[发明专利]用于薄膜和结构的屏障涂层

说明书

相关申请

本申请要求2011年8月1日提交的美国专利申请号61/513,853的利益，所述专利申请的公开内容以其全文并入本文。

技术领域

本发明涉及含有蛭石的屏障涂层，含有这样的涂层的薄膜和造型制品，以及制造这样的涂层、薄膜和制品的方法。

背景技术

屏障涂层被广泛用于包装材料中，以防止渗透性分子或组合物通过，尤其是防止包装内含物与渗透物之间的接触。改善屏障性质对于出售用于容纳产品例如食品、化妆品、农用化学品和药物的薄膜制造商来说是重要的目标。所关注的有害渗透性化学物质包括氧、二氧化碳、水蒸气、芳香烃和脂族烃、制造残留物、臭味、异味、烟、杀虫剂、有毒材料以及环境污染物和污染性物质。使用典型的塑性材料是理想的，因为它们是廉价的。然而，塑料是可透氧气的，其透过程度使得透过的氧气量远高于在装罐或装瓶中使用的金属或玻璃材料，或与纸一起用于包装汤料和干点心的箔材，所有这些材料都具有基本上为零的氧渗透性。

屏障涂层也可用于（a）保持在包装物内的气体——例如用于气调包装的气体，或保持在气球内的氦气；（b）保持包装物内的湿气以使内含物不脱水；（c）在香料或调味剂是昂贵组分的情况下，保持包装物内的香料或调味剂；或（d）防止不想要的臭味和香味逸出包装物。在所有这些情况下，屏障层维持包装内含物的品质或特性，或防止与包装产品相邻或在其附近储存的产品的污染。

屏障性质由材料的结构和组成两者产生。结构的有序性即材料的结晶性或无定形性质、层或涂层的存在，可以影响屏障性质。许多材料的屏障性质，可以通过使用液晶或自排序分子技术、通过轴向取向材料例如乙烯-乙烯醇薄膜、或通过双轴取向尼龙膜并通过使用其他有用结构来提高。内部聚合物结构可以以提高对渗透物的渗透阻力的方式来结晶或有序化。可以为塑料或纸包装涂层选择防止渗透物吸附在屏障表面上的材料，并且可以对材料进行选择以防止渗透物通过屏障层输送。一般来说，渗透是浓度和温度依赖性的。渗透率也是压力的函数，其中在大气压与覆层薄膜所围绕的结构例如气球（正压）和真空包装（负压）之间存在梯度。

据信，通过聚合物涂层的渗透是多步骤事件。首先，渗透物分子例如氧与聚合物碰撞，然后被吸附在聚合物中。渗透物沿着随机路径通过聚合物基质迁移，并且渗透物最终从聚合物上解吸附。所述过程在涂层的两侧上达到平衡（化学浓度和压力）。典型的分子通过包装薄膜的渗透率是所述分子的扩散速率和溶解度的函数。扩散速率度量通过薄膜发生的分子运输的快速性，它与渗透物分子在聚合物内移动的容易性相关。溶解度与可能存在于薄膜中的渗透物的浓度或总量相关。扩散和溶解度是屏障涂层性能的重要测量值。水蒸气通过包装薄膜的转移可以通过毛细流动或活化扩散来发生。毛细流动包括小分子渗透通过多孔介质的针孔或微通道，其通常是屏障涂层的不想要的特点。活化扩散要求渗透物溶解在事实上无孔的介质中，在浓度梯度下通过薄膜扩散，并以较低浓度从横向表面释放。几种因素决定了渗透物分子通过屏障涂层渗透的能力，包括渗透物的尺寸、形状和化学本质、聚合物的物理和化学性质以及渗透物与聚合物之间的相互作用。

已知各种透明塑性材料具有不令人满意的气体屏障性质。由热塑性树脂构成的薄膜、聚丙烯、聚酯、聚酰胺等的取向薄膜，通常具有出色的机械性质、耐热性、透明性等，并广泛用作包装材料。然而，当这些薄膜被用于包装食品或其他商品时，它们在对氧和其他气体的高屏障要求方面不令人满意。典型的屏障材料是聚合物单层，双层或多层共挤出或层压聚合物薄膜，涂层的单层，或在一个表面或两个表面上具有一个或多个涂层的双层或多层薄膜。用于食品包装的最广泛使用的屏障聚合物是乙烯-乙烯醇共聚物（“EVOH”）、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（“EVA”）和聚偏氯乙烯三元共聚物（“PVDC”），其对气体、调味剂、气味和溶剂的渗透提供一些阻力。PVDC也对湿气提供一些阻力。EVOH共聚物树脂可以以具有不同乙烯浓度的广泛的各种等级获得。当乙烯醇含量相对于乙烯含量增加时，对气体、调味剂和溶剂的屏障性质提高。EVOH树脂通常在共挤出或层压中使用，利用聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯作为结构和/或密封层，并利用尼龙、聚对苯二甲酸乙二酯（“PET”）、聚乳酸（“PLA”）或聚羟基烷酸酯（“PHA”）作为结构层。将PVDC乳液作为微米厚的轮转影印涂层施加到各种基膜结构例如PET、尼龙、聚丙烯、聚乳酸（“PLA”）或聚羟基烷酸酯（“PHA”）。其他屏障技术包括使用真空沉积，将薄的铝涂层金属化到各种基膜结构上。适中的屏障聚合物材料例如单层聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基戊烯和聚氯乙烯（“PVC”）薄膜是可商购的。