, aber noch weitere Vorteile bezüglich des Rohstoffeinsatzes und der Barrierewirkung gegen Fette und Öle bewirken kann ist die Wahl einer bestimmten, niedrigen Luftdurchlässigkeit. Die Aufnahme der Beschichtungszusammensetzung in die Papierstruktur wird auch von der porösen Struktur des Verpackungspapiers bestimmt. Eine Methode um die poröse Struktur des Verpackungspapiers zu beurteilen ist die Luftdurchlässigkeit nach Gurley, die gemäß ISO 5636-5:2013 gemessen werden kann. Dabei wird eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Verpackungspapiers aufgebracht und gemessen wie lange es dauert, bis ein bestimmtes Volumen Luft, typischerweise 100 cm³, durch eine definierte Fläche des Papiers geströmt ist. Die Luftdurchlässigkeit nach Gurley wird dabei in Sekunden angegeben. Ein hoher Wert nach Gurley in Sekunden bedeutet also eine geringe Luftdurchlässigkeit und umgekehrt bedeutet ein niedriger Wert in Sekunden eine hohe Luftdurchlässigkeit. Die Luftdurchlässigkeit kann insbesondere durch die Mahlung des Zellstoffs bei der Papierherstellung und durch die Wahl der Art, Menge und mittleren Partikelgröße des Füllstoffs oder der Füllstoffmischung beeinflusst werden und ist mithin ein Parameter, den der Fachmann in gewissen Bereichen einstellen kann.
Im Sinne der Erfindung kann die Luftdurchlässigkeit nach Gurley dazu verwendet werden, die durch die Nanopartikel einer Stärke und die Papierstruktur bewirkte Barrierewirkung noch besser einzustellen. Bevorzugt wird die Luftdurchlässigkeit nach Gurley zwischen 1000 s und 10000 s liegen, besonders bevorzugt zwischen 2000 s und 8000 s. Dies ist eine deutlich niedrigere Luftdurchlässigkeit als aus dem Stand der Technik bekannte Verpackungspapiere für Lebensmittel besitzen, die üblicherweise eine Luftdurchlässigkeit nach Gurley von 50 s bis 500 s aufweisen. Generell ist die Luftdurchlässigkeit nach Gurley nicht nennenswert von der Richtung der Gasströmung durch das Papier abhängig, sodass die angegebenen Grenzen unabhängig von der Strömungsrichtung gelten. Tatsächlich haben Experimente der Erfinder ergeben, dass die Luftdurchlässigkeit nach Gurley für die Zwecke der Erhöhung des Widerstands gegen Öle und Fette eine eigenständige Bedeutung in dem Sinne hat, dass bei zwei in allen anderen hier betrachteten wesentlichen Parametern identischen Papieren dasjenige, welches eine geringere Luftdurchlässigkeit nach Gurley aufweist, einen besseren Widerstand gegen Fette und Öle bietet. Bei bevorzugten Verpackungspapieren wird daher darauf geachtet, dass die Luftdurchlässigkeit nach Gurley mindestens 1000 s, vorzugsweise mindestens 2000 s beträgt.
Die Dicke des Verpackungspapiers beträgt zwischen 20 µm und 60 µm, bevorzugt zwischen 25 µm und 50 µm. Die Dicke kann nach ISO 534:2011 an einer einzelnen Lage gemessen werden.
Die Zugfestigkeit des Verpackungspapiers ist generell für die Herstellung und die Anwendung als Verpackungspapier von Bedeutung. Die Zugfestigkeit ist in Maschinenrichtung und Querrichtung des Papiers üblicherweise verschieden. In Maschinenrichtung soll die Zugfestigkeit zwischen 1 kN/m und 5 kN/m liegen, bevorzugt zwischen 2 kN/m und 4 kN/m. In Querrichtung ist die Zugfestigkeit im Allgemeinen geringer, was kein Problem darstellt, weil die Belastung bei vielen Verarbeitungsprozessen vor allem in Maschinenrichtung erfolgt. Die Zugfestigkeit in Querrichtung soll zwischen 0,5 kN/m und 4 kN/m, bevorzugt zwischen 1 kN/m und 3 kN/m liegen.
Auch die Bruchdehnung des Verpackungspapiers ist von Bedeutung. Eine ausreichende Bruchdehnung ist erforderlich, um Geschwindigkeitsunterschiede im Lauf des Verpackungspapiers in Verarbeitungsmaschinen teilweise ausgleichen zu können. Auch die Bruchdehnung ist in Maschinenrichtung und Querrichtung des Verpackungspapiers unterschiedlich und soll in Maschinenrichtung zwischen 1% und 3% und in Querrichtung zwischen 2% und 6% liegen.
Die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung können nach ISO 1924-2:2008 bestimmt werden.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Verpackungspapiers kann ganz mit Hilfe der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erfolgen, beispielsweise unter Verwendung einer Fourdrinier Papiermaschine.
Der Auftrag der Beschichtungszusammensetzung kann dann mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Auftragsvorrichtung erfolgen. Das kann beispielsweise die Film- oder Leimpresse in einer Papiermaschine sein, oder auch eine separate Auftragsvorrichtung zum Beschichten, wie ein Blade Coater oder Rod Coater. Der Auftrag der Beschichtungszusammensetzung kann auch durch Bedrucken des Verpackungspapiers erfolgen.
Der Auftrag der Beschichtungszusammensetzung auf das Verpackungspaper erfolgt zumindest auf eine Seite, bevorzugt auf die Oberseite des Verpackungspapiers. Es ist aber für einen besonders hohen Widerstand gegen Fette und Öle möglich, beide Seiten des Verpackungspapiers zu beschichten. Sind beide Seiten des Verpackungspapiers beschichtet kann sich die aufgetragene Art und Menge der Nanopartikel einer Stärke zwischen den beiden Seiten unterscheiden, in Summe muss aber die aufgetragene Menge an Nanopartikeln einer Stärke für das erfindungsgemäße Verpackungspapier wie oben erwähnt zwischen 1 g/m² und 6 g/m² betragen.
Der Auftrag der Beschichtungszusammensetzung auf das Verpackungspapier soll dabei vorzugsweise auf die gesamte Fläche einer Seite des Verpackungspapiers erfolgen, weil vom Auftrag ausgenommene Flächen keinen ausreichenden Widerstand gegen Fette und Öle aufweisen werden. Es können aber Flächen vom Auftrag ausgenommen werden, von denen sichergestellt ist, dass sie nicht mit dem verpackten Lebensmittel in Kontakt kommen, weil sie beispielsweise mit anderen Komponenten der Verpackung verklebt werden. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann die Beschichtungszusammensetzung auf das Verpackungspapier auf einer Seite in einem Muster aufgetragen werden und auf die andere Seite in einem näherungsweise komplementären Muster, sodass jeder Punkt des Verpackungspapiers zumindest auf einer Seite des Verpackungspapiers mit den Nanopartikeln einer Stärke beschichtet ist. Der Begriff „näherungsweise“ kann dabei bedeuten, dass sich die beiden Muster geringfügig überlappen, sodass auf keinen Fall durch die Produktionstoleranzen ein Teilbereich des Verpackungspapiers beidseitig ohne Beschichtung verbleibt.
Der Auftrag der Beschichtungszusammensetzung kann dabei auch so erfolgen, dass die Menge an Nanopartikeln einer Stärke sich über die Fläche des Verpackungspapiers verändert. Beispielsweise könnte in Bereichen des Verpackungspapiers, von denen bekannt ist, dass sie nur wenig mit dem Lebensmittel in Kontakt kommen, weniger oder keine Beschichtungszusammensetzung aufgetragen sein. Diese Bereiche können jede beliebige Gestalt haben, die mit dem Auftragsverfahren vereinbar ist. Dadurch kann beispielsweise der Bedarf an Nanopartikeln einer Stärke reduziert werden.
Die Beschichtungszusammensetzung umfasst vorzugsweise mindestens Wasser und Nanopartikel einer Stärke. Der Anteil an Nanopartikeln einer Stärke in der Beschichtungszusammensetzung kann variieren und wird sich nach der Menge an Nanopartikeln richten, die auf das Papier aufgetragen werden soll sowie nach den rheologischen Anforderungen des Auftragsverfahrens. Auch die verfügbare Kapazität bei der nachfolgenden Trocknung des Verpackungspapiers kann bei der Wahl der Beschichtungszusammensetzung eine Rolle spielen. Die Beschichtungszusammensetzung enthält zwischen 10 Gew.-% und 40 Gew.-% Nanopartikel einer Stärke, bevorzugt zwischen 20 Gew.-% und 35 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gewicht der Beschichtungszusammensetzung.
Für die Anforderungen an die Nanopartikel einer Stärke, deren Größe und deren Herstellungsverfahren gelten die zuvor gemachten Angaben.
Die Beschichtungszusammensetzung kann weitere Komponenten enthalten. Dazu gehören beispielsweise die zuvor erwähnten Komponenten des Verpackungspapiers, wie Füllstoffe, Pigmente, Farbstoffe und Leimungsmittel aber auch Vernetzungsmittel.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Beschichtungszusammensetzung Talkum oder Kaolin oder eine Mischung daraus enthalten, wobei die Menge an Talkum und Kaolin in Summe zwischen 30 Gew.-% und 65 Gew.-% bezogen auf das Gewicht der Nanopartikel betragen kann. Diese Füllstoffe können wegen der Form ihrer Partikel den Widerstand gegen Fette und Öle erhöhen.
Die Herstellung der Beschichtungszusammensetzung erfolgt vorzugsweise nach den Vorgaben des Herstellers der Nanopartikel einer Stärke.
Nach dem Auftrag der Beschichtungszusammensetzung wird das Verpackungspapier vorzugsweise getrocknet. Auch für das Trocknen können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise durch Infrarotstrahlung, Heißluft oder Kontakt mit einem beheizten Trockenzylinder, Mikrowellen oder Kombinationen daraus.
Weitere Verarbeitungsschritte, wie Bedrucken, Schneiden, Prägen oder Falten können je nach den Erfordernissen der Endanwendung des Verpackungspapiers durchgeführt werden.
Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verpackungspapiers demonstrieren.
Figurenliste

1 zeigt eine Tabelle 1, in der Eigenschaften von erfindungsgemäßen Verpackungspapieren und nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen zusammengefasst sind.
2 zeigt eine Tabelle 2, in der weitere Eigenschaften der Verpackungspapiere von 1 zusammengefasst sind.

BESCHREIBUNG VON EINIGEN ERFINDUNGSGEMÄSSEN UND NICHT ERFINDUNGSGEMÄSSEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Aus Mischungen von Langfaser- und Kurzfaserzellstoff (Tabelle 1, Spalten „Langfaser“ und „Kurzfaser“) und verschiedenen Füllstoffen (Tabelle 1, Spalte „Füllstoffe“) wurden mehrere Papiere, in Tabellen 1 und 2 von 1 bzw. 2 mit A-L bezeichnet, hergestellt, wobei in Tabellen 1 und 2 gleiche Buchstaben in der Spalte „Papier“ dasselbe Papier bezeichnen. Bei den Papieren A, K und L handelt es sich um nicht erfindungsgemäße Papiere, die als Vergleichsbeispiele dienen, während die Papiere B-J erfindungsgemäße Verpackungspapiere sind.
Die Prozentangaben zu Langfaserzellstoff und Kurzfaserzellstoff beziehen sich auf das Gewicht der Faserzusammensetzung, die Prozentangaben zu den Füllstoffen beziehen sich auf das Flächengewicht des Verpackungspapiers.
Die Papiere wurden je nach Anforderungen an den Cobb₆₀ Wert mit Alkyl Keten Dimer (AKD) in der Masse geleimt. Auf die Papiere B-E, G, H, K und L wurde eine wässrige Zusammensetzung mit 33 Gew.-% Nanopartikel einer Maisstärke auf die Oberseite in der Filmpresse der Papiermaschine aufgetragen. Bei Papier A wurde keine Beschichtung aufgetragen, bei Papier F wurde sie auf beide Seiten aufgetragen und bei Papier J auf die Siebseite. Die Menge an Nanopartikeln der Stärke ist in Tabelle 1 Spalte „Nanopartikel“ angegeben. In Tabelle 1, Spalte „Beschichtung“, ist angegeben, welche Seite oder welche Seiten des Papiers beschichtet sind, dabei bezeichnet „OS“ die Oberseite und „SS“ die Siebseite des Papiers.
Bei allen einseitig beschichteten Papieren, also B-E und G-L, wurde zusätzlich normale Stärke in geringer Menge von 0,1 g/m² bis 0,5 g/m² auf die unbeschichtete Seite aufgetragen, um einer Wölbung des Verpackungspapiers vorzubeugen. Nach dem Auftrag der Beschichtungszusammensetzung wurden die Papiere getrocknet, gemäß ISO 187 bei 23 °C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit konditioniert und danach Messungen durchgeführt.
Das Flächengewicht jedes Verpackungspapiers wurde gemäß ISO 536:2012 bestimmt und ist in Tabelle 1 in der Spalte „Flächengewicht“ angegeben. Die Flächengewicht liegen zwischen 25,4 g/m² und 46,3 g/m².
Der Cobb₆₀ Wert, Tabelle 2, Spalte „Cobb₆₀“, der Siebseite („SS“) und der Oberseite („OS“) wurde gemäß ISO 535:2014 für die Papiere B-L gemessen und mit dem Flächengewicht von Tabelle 1 der Quotient aus Cobb₆₀ Wert und Flächengewicht für jede Seite des Papiers berechnet. Er ist in Tabelle 2, Spalte „Relatives Wasseraufnahmevermögen“, angegeben.
Die Luftdurchlässigkeit nach Gurley wurde gemäß ISO 5636-5:2013 bestimmt, wobei die Luft immer von der Oberseite zur Siebseite strömte. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2, Spalte „Lufldurchlässigkeit (Gurley)“ angegeben.
Der Widerstand gegen Fette und Öle wurde gemäß TAPPI T559 cm-12 jeweils für die beschichtete Seite oder die beschichteten Seiten für die Papiere B-L mehrfach bestimmt. Das Ergebnis ist in Tabelle 2, Spalte „Kit Level“ angegeben. Als Vergleich wurde auch eine Messung auf den beiden Seiten des unbeschichteten Papiers A durchgeführt.
Des Weiteren wurden die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung nach ISO 1924-2:2008 jeweils in Maschinenrichtung und Querrichtung bestimmt. Die Ergebnisse sind nicht im Einzelnen angegeben, lagen für die Zugfestigkeit in Maschinenrichtung aber immer zwischen 1,3 kN/m und 4,6 kN/m, während sie in Querrichtung zwischen 0,9 kN/m und 2,4 kN/m lagen. Diese Zugfestigkeit ist für eine problemlose Weiterverarbeitung in jedem Fall ausreichend.
Die Bruchdehnung in Maschinenrichtung lag zwischen 1,3% und 2,6% und in Querrichtung zwischen 2,9% und 5,8%. Auch diese Werte sind für eine problemlose Weiterverarbeitung ausreichend.
Anhand des nicht erfindungsgemäßen, unbeschichteten Papiers A mit einem Kit Level auf jeder Seite zwischen 0 und 2 erkennt man, dass eine Beschichtung des Papiers mit den Nanopartikeln einer Stärke jedenfalls erforderlich ist, um einen nennenswerten Widerstand gegen Fette und Öle zu erhalten.
Die erfindungsgemäßen Papiere der Ausführungsbeispiele B bis E zeigen für unterschiedliche Flächengewichte von 25,4 g/m² bis 45,9 g/m², dass mit einem relativen Wasseraufnahmevermögen von 0,44 bis 0,63 und einer Menge an Nanopartikeln der Stärke von 1,7 g/m² bis 5,1 g/m² eine ausreichender Widerstand gegen Öle und Fette, ausgedrückt durch den Kit Level, von 6-8 erreicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Papier aus Ausführungsbeispiel F zeigt ein sehr hochwertiges Verpackungspapier mit einem Flächengewicht von 46,3 g/m² und Titandioxid in der Füllstoffmischung. Dadurch erhält das Papier eine hohe Opazität und Weiße. Das Papier F ist auf beiden Seiten mit Nanopartikeln der Stärke beschichtet und besitzt daher einen sehr hohen Widerstand gegen Öle und Fette, ausgedrückt durch den Kit Level, von 9 bis 11.
Ein Vergleich der erfindungsgemäßen Papiere D und G zeigt, dass sich die beiden Papiere bezüglich Ihres Flächengewichts mit 38,8 g/m² und 38,5 g/m² sehr ähnlich sind. Sie unterscheiden sich auch sonst in keinen wesentlichen Parametern abgesehen von der Luftdurchlässigkeit, die für Papier D 6685 s nach Gurley beträgt und für Papier G 8320 s nach Gurley. Papier D besitzt also die höhere Luftdurchlässigkeit und einen Widerstand gegen Öle und Fette, ausgedrückt durch den Kit Level, von 6-7, während das Papier G einen Kit Level von 7-8 erreicht. Damit zeigt sich, dass eine niedrige Luftdurchlässigkeit und damit ein hoher Wert in Sekunden nach Gurley für den Widerstand gegen Öle und Fette unabhängig von anderen Eigenschaften von Vorteil sein kann.
Das erfindungsgemäße Papier aus Ausführungsbeispiel H lotet die Grenzen der Erfindung aus und zeigt bei einem hohen relativen Wasseraufnahmevermögen von 0,62 (OS) und 0,67 (SS) sowie einer hohen Luftdurchlässigkeit von 1224 s nach Gurley nur einen Widerstand gegen Fette und Öle, ausgedrückt durch den Kit Level, von 5-6. Damit ist dieses Verpackungspapier für die Anwendung als Verpackungspapier für Lebensmittel gerade noch gut brauchbar.
Das erfindungsgemäße Papier aus Ausführungsbeispiel J demonstriert die Erfindung für eine alternative Fasermischung, bestehend aus 70 Gew.-% Langfaserzellstoff und 30 Gew.-% Kurzfaserzellstoff, jeweils bezogen auf die Masse der Fasermischung, sowie einem geringen Füllstoffgehalt von 5 Gew.-% bezogen auf die Masse des Verpackungspapiers. Zudem ist die Beschichtung im Unterschied zu allen anderen Ausführungsbeispielen auf der Siebseite aufgebracht. Trotz aller dieser Modifikationen erreicht das Verpackungspapier einen Widerstand gegen Fette und Öle, ausgedrückt durch den Kit Level, von 6-7. Dies zeigt im Verbund mit den anderen Ausführungsbeispielen, dass dem relativen Wasseraufnahmevermögen und der Luftdurchlässigkeit separat aber auch in Kombination besondere Bedeutung zukommt, um einen hohen Widerstand gegen Öle und Fette zu erreichen.
Bei den nicht erfindungsgemäßen Papieren K und L handelt es sich um ein sehr wenig geleimtes Papier (K), dessen relatives Wasseraufnahmevermögen mit 0,82 bis 0,90 zu hoch ist, um die Erfindung zu verwirklichen und um ein sehr stark geleimtes Papier (L), dessen relatives Wasseraufnahmevermögen mit 0,20 bis 0,25 zu niedrig ist, um die Erfindung zu verwirklichen. Beide Papiere erreichen einen Kit Level von höchstens 5, und dies trotz eines Auftrags von immerhin über 4 g/m² der Nanopartikel. Auch diese beiden nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele zeigen die besondere Bedeutung des relativen Wasseraufnahmevermögens für den Widerstand gegen Fette und Öle.

Claims

Verpackungspapier für Lebensmittel, mit einem Flächengewicht von 20 g/m² bis 50 g/m², umfassend Zellstofffasern und einen oder mehrere Füllstoffe, wobei die Menge an Füllstoffen insgesamt zwischen 5 Gew.-% und 20 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Verpackungspapiers beträgt, wobei das Verpackungspapier • ein Leimungsmittel umfasst, das in einer solchen Menge enthalten ist, dass sich auf beiden Seiten ein relatives Wasseraufnahmevermögen von 0,4 bis 0,7 ergibt, wobei das relative Wasseraufnahmevermögen definiert ist als der Quotient aus dem nach ISO 535:2014 bestimmten C0bb₆₀ Wert und dem Flächengewicht, • auf zumindest einer Seite eine Beschichtung aufweist, die Nanopartikel einer Stärke umfasst, wobei die aufgetragene Menge der Nanopartikel der Stärke zwischen 1 g/m2 und 6 g/m2 beträgt, • keine Verbindungen der Struktur CF₃(CF₂)_n(CH₂)_mX enthält, wobei n=5 oder n=7 beträgt und m=0, 1 oder 2 ist und X eine Hydroxygruppe (X=OH) oder eine Carboxygruppe (X=COOH) ist, oder der Anteil derartiger Verbindungen an der Gesamtmasse des Verpackungspapiers 0,1 ‰ nicht übersteigt, und • einen Widerstand gegen Fette und Öle von 6 bis 12, beschrieben durch den Kit Level gemäß TAPPI T559 cm-12, aufweist, wobei in dem Test nach TAPPI T559 cm-12 die zumindest eine mit den genannten Nanopartikeln beschichtete Seite Testflüssigkeiten ausgesetzt wird.
Verpackungspapier nach Anspruch 1, dessen Flächengewicht zwischen 25 g/m² und 40 g/m² beträgt.
Verpackungspapier nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zellstofffasern Sulfatzellstofffasern sind und, bezogen auf die Masse der Zellstofffasern, 25 Gew.-% bis 75 Gew.-% Langfasern und 25 Gew.-% bis 75 Gew.-% Kurzfasern umfassen.
Verpackungspapier nach Anspruch 3, bei dem der Langfaserzellstoff aus einer oder mehreren der Pflanzen Fichte, Kiefer, Flachs, Hanf, Sisal, Abacá, Ramie, Jute und Kenaf gewonnen ist und der Kurzfaserzellstoff aus einer oder mehreren der Baumarten Birke, Buche und/oder Eukalyptus gewonnen ist.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Zellstoff gebleicht ist, oder bei dem der Zellstoff ungebleicht ist.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die genannten Zellstofffasern vollständig, zumindest aber zu 95 Gew.-% bezogen auf die Zellstoffmasse durch Frischfasern gebildet sind.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Menge an Füllstoffen insgesamt zwischen 5 Gew.-% und 15 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Verpackungspapiers beträgt.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der eine oder die mehreren Füllstoffe ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus Carbonaten, insbesondere gefälltem oder geologisch abgebautem Calciumcarbonat oder Magnesiumcarbonat; Metalloxiden, insbesondere Titandioxid oder Magnesiumoxid; Metallhydroxiden, insbesondere Magnesiumhydroxid oder Aluminiumhydroxid; und Silikaten, insbesondere Kaolin und Talkum.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Füllstoffe eine Kombination aus Titandioxid und einem Extender umfassen, welcher in Kombination mit Titandioxid dessen Wirkung verstärkt, wobei der Extender vorzugsweise durch calciniertes Kaolin, Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃), ein gefälltes amorphes Silikat oder einer Kombination derselben gebildet wird.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aufgetragende Menge an Nanopartikeln einer Stärke zwischen 1,5 g/m2 und 5,5 g/m2, vorzugsweise zwischen 1,5 g/m² und 5 g/m² beträgt.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Nanopartikel aus einer oder mehreren der folgenden Stärken gewonnen sind: Kartoffelstärke, Maisstärke, Weizenstärke, Reisstärke oder Tapiokastärke.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mittlere Größe der Nanopartikel zwischen 1 nm und 500 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 400 nm und besonders vorzugsweise 40 nm und 200 nm beträgt .
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leimungsmittel vorzugweise durch ein Alkylketendimer (AKD), ein Alkenylbernsteinanhydrid (ASA) oder einen Harzleim gebildet ist.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthält: • ein Nassfestmittel, welches geeignet ist, die Festigkeit des Verpackungspapiers im nassen Zustand zu erhöhen, insbesondere Polyaminopolyamid-Epichlorhydrin, • Stärke, welche nicht in Form von Nanopartikeln vorliegt, wobei die Stärke für den Fall, dass nur eine Seite des Verpackungspapiers mit den Nanopartikeln einer Stärke beschichtet ist, auf der anderen Seite des Verpackungspapiers aufgetragen ist, • Pigmente oder Farbstoffe, insbesondere gelbe, rote, braune oder schwarze Eisenoxide oder Kohlepartikel, oder • Blattgold.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches nur auf einer, der im Gebrauch einem Lebensmittel zugewandten Seite mit den Nanopartikeln einer Stärke beschichtet ist, und welches auf der anderen Seite bedruckt ist.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das relative Wasseraufnahmevermögen beider Seiten zwischen 0,4 und 0,6 liegt.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen Widerstand gegen Fette und Öle von 6 bis 10, vorzugweise von 6 bis 8, beschrieben durch den Kit Level gemäß TAPPI T559 cm-12 aufweist, wobei in dem Test nach TAPPI T559 cm-12 die zumindest eine mit den genannten Nanopartikeln beschichtete Seite Testflüssigkeiten ausgesetzt wird.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Luftdurchlässigkeit nach Gurley zwischen 1000 s und 10000 s, vorzugsweise zwischen 2000 s und 8000 s beträgt.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Dicke zwischen 20 µm und 60 µm, vorzugsweise zwischen 25 µm und 50 µm beträgt.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Zugfestigkeit in Maschinenrichtung zwischen 1 kN/m und 5 kN/m, vorzugsweise zwischen 2 kN/m und 4 kN/m beträgt, und/oder dessen Zugfestigkeit in Querrichtung zwischen 0,5 kN/m und 4 kN/m, vorzugsweise zwischen 1 kN/m und 3 kN/m beträgt.
Verpackungspapier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Bruchdehnung in Maschinenrichtung zwischen 1% und 3% und in Querrichtung zwischen 2% und 6% beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Verpackungspapiers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Nanopartikel einer Stärke als Bestandteil einer Beschichtungszusammensetzung • während der Herstellung des Verpackungspapiers in einer Papiermaschine aufgetragen werden oder • in einer von der Papiermaschine getrennten Auftragsvorrichtung auf ein Vorläuferpapier aufgetragen werden, wobei die Beschichtungszusammensetzung zumindest Wasser und die genannten Nanopartikel enthält, und wobei die Beschichtungszusammensetzung zwischen 10 Gew.-% und 40 Gew.-% an den genannten Nanopartikeln enthält, jeweils bezogen auf das Gewicht der Beschichtungszusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Beschichtungszusammensetzung ferner Talkum und/oder Kaolin enthält, deren Gesamtmasse 30-65 Gew.-% der Masse der genannten Nanopartikel entspricht.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die Beschichtungszusammensetzung auf das Verpackungspapier auf einer Seite in einem Muster aufgetragen wird, und bei dem vorzugsweise auf der anderen Seite die Beschichtungszusammensetzung in einem zumindest näherungsweise komplementären Muster aufgetragen wird, sodass jeder Abschnitt des Verpackungspapiers zumindest auf einer Seite des Verpackungspapiers mit den Nanopartikeln einer Stärke beschichtet ist.