用于通过热封形成软质容器的设备和方法与流程

来源:首页安博体育入口    发布时间:2023-09-26 12:06:16      阅读:1

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  1.本发明涉及包装技术领域。本发明更具体地涉及将产品包装在柔性包装中的技术领域,该柔性包装由材料片材通过热封形成。

  2.此类包装通常用于食物产品,诸如薯片、谷物、种子和许多其他粉末、颗粒或小物品形式的散装食物产品。此类包装还可用于食品制造业中的许多别的产品(蜜饯、其他液体或糊状产品)或用于其他工业领域中的许多别的产品(例如用于制药或医药技术应用)。

  3.此类包装还用于例如包装少量产品,诸如单独剂量的糖、冷冻干燥咖啡、浓缩奶。它们还用于打包少量糖果,或用于单独包装小蛋糕和饼干。当此类小包装具备细长形状时,它们通常被称为“棒状包装”。较大包装(例如用于薯片或谷物)通常被称为“枕形袋”。

  4.因此,本发明涉及下文用表述“软质容器”表示的包装。在本文件中,该表述涉及通过热封至少一种层压材料片材而获得的许多类型的包装,诸如棒状包装,并且更一般地涉及柔性容器或包裹物,有时也称为袋。

  5.为了形成此类包装,将一种(或几种)材料片材折叠或组装以形成适于容纳待包装的产品的容积(例如,袋)。包装的组装(若需要的话)和封闭是通过热密封(也称为热封)进行。

  6.通常,用于形成此类包装的材料片材是多层片材,也称为“层压件”或层压材料片材。举例来说,它们可包括:

  [0007]-外层,该外层将形成包装的外表面,由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)制成,

  在本文件中,层压材料还包括共挤出的多层材料或涂布纸,或适于通过热封形成软质容器的任何其他多层材料。

  更具体地,可如下形成包装。层压件经过所谓的成形机。在成形机中,将层压件折叠成管形状。形成管的片材的相邻边缘被热封以封闭管的壁。这是通过所谓的侧密封棒来进行,该侧密封棒将层压件的相邻边缘彼此挤压并对其加热,使得它们通过它们各自的内层的焊接而结合。

  然后管在密封钳口(也称为密封棒)之间通过。将密封钳口合在一起。这些密封钳口使层压材料管变形,以挤压所述管的两个相对壁,从而通过热封形成横向密封条。钳口向密封条施加大量热量,这具有在该位置焊接内层的效果。

  任选地,密封钳口还可切割如此形成的密封条,以分离各个容器。更具体地,密封钳口可被构造成形成两个平行的密封条。容器的分离可通过在如此形成的两个平行密封条之间进行切割来进行。

  任选地,可使用不相同于密封钳口的设备来进行切割。已知的实施方案提供了仅切

  割其中一些密封条以提供在未切割的密封条的位置处彼此连接的软质容器组的可能性。

  密封钳口从层压件的外侧(即在层压件的外层上)对其施加热量,以最终加热并因此密封层压件的内层。因此,材料必须允许热量穿过其厚度。

  获得良好密封所需要的热传递是很难获得的。实际上,在被焊接以形成管的层压材料片材的相邻边缘的区域中,热量必须穿过四层层压材料。另外,四层层压材料的叠加在该区域中产生的过量厚度会在密封钳口之间产生厚度变化。这些厚度变化(也称为“厚度跃变”)削弱了从密封钳口传导到内层的热传递。

  由于材料不能被加热超过某一温度,因为这样会损坏它,因此包装线的速度通常受到密封钳口的该密封步骤的限制。生产线超过一定速度,包装就也许会出现质量上的问题,特别是因为它们通过焊接的封闭可能存在缺陷。

  标准多材料层压件的替代物是聚烯烃层压件。聚烯烃层压件可通过机械方式回收利用。然而,它们也具有缺点,特别是在大规模、高速生产线]

  由于材料本身的性质并且由于聚烯烃层压件的所需厚度,因此聚烯烃层压件内的传热比多材料层压件内的传热慢(即从施加热量的包装外侧到必须施加足够热量以确保密封的包装内侧)。在密封钳口中要比较长的停留时间,即密封时间。

  由于它们的一些层(例如pet和/或铝层)的性质,因此多材料层压件在比聚烯烃层压件更高的密封温度下是稳定的。因此,聚烯烃层压件不能被加热到与多材料层压件一样高的温度。

  当使用聚烯烃层压件时,所有这一些状况会导致较慢的生产速度,特别是因为通过密封钳口进行的密封步骤通常是限制包装线的速度的步骤,如上所述。

  除了材料组成之外,所形成的袋的形式和形状可进一步影响上述热传递问题。例如所谓的“带角撑板的袋”就是这样的一种情况。带角撑板的袋包括角撑板,即添加到柔性袋以产生更多空间并加强其结构的材料。然而,这增加了沿着密封件的“厚度跃变”的数量,这削弱了热传递。

  本发明的目的是提供一种用于由层压材料片材生产软包装的设备和方法,该设备和方法允许包装线的速度不受通过密封钳口进行密封的步骤的限制(并且最终使包装线加速),和/或允许使用具有比通常使用的多材料层压件(诸如聚烯烃层压件)更差的传热特性或耐热性特性的材料片材,而不限制包装速度。

  因此,本发明涉及一种设备,该设备用于在层压材料片材穿过所述设备时由该层压材料片材形成软质容器。该设备包括:分配系统,该分配系统被构造成将层压材料片材供应到成形器;成形器,该成形器被构造成通过将层压材料片材的相对边缘放置在相邻位置来将层压材料片材折叠成纵向管状;侧密封棒,该侧密封棒被构造成焊接被折叠成管状的层压材料片材的相邻边缘;和密封装置,该密封装置被构造成挤压由层压材料片材形成的管并且形成横向密封条,从而在两个相继密封条之间形成软质容器的封闭容积。根据本发明的设备包括加热设备,该加热设备被构造成在不与产品接触的情况下在密封装置的上游

  加热设备使得能够在层压材料到达密封装置之前对层压材料来加热。因此,需要由密封装置带到层压材料片材以引起密封和流体密封性(通过焊接,即通过部分地熔化并且然后固化层压材料片材的内层)的能量的量低于当层压材料片材在到达该装置时是冷的(即处于环境温度左右)时的能量的量。

  与现有技术相比,这使得能够减少密封装置中的密封时间或停留时间,或者对于相同的密封时间:

  [0031]-要使用从其外层到其内层的热导率更低的层压材料片材,和/或

  最后,这使得能够使用可通过机械方式回收利用的层压材料片材,诸如聚烯烃层压件,同时保持同样高的生产(即包装)速度。

  1.加热设备优选地被构造成通过对流或辐射来加热层压材料片材。加热设备可包括加热室,被折叠成管状的层压材料片材穿过或靠近该加热室。优选地,这是在不与填充产品接触的情况下进行。加热设备可包括热空气鼓风机和处于热空气鼓风机与加热室之间的管道,使得加热室可由热空气鼓风机供给热空气。加热室可包括至少一个加热电阻器。加热设备可被构造成在被折叠成纵向管状的层压材料片材周围或附近生成被加热到例如介于在70℃和100℃之间的温度的空气。

  在本发明中可使用许多类型的加热设备。在管状折叠层压材料片材的部分或周围创建至少一个加热室是对其加热的有效方式,几乎没有能量损失。由于在层压材料周围吹热空气,因此实现了方便和有效的加热。加热温度优选地被选择为接近但低于层压材料的内层的熔化温度。另外,熔化温度必须不会显著影响材料的阻隔性质和光学性质。

  刚好在密封装置之前加热层压件提供了最佳热能供应。最重要的是,这使得不会过早增加层压材料的摩擦系数(摩擦系数随着其温度而增加),摩擦系数的过早增加将在包装机中产生摩擦,该摩擦将削弱层压材料的通过并且可能损坏层压材料。

  通常,在立式封合包装机中,在摩擦系数对机械加工性不重要的区域中加热。

  根据本发明的优选实施方案,密封装置是密封钳口。密封钳口被构造成通过热封形成密封条。根据另选实施方案,可使用超声波焊接装置、振动焊接装置或激光焊接装置。

  本发明还涉及一种包括如上所述的设备和层压材料片材的系统,其中层压材料是基于聚烯烃的层压件。

  聚烯烃层压件能回收利用,而目前用于形成软质容器(诸如棒状包装和袋)的层压材料不能回收利用或难以回收利用。聚烯烃提供更好的工作窗口(耐热性曲线和密封温度)。该设备允许使用均聚物(有时也称为单聚物)层压件。这些层压件为回收利用提供更好的材料纯度。聚烯烃层压件可具有例如介于50微米和1500微米之间、优选地介于70微米和100微米之间的厚度。

  此类厚度为聚烯烃层压件提供了足够的阻隔性质。就阻隔性质而言,具有此类厚

  度的聚烯烃层压件是目前用于形成软质容器的标准层压材料的最佳替代物之一。

  另选地,聚烯烃层压件可以是单一材料pe层压件或单一材料pp(聚丙烯)层压件。

  另选地,层压材料可以是涂布纸。此类涂布纸可包括约80微米厚的纸层,该纸层具有hdpe(高密度聚乙烯)涂料或丙烯酸涂料以改善密封性和密封件。优选丙烯酸涂料。

  可使用液体涂料。液体涂料包含任何种类的聚合物的水分散体。此类涂料以液体形式被涂布在纸基材上,并且然后燥以形成密封剂层。

  例如,可使用以下聚合物:聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、乙烯乙烯醇(evoh)、p-羟基苯乙烯(phs或4-乙烯基苯酚)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、pet-g(葡萄糖改性的pet)。

  申请人已经成功地测试了这些示例性材料。可使用许多其他层压材料。然而,在本发明中使用的层压材料优选地是容易回收利用的。本发明中提供的设备还有利地增加了当前层压件(迄今为止通常用于形成包装的层压件)上的紧密性。

  通常,层压材料具备外层和任选的中间层,该外层和任选的中间层保护所容纳的产品避免遭受空气和任选的光的影响,并且具有内层,该内层可容易地熔化以焊接在其自身上。该层压材料通常必须适合于食品接触。

  本发明还涉及一种用于将产品包装在软质容器中的方法,该方法有以下步骤:

  通过将层压材料片材的相对边缘放置在相邻位置来将层压材料片材折叠成纵向管状;

  将产品引入到如此形成的管中,产品落到先前形成的横向密封条上,该横向密封条形成所形成的软质容器的底部;

  使被折叠成管状的层压材料片材(1)行进通过用于形成给定长度的软质容器的设备;以及

  该方法使得能够以高速和/或以容易回收材料的方式来包装产品,优选地为食物产品,诸如,例如薯片、谷物、种子、糖、糖果、冷冻干燥咖啡,任何粉末、粒状或颗粒形式的食物产品、蛋糕、饼干、蜜饯、液体或糊状食物产品。该方法还可用于包装任何别的产品,诸如医疗产品或技术产品。

  [0066]-图1是根据现存技术的用于由层压材料片材形成软质容器的设备的示意性三维视图;

  [0067]-图2是根据本发明的实施方案的用于由层压材料片材形成软质容器的设备的示意性三维视图;

  应理解,本发明的各实施方案可以与本发明的其他实施方案组合,并且仅是制备和使用本发明的具体方式的示例,当以权利要求书和以下详细说明进行考虑时并不限制本发明的范围。

  如本说明书里面所用,词语“包括”、“包含”和类似词语不应理解为具有排他性或穷举性的含义。换句话讲,这些词语旨在表示“包括但不限于”的意思。

  参考所示的示例性实施方案进一步描述本发明。应当理解,受权利要求书保护的本发明并非旨在以任何方式由这些实施例限制。

  该设备包括用于分配层压材料片材1的分配系统。层压材料片材1可具有卷2的形式。该设备包括卷轴3和引导件4,使得能够以期望的定向和机械张力将层压材料片材供应到机器。在例如用于形成棒状包装的已知设备中,由分配系统分配的层压材料片材被纵向地切割成宽度更小的几个片材,这些宽度更小的几个片材可各自被单独地视为层压材料片材1。

  该设备包括成形器5,也称为“翻领成形器”。成形器5将层压材料片材1折叠成管状。为实现这一点,片材沿着围绕填充管7形成的圆顶构件6滑动。

  圆顶构件6还包括会聚引导表面8,该会聚引导表面将层压材料片材的两个侧边缘9放置成相邻地彼此接触。这样,在填充管7的周围由层压材料片材1形成管。

  填充管7在圆顶构件6下方延伸(如图2所示)。层压材料管沿着填充管7滑动。

  片材的形成管的相邻边缘被热封在一起以封闭层压材料管的壁。这是在侧密封棒9中进行,该侧密封棒将层压材料片材1的相邻侧边缘9彼此挤压并对其加热,使得它们通过它们各自的内层的焊接而结合。另选地,相邻边缘可重叠放置,并且上方层的内层被密封到另一边缘的外表面以形成所谓的“搭接密封”。

  填充管7允许待被包装的产品被引入到由构成待填充的包装的层压材料片材形成的管中。在所示示例中,该填充是通过位于填充管7的上部中的漏斗11来执行。

  为了形成容器,由层压材料片材形成的管必须在其底部和其顶部沿横向于填充管的方向、由片材形成的管的方向和片材的边缘9的方向的方向进行封闭。如下所述,在封闭先前形成的软质容器的顶部期间,通过热封形成软质容器的底部处的封闭。

  为了实现这种封闭,由层压材料片材形成的管在密封装置之间穿过。在所示的优选实施方案中,密封装置是密封钳口12(也称为密封棒)。达到高温的密封钳口12压缩由层压材料片材1形成的管。因此,密封钳口12使层压材料管1变形,以便将其放平。层压材料管的两个相对的壁因此彼此挤压。被挤压在密封钳口之间的层压材料片材1的内层至少部分

  在此示出的示例中,密封钳口12各自具有彼此上下叠置的两个平行密封部分。

  密封钳口12的上密封部分13封闭当前正形成的容器的底部(在通过经由填充管7引入产品来填充容器之前),而密封钳口的下密封部分14封闭先前形成的容器15的顶部。因此,密封钳口被构造成形成两个平行的密封条17。前一个包装的顶部和下一个包装的底部因此同时被封闭。

  狭槽16形成在密封钳口12的上密封部分13和下密封部分14之间。该狭槽16被构造成使切割设备穿过以分离各容器。软质容器的分离可通过在如此形成的两个平行密封条之间进行切割来进行。根据其他实施方案,切割设备能是单独的设备。

  如上所述,该系统的困难在于正确地封闭软质容器,特别是在容器的厚区域18中,在该厚区域中层压材料片材1的相邻边缘9被向下折叠。这在密封钳口12之间局部地形成四层层压材料。

  此外,厚区域18在待被焊接以封闭容器的区域中产生厚度变化(其可被称为“厚度跃变”)。这种厚度变化削弱了密封钳口12之间的良好热传递。

  所示的示例性袋是枕形袋。在此类示例中,沿着每个密封条存在双层区、四层区(厚区18)和双层区。在带角撑板的袋中,情况甚至更复杂并且不利于热传递,因为沿着每个密封条存在四层区(由于第一侧角撑板)、双层区、四层区(厚区18)、双层区和四层区(由于第二侧角撑板)。由于热传递在四层区、厚度跃变区和位于四层区之间的双层区(在这样的一种情况下,由密封钳口施加的压力在双层区中降低)中很困难,并且由于密封钳口的温度受到用于形成容器的材料的耐热性的限制,所以包装设备和包括该设备的包装线的速度通常受到用于封闭容器的该密封步骤的限制。

  此外,使用较厚的材料(特别是易于回收利用的材料)将需要甚至更长的密封时间,这在工业过程中是不可接受的。此外,所设想的易于回收利用的材料不如通常使用的材料热稳定性好,使得不能将它们加热到通常使用的高温。

  图2描绘了根据本发明的实施方案的用于由层压材料片材形成软质容器的设备。在图2中示出的设备与在图1中示出的设备基本上相同,使得对图1的设备的以上描述适用于图2的设备。然而,图2的设备与图1的设备的不同之处在于,其包括加热设备19,该加热设备在下文详细描述。

  在图2中,示出了当层压材料片材1没有完全接合在填充管7上时的设备。因此,填充管7的下部是可见的。

  在所示的示例性实施方案中,加热设备19基本上包括两个部分。加热设备19因此包括加热室20。加热系统19还包括热发生器21。在所示的示例中,热发生器21产生热空气。热发生器21流体地连接到加热室20。

  加热室20具有入口22和出口23。加热室20被构造成在成形机5和填充管7的下游由层压材料片材1所形成的管横穿。这一情况在图3中示出。

  加热室20旨在向穿过它的层压材料管提供热能。该热能供应是在密封钳口的上游进行。因此,层压材料在到达密封钳口12之前被预热。因此,减少了为了获得容器的良好封

  加热室20可例如具有圆柱形形状或截头圆锥形形状。此类形状特别适合于获得良好的热量分布。然而,加热室可具有许多其他形状。

  因此,可使用至少以下加热技术:热空气加热、辐射加热、激光加热和任何其他非接触式加热技术。例如,可在加热室中提供加热电阻器,以替代或补充将热空气引入到该室中。

  如果材料是通过传导(即,通过与加热元件接触)来加热,则其将在加热元件上强烈摩擦并且可能变形或损坏。另外,在大多数情况下要强大的力来推动材料通过加热元件。

  为此,在本发明中,用于形成软质容器的设备中的进行预热的位置也是重要的。

  预热必须在层压材料管到达密封钳口12之前进行。然而,预热必须优选地在层压材料管离开填充管7之后进行。否则,材料将沿着填充管7强烈摩擦。其还可能在为了沿着填充管7推进材料而提供的轮子上摩擦。

  由于在本发明中使用的加热装置,所以当层压材料到达密封钳口时(如图3所示),其已经被加热。

  在图4中总结了在本发明中实现的原理。图4是示意图,其示意性地描绘了在制造软质容器期间获得良好密封所需的能量。图4是原理图,其并不完全对应于物理现实,而是以简单的方式示出了在密封容器时使用的参数。

  在图4中示出了两个三角形。这些三角形的每个角对应于密封柔性容器时的重要参数。

  三角形的面积对应于密封所需的总能量,该总能量必须被带到密封钳口的位置。为了获得良好的密封,最终重要的就是该能量总量。所需的能量总量取决于所使用的层压材料。其特别取决于层压材料的厚度和组成。

  等腰三角形对应于根据现存技术的情况,即由常规层压材料形成的柔性容器的密封。

  图4中所示的另一个三角形对应于当希望使用另一种层压材料(例如基于聚烯烃)时的情况。对于在图4中呈现的该图示,认为材料的热导率与参考情况相比没改变。该材料的耐热性低于通常使用的材料的耐热性,密封钳口的温度必须低于参考情况。取决于机器的机械构造,由钳口施加的压力不能改变。另外,过大的压力可能损坏软质容器的材料。由于必须维持由三角形的面积表示的总必要能量,所以能改变的唯一参数是密封的维持的时间,该密封维持的时间因此必须增加。

  为了将密封时间减少到参考情况(等腰三角形)中所需的标称时间,因此就需要通过除密封钳口之外的其他装置来供应由图4的阴影区域表示的能量。该能量供应是通过本发明中提供的加热装置来实现。

  因此,当使用热导性较差的材料时,本发明中提供的预热可使得能够减少密封时间,和/或降低密封钳口的温度和/或维持这些参数。因此,本发明对于用目前使用的材料和用新材料(特别是易于回收利用的材料)制造柔性容器都是有意义的。

  例如,本发明人获得了以下实验结果,其中标准层压材料包括pet12外层、铝7中间层和pe70内层,总厚度为约89μm。

  在有和没有通过加热系统输入能量的情况下,在几个密封钳口温度下进行了测试。用于测试的加热系统是热空气设备。其将100度的空气带入加热室中,流速为500升/分钟。

  在密封钳口温度为100摄氏度的情况下,在没有由加热系统供应能量的情况下每分钟最多可获得五个单元,而在由加热系统供应能量时每分钟最多可获得八个单元。

  在密封钳口温度为110摄氏度的情况下,在没有由加热系统供应能量的情况下每分钟最多可获得十六个单元,而在由加热系统供应能量时每分钟最多可获得二十三个单元。

  在密封钳口温度为120摄氏度的情况下,在没有由加热系统供应能量的情况下每分钟最多可获得二十八个单元,而在由加热系统供应能量时每分钟最多可获得三十五个单元。

  在密封钳口温度为130摄氏度的情况下,在没有由加热系统供应能量的情况下每分钟最多可获得三十三个单元,而在由加热系统供应能量时每分钟最多可获得四十五个单元。

  因此,本发明允许例如使用诸如包括定向聚丙烯外层、单轴定向聚丙烯中间层和聚乙烯内层的层压件等材料来形成柔性容器,其生产速度等于或高于用没有加热系统的机器和如在上述测试中使用的标准层压材料所获得的生产速度。已经对层压材料来了成功的测试,该层压材料包括:

  可使用加热系统的各种构型。在本发明中使用的参数显然必须根据用于形成容器的层压材料以及在一些情况下根据待被包装的产品做调整。例如,巧克力不能在高温下进行包装。

  在其他实施方案中,本发明提供一种用于使用上述设备将产品包装在软质容器中的方法。

  因此,本发明提供了对用于通过热封获得软质容器的设备和方法的改进。这提高了包装线的生产率。这还使得能够在工业包装线中使用易于回收利用的材料。这特别允许使用基于聚烯烃的层压材料。

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