用于制备包装食品特别是包装咖啡胶囊的薄膜的热塑性聚合物和填充剂形成的复合物

摘要

本发明描述了一种可生物降解和可堆肥的胶囊，用于制作咖啡的自动装置中或者，更普遍的制作热和/或冷饮料的自动装置中，胶囊适合容纳制备饮料的注入物，其中，注入物或稀释物（2）容纳在由薄膜（3）封闭的容纳壳体（1）中，薄膜（3）为单层膜，由包含可生物降解和可堆肥的聚合物，或可生物降解和可堆肥的聚合物与百分比为15%‑90%的填充剂混合物的材料制备，组分如下：一种或多种脂肪或脂肪‑芳香族，其百分比为10%‑85%，包含百分比为15%‑90%的一种或多种由D50颗粒度在1‑50微米的表面处理或未经表面处理的小颗粒组成的填充剂，当饮料通过胶囊时所述填充剂不会与饮料相互作用。

说明书

本发明涉及一种可生物降解和可堆肥的胶囊，应用于制作咖啡的自动装置中或者，更普遍的应用于制作热和/或冷饮料的自动装置中，胶囊的封闭膜由热塑性聚合物或热塑性聚合物混合物构成的薄膜制成，完全可生物降解和可堆肥，聚合物体系中分散有百分比为15%-90%的“特定填充剂”。

可生物降解和可堆肥的聚合物，根据UNI EN 13432标准或者类似标准，是一种本质上可生物降解的或者能被天然存在的微生物（藻类、细菌）吸收的聚合物，且这种聚合物不会释放任何有毒物质进入环境中。更确切地说，可生物降解聚合物是一种“能够被降解为二氧化碳、沼气、水、无机化合物和生物质”的物质。可堆肥能力是具有可生物降解能力的材料与在降解过程中发挥作用的微生物接触形成的。因此，可生物降解和可堆肥的聚合物是一种对环境影响很小的物质。

填充剂是一种有机或无机物质，添加到聚合物中赋予聚合物特别的物理和/或化学性质。当然，这种填充剂也是一种对环境影响很小的物质。

某些热塑性聚合物，具有特殊性质，例如具有低或者极低的透气性以及零释放其它物质，主要用于制备包装食品的薄膜，也可以和铝薄膜相结合应用于食品包装。这使得包装食品处在可控气氛中，食品能够长时间内保持“新鲜”，细菌含量极低，让我们食用的食品更健康。

采用自动包装设备以及成本相对较低的包装材料，带来了单剂量包装的盛行，以及处理使用后包装数量的相应增长。

这种趋势的一个例子是咖啡胶囊。十余年来，咖啡消费越来越快，在家里和外面（写字楼，商业场所等）使用所述的胶囊泡咖啡：胶囊插入咖啡机中，实用又快捷。但是备受消费者推崇的“分份”咖啡具有高的环境成本，因为每个单杯意味着使用一份包装，此包装只能由塑料或者金属或者两者相结合的材质制成，不可避免地需要在垃圾填埋场进行处理，也由于这些包装在使用后其组成成分很难分离，造成相关的环境问题。

必须进一步意识到，这些容器使用后，残留的咖啡残渣（也含有水）是一种非常好的肥料。

包装食品使用的材料为可生物降解，那么含有食品残渣的这些包装可运送到堆肥厂中堆肥。对于咖啡胶囊，其食品残渣具有相当大的体积，如果咖啡胶囊的包装为可生物降解和可堆肥的聚合物，可以降解得到一种对农作物（堆肥）有益的最终产品，有效避免化肥例如硝酸盐的使用，这些化肥如果不正确施用，可能会导致污染问题。

本发明的目是提供一种完全可生物降解和可堆肥的胶囊，根据权利要求1所述，应用于制作咖啡的自动装置中或者，更普遍的应用于制作热和/或冷饮料的自动装置中，所述胶囊适合容纳制备饮料的注入物和/或稀释物，其中所述注入物容纳在由薄膜封闭的容纳壳体中，其特征在于，所述膜由包含可生物降解和可堆肥的聚合物，或可生物降解和可堆肥的聚合物与百分比为15%-90%的填充剂混合物的材料制备。

特别地，上述复合物符合可生物降解材料领域的技术标准：UNI EN 13432，因此可以在废物堆的“湿润”部分被降解处理。

根据一个优选的方案，所述聚合物的HDT（热挠曲温度）在70℃和220℃之间（根据ISO 75技术标准在0.45MPa压力下以120℃/小时温度变化测量）。此外，填充剂包含一些立体和/或薄层状物理外形的颗粒，与球体、立方体、平行六面体、薄片、纤维状等类似，在任何情况下，这些颗粒都具有不同尺寸，因此颗粒的尺寸通常是参照一些惯例来测定。例如，D50= 1微米表示，给定样品的50％颗粒可以通过具有相当于1微米的目数的筛网。本发明颗粒的D50在1微米和200微米之间。

本发明的材料适合用来制备胶囊，或者更适合用来制备由可生物降解材料制作的胶囊的封闭膜，可代替传统的用来装纳咖啡和/或其它注入物和/或稀释物的生物不可降解封闭膜（例如由铝或纤维素类似物制作的，虽然纤维素类似物可生物降解，但是非常脆弱），这便于使用后，所述也是由可生物降解和可堆肥材料制作的胶囊与残渣一起被处理，在堆肥厂中它们能与其它有机废物一起形成堆肥，作为一种肥料有益于农作物。

本发明的技术方案相对于其它封闭体系（金属与可生物降解和可堆肥体系）便宜且技术简单。

事实上，如下面将在图2中描述的那样，本发明的体系只需要两个元素，即较少数量的Nespresso类型的胶囊和Ethical Coffee Company型可生物降解胶囊。

根据本发明的优选方案并结合附图，对本发明的技术方案进行描述，但本发明并不限于这些例子，其中：

图1为大范围的可生物降解聚合物，根据它们的归属分类；

图2为根据本发明制作的咖啡胶囊；

图3（a, b, c）为不同材质制作的咖啡胶囊。

图1中的表格呈现了大范围可生物降解聚合物，根据它们的合成工艺分类，例如分为：

1、来自生物质的聚合物，如以农作物为来源的农业聚合物（例如氨基化合物、纤维素、脂质等）；

2、由微生物生产（如发酵）获得的聚合物，例如聚羟基脂肪酸，其化学通式为：

如果m=1，R=H，则为PHA；

如果m=1，R=CH3，则为PHB；

必须注意到，如果m=0，R=H，则为聚乳酸(PLA)；

3、由来自农作物资源的单体，如聚乳酸(PLA)，或者来自化石资源的单体常规合成的聚合物。

这些材料不管是从可再生资源还是化石资源中获得，最后得到的聚合物都是可生物降解和可堆肥的，符合UNI EN13432技术标准。这些可生物降解的聚合物可以进一步分为两大类：

1、农业聚合物，

2、可生物降解聚酯或者生物聚酯。

任何一种在实践和文献中已知的可生物降解和可堆肥的聚合物都可以用来生产本发明的复合物，例如各种生物可降解的聚酯，特别是：

由聚乳酸（PLA）和其相关的产品，如共聚物和共混物制备得到的聚酯；

各种聚酯，包括脂肪族-芳香族共聚酯，例如对苯二甲酸修饰物（聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯PBAT，也称为ECOFLEX），包括由其它可生物降解的脂肪族聚酯获得的聚酯，例如聚氧代链烷酸酯，以琥珀酸为原料合成的脂肪族聚酯（PBS），以己二酸为原料合成的脂肪族聚酯（PBA），以及它们的混合物或共混物；

聚己内酯（PCL）或其衍生物；

可生物降解的聚酯酰胺或其共聚物；

可生物降解的纤维素酯或其由胺基以及它们的混合物生产的衍生物。

这些材料可以从一些公司购买到，这些公司包括 Basf, DuPont, Metabolix,Mitsubishi, Mitzui, Natureworks, Novamont。

为了生产本发明的复合物，在所述的可生物降解和可堆肥的聚合物中添加一种或多种填充剂，填充剂是一种可改变聚合物化学和/或物理性质的材料，它可以是有机的或无机的。

填充剂是形状微小的颗粒（D50在1微米和200微米之间）。它们也可以经过表面处理，即在表面加入特定的物质（如硬脂），用来提高填充剂在聚合物中的附着力和/或分散性。（例如，市场上的碳酸钙经过硬酯表面处理，以提高碳酸钙与聚合物体系的分散性和兼容性）。无机填充剂为，例如滑石、碳酸钙、碳酸镁、混合碳酸盐、二氧化硅、氧化铝、云母、高岭土、二氧化钛、浮石、沸石以及相似物质，例如中空或填充的玻璃微球、陶瓷微球。无机填充剂为，例如，纤维素、氨基化合物或小木块和/或纤维。

组成成分在双螺杆挤出机Labtech LTE 26-40以及单螺杆挤出机 Labtech I 25-30 / CV中混合制备出复合物。

在第一种情况下，所述填充剂通过两侧边加入到熔化的聚合物中。在第二种情况下，聚合物和填充剂经过预混合后，加入到挤出机中。

这两种情况得到的结果都是令人满意的，即使使用双螺杆挤出机具有更好的效果，因其能使填充剂充分分散在聚合物或者聚合物混合物中。

根据现有技术，通过先制备聚合物和填充剂的浓缩液（母料），然后再对浓缩液进行稀释制备薄膜，这样的操作可以得到相同的结果。

在某些情况下，于不同聚合物混合物中加入合适的相容剂，相容剂在“混合”领域（即多种聚合物即使不兼容也能相互混合）公知的能赋予聚合物体系更好的混合性能。

在体系中也加入合适的滑动剂和/或润滑剂和/或抗静电剂，在制备薄膜领域公知的滑动剂有，酰胺（芥酸酰胺、油酰胺等），硬脂酸盐（硬脂酸钙、镁硬脂酸等）等，公知的抗静电剂（甘油一硬脂酸酯，聚乙二醇等）。

利用获得的复合物制备薄膜，制备薄膜的技术一般分为两大类：“气泡膜”和“挤塑膜”，以本发明的复合物作为原料，通过这两种技术制备薄膜是可行的。然而，“挤塑膜”必须作为优选技术，因为复合物材料填充剂浓度过高时，气泡技术效果较差，但这不视为排他性。

众所周知，为了提高薄膜对氧气、二氧化碳、湿度等的阻隔作用，薄膜可以制作成多层结构，包括各种聚合物层、纸张层、薄膜层等。这个事实引起工业极大兴趣，因为这可以制备出具有修饰阻隔层的薄膜，从而延长食品保藏期。对于胶囊这种情况，良好的阻隔性可以长时间内保持咖啡质量。因此，这样的技术必须包括在本发明的变化范围内。一些物质，如有机化合物、沸石、硅石等，或者它们合适的修饰物，加入到聚合物体系中，或者单独作为一个薄膜层，可以有选择地与氧气或二氧化碳或蒸汽通过截留和/或连接起反应（例如Colormatrix公司的Amosorb产品，可以截留氧气）或者更简单地阻滞通过薄膜的扩散过程。

这些薄膜采用各种已知的技术，特别是焊接，已经成功地作为咖啡以及其它注入物胶囊的封闭膜。

特别的，这些薄膜在水压下可以被均匀钻孔，只允许饮料通过，残渣不能通过，与现有的铝封闭膜作用形式一样。

图2为本发明的咖啡胶囊。所述胶囊包括容纳壳体（1），容纳壳体（1）内注入咖啡（2），容纳壳体（1）由上述描述的薄膜（3）封闭。容纳壳体（1）和薄膜（3）符合UNI EN 13432标准，整个胶囊与胶囊内的咖啡残渍可以一起在废物堆的“湿润”部分被降解处理，然后运送去堆肥。

实验结果显示，通过采用可生物降解和可堆肥的聚合物与百分比含量在15%-90%的填充剂制备的薄膜（3），可以获得有效的产品。但是通过采用下面的参数可以得到更好的结果：

一种聚合物和/或一种可生物降解和可堆肥的聚合物混合物，不会释放物质，其 HDT（热挠曲温度，根据 ISO 75技术标准在0.45MPa压力下以120℃/小时温度变化测量）在70℃和220℃之间；

填充剂（和/或各种填充剂的混合物）的百分比为15%-90%，优选填充剂百分比为15%-60%，颗粒具有不同结构和几何形态。

但是必须注意到聚合物和填充剂不能对包装产品产生不利影响。

对于填充剂，例如碳酸钙，因其很容易用较低的价格获得纯度较高的物质，作为填充剂具有更好的效果，但是它会与酸物质相互作用，应用于咖啡时会反应释放物质进入饮料中。

对于聚合物，那些基于氨基合成的聚合物容易溶于水中，从而进入饮料。

因此，最好是选择那些在胶囊的操作条件（咖啡情况：热水和压力）下不会释放物质到饮料中的聚合物和填充剂。

图3（a, b, c）以咖啡胶囊作为示例。特别地，图3a显示的胶囊，其封闭膜为根据现有技术的铝材质制作，图3（b, c）显示的胶囊由本发明的薄膜制作。

在图3b中，薄膜由51% PBAT和49%碳酸钙组成的复合物制备。这个复合物完全适合用于制作封闭容纳咖啡胶囊的薄膜，但是它会产生负面效果，因为制备的薄膜具有弹性，在热水施加的压力下变形而不是钻孔，导致饮料不能通过。

在图3c中，薄膜由40% PLA、11% PBAT和49%玻璃微球组成的复合物制备。在这种情况下，会产生有益效果，因为薄膜可以被钻成特定小孔，允许饮料通过，且不会带出固体残渣（如咖啡渣），效果正如铝膜呈现的那样。

胶囊的钻孔实验在不同标准的咖啡机上进行。

从图3c中可以看出，3c封闭膜（40%PLA、11%PBAT和49%玻璃微球）与工业中使用的铝膜（图3a）具有相同的性质。图3b显示，3b封闭膜（51%PBAT和49%碳酸钙）具有较差的性质，因为封闭膜没有被钻孔，然而在水压和热相结合作用下，咖啡被输送，钻孔必须发生。

采用第二份组合物（40%PLA、11%PBAT和49%玻璃微球），使得胶囊的封闭膜由可生物降解和可堆肥的材料制成，表现出来的特性完全等同于现有技术使用的。

实验证明，封闭咖啡胶囊时，使用单层的可生物降解和可堆肥的材料制成的薄膜代替铝膜或由许多元素组成的复合系统是可行的。由此得出所述的胶囊，如果也是由可生物降解和可堆肥的材料制成，那么整个胶囊可以与生活垃圾一起被处理掉而不会产生特殊的问题。这是一个非常重要的特性，在使用一定数量的情况下，如社区、工作场所和修复场地，使用后的胶囊可以收集，并在普通的堆肥厂处理产生有益于农作物的化肥，避免了大数量混合材料（在垃圾填埋厂和/或废物燃烧器的塑料、金属、使用的咖啡、水）的转移。

使用本发明的材料具有其他相关的优点，包括降低成本，因使用的材料为塑料，它比铝材料更便宜，和降低生产胶囊的总能量，因获得本发明的塑料薄膜所需要的能量比生产相应数量铝膜所需要的能量低两个数量级。