КАРТОН, СОДЕРЖАЩИЙ МИКРОПЛАСТИНЧАТЫЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫЕ ЧАСТИЦЫ
CARTON CONTAINING MICRO-LAMELLATE CELLULOSE PARTICLES

Эта непредварительная заявка испрашивает дату подачи предварительной заявки США, № US 60/825311, поданной 12 сентября 2006, которая введена в документ в качестве ссылки, которая была подана в течение двенадцати (12) месяцев после ее подачи, и приоритет на нее испрашивается в соответствии с законом 35 USC § 1.19(e).
Уровень техники
Производство бумаги обычно включает прохождение разбавленной водной суспензии целлюлозных волокон, полученных из напорного ящика, на движущейся сетке, известной как длинная сетка, чтобы удалить воду из суспензии через сетку и позволить образоваться по существу монолитному волоконному мату, затем прессование волоконного мата, используя клеильный пресс, причем основная часть воды, оставшейся в мате, удаляется путем сжатия в зазоре между валками, и, наконец, прохождение полученного мата через сушильную часть бумагоделательной машины, чтобы удалить оставшуюся воду термодинамически.
2
Продукты на основе бумаги, такие как бумага и картон, обычно имеют покрытия, чтобы улучшить их поверхностные свойства. Покрытие бумаги часто требует сложного и дорогого оборудования и обычно проводится отдельно от процесса производства бумаги. В результате этап нанесения покрытия вносит существенные дополнительные затраты в процесс производства бумаги. Обычно для существенного улучшения поверхностных свойств бумаги требуется вес покрытия примерно 2-6 фунтов/1000 фут. Такой высокий уровень веса покрытия обычно требуется потому, что более низкие веса покрытий типично недостаточно однородны, чтобы дать желаемое улучшение поверхностных свойств. Этот относительно высокий вес покрытия не только существенно повышает стоимость производства бумаги, но также увеличивает удельный вес бумаги и, таким образом, расходы на перевозку бумаги.
2
2
Картон обычно имеет толщину более 0,3 мм, диапазон калибров от примерно 0,3 мм до примерно 1,2 мм и диапазон удельных весов от примерно 120 г/м до примерно 500 г/м. Картон обычно подразделяют на пять классов: твердый беленый сульфатный, покрытый небеленый крафт, газетно-макулатурный картон с покрытием глиной, коробочный картон и непокрытый коробочный картон из вторсырья.
При применении для целей упаковки часто желательно, чтобы упаковочный картон имел хорошие поверхностные свойства для высокого качества печати. Поэтому упаковочный картон обычно покрывают композицией на основе пигмента. Чтобы придать непрозрачность, упаковочный картон обычно покрывают пигментом, придающим непрозрачность, таким как диоксид титана и глина в связующем пигмента. Зазоры между волокнами древесной массы на поверхности имеют размер в диапазоне 50-100 мкм, тогда как размер непрозрачного пигмента составляет менее 1 мкм. Чтобы заполнить пустоты между волокнами и создать гладкую поверхность картона, требуются высокие уровни пигмента, придающего непрозрачность, что существенно повышает стоимость производства картона. Кроме того, поскольку пигменты, придающие непрозрачность, плотнее, чем целлюлоза, они обычно повышают удельный вес картона, что приводит к повышению стоимости транспортировки. Кроме того, это средство улучшения качества печати на поверхности во многих случаях достигается в ущерб прочностным свойствам упаковочных картонов, таких как жесткость при изгибе и предел прочности при растяжении.
Предпринимались постоянные шаги, чтобы улучшить поверхностные свойства картона, например гладкость, непрозрачность, пригодность к печати, без ухудшения физических характеристик и без значительного повышения стоимости производства. Патент US 6645616 описывает ламинированный картон, имеющий улучшенные поверхностные и прочностные свойства, подходящий для применения как упаковка для напитков или тарный картон. Ламинированный картон получают наложением легкой покрытой белой бумаги без печати на небеленую или беленую картонную основу. В патентной заявке US 2003/0091762 картон с белой лицевой поверхностью получают наложением тонкой бумаги из беленого волокна на небеленую картонную основу. Эти способы требуют дополнительных стадий в процессе производства картона, таких как автономные покрытие и ламинирование, тем самым повышая стоимость производства. Патентная заявка US 2005/0039871 описывает применение многослойной завесы для одностадийной операции нанесения покрытия, чтобы снизить стоимость производства. Другой подход к снижению стоимости производства состоит в применении дешевых наполнителей вместо пигмента оксида титана, чтобы повысить непрозрачность и гладкость поверхности. Патентная заявка US 2006/0065379 описывает применение дешевых минеральных наполнителей, беленого волокна и связующего для получения картона с белой лицевой поверхностью. В патентной заявке US 2004/086626 для получения тонкой печатной бумаги используется механически измельченное волокно как дешевый заполнитель пустот в кроющих композициях. В патенте US 4888092 целлюлозная мелочь, имеющая такой размер частиц, что они проходят через сетку 100 меш, содержащая менее 25% волокон и фрагментов волокна и содержащая, по меньшей мере, 50 вес.% лучевых клеток, наносится слоем на поверхность листа бумаги-основы, чтобы улучшить гладкость бумажной поверхности.
Исследовалось применение ультратонких волокон для заполнения пустот между волокнами и создания гладкой поверхности картона. Патентная заявка PCT 2004/087411 и патентная заявка US2004/223040 описывают нанесение на поверхность картона волокон нанометрового диаметра, полученных методом электропрядения. Однако этот способ обычно слишком дорог для промышленного производства картона. Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) применялась для заполнения поверхностных пустот и давала гладкую поверхность (патент US 7037405, патентная заявка US № 2005/239744, патентная заявка PCT 2006/034837). Патент US 7037405 описывает, что поверхность картона, обработанная суспензией текстурированной МКЦ, имеет улучшенную прочность и пригодность поверхности к печати. Описанную текстурированную МКЦ получают путем кислотного гидролиза низкосортных целлюлозных волокон, таких как волокна южной сосны и других мягких пород деревьев, с последующей механической дефибрилляцией. Однако МКЦ относительно дорога в производстве, так как этот тип текстурированной МКЦ по существу отделен и очищен от предварительно экстрагированных кислотой целлюлозных волокон, имеющих высокое содержание α-целлюлозы. Суспензия МКЦ должна комбинироваться в суспензии с крахмалом или другим модификатором вязкости, чтобы контролировать реологические свойства, чтобы суспензию можно было наносить на поверхность бумаги и картона.
Микрофибрилированная целлюлоза (MFC) исследовалась для обработки поверхности картона для улучшения характеристик поверхности. Патентная заявка PCT 2004/055267 описывает применение MFC, полученной ферментативной обработкой волокон, для улучшения возможности печатания на поверхности упаковочных материалов без ухудшения прочностных свойств. Однако полученная ферментативная суспензия MFC нестабильна и может быть диспергирована и стабилизирована карбоксиметилцеллюлозой. Кроме того, карбоксиметилцеллюлоза требуется для улучшения реологических свойств суспензии MFC, чтобы суспензию MFC можно было наносить на сухую поверхность упаковочных материалов. Патенты US 4861427 и 5637197 описывают применение бактериальной MFC-целлюлозы для применения при обработке поверхности. Как и МКЦ, MFC является относительно дорогой. В настоящее время получение MFC в промышленном масштабе все еще остается под вопросом.
Патент US 4474949 описывает микрофибриллярную целлюлозу в форме дискретных пластинок, известных также как микропластинчатые целлюлозные частицы (MPC). Эти MPC-частицы получают механической обработкой (размолом) разбавленной водной дисперсии целлюлозных волокон до такой степени, чтобы, по меньшей мере, самые дальние из вторичных стенок целлюлозные волокна по существу полностью распались на микрофибриллярные формы. Затем отбитую дисперсию сушат сублимацией. Полученные MPC-частицы имеют высокую поглощающую способность и влагозадержание, что делает их подходящими для применения во впитывающих продуктах, таких как гигиенические салфетки, подгузники, перевязочные материалы и т.п., которые применяются для впитывания жидкостей тела.
Японская патентная заявка № 2004/230719 раскрывает MPC, имеющие ширину 1-50 мкм, длину 1-50 мкм и толщину 0,1-10 мкм. Эти легко ориентируемые и однородно распределенные MPC-частицы получают размолом целлюлозного материала. Вместе с целлюлозным материалом может механически размалываться смесь синтетического полимера, жирной кислоты и воды или органического растворителя. Синтетическими полимерами могут быть полимерные спирты, простые полиэфиры, полиолефины и полиамиды. Органический растворитель, подходящий для процесса размола, включает алканы, спирты, кетоны, простые эфиры и ароматические углеводороды. Так как полученные MPC-частицы не имеют вкуса и запаха, они могут применяться как пищевые добавки для повышения густоты, улучшения влагозадержания и улучшения тактильных свойств. Кроме того, они могут применяться как наполнители в лекарствах и косметике.
Количество пигмента, используемого для покрытия, обычно связано с гладкостью основы, на которую он наносится. Использовалось несколько способов повышения гладкости картона и, следовательно, снижения количества необходимого пигмента, придающего непрозрачность. Сухое или мокрое каландрование дает картон с улучшенной гладкостью поверхности. При каландровании структура картона уплотняется, что приводит к уменьшению толщины (т.е. к более низкому калибру). Соотношение между калибром и жесткостью при изгибе описывается уравнением:
b
3
S = t × E/12,
b
где S - жесткость при изгибе;
E - модуль упругости, и
t - толщина, или калибр.
Жесткость картона при изгибе пропорциональна кубу толщины картона. Улучшение гладкости поверхности картона каландрованием приводит к уменьшению толщины (калибра) и, тем самым, к существенному уменьшению жесткости при изгибе. Кроме того, мокрое каландрование часто приводит к снижению скорости машины из-за необходимости повторного смачивания и повторной сушки картона.
Для применений в упаковке желательно иметь картон, обладающий несколькими характеристиками, в дополнение к гладкости поверхности, для высокого качества печати и внешнего вида, такими как высокая жесткость при изгибе и отличная прочность.
Высокая жесткость при изгибе дает негнущийся и прочный упаковочный картон. Кроме того, высокая жесткость при изгибе необходима, чтобы картон хорошо поддавался обработке на упаковочной машине, в частности для высокоскоростной печати и изготовления упаковок. Она также ценится в картонных упаковках для напитков, таких как коробки для молока или сока, чтобы предотвратить искажение формы. Использовалось несколько способов улучшить жесткость картона при изгибе, но обычно эти улучшения достигались в ущерб другим свойствам картона. Для улучшения жесткости при изгибе в картон можно добавлять наполнители. Однако наполнители также придают картону более низкий предел прочности на разрыв из-за разрыхляющего влияния этих материалов.
При применении в сфере упаковки желательно, чтобы картон имел высокую прочность. Типичные подходы к улучшению прочностных характеристик упаковочного картона приводят к нежелательному повышению плотности картона. Патент US 6322667 описывает применение перегретого пара для улучшения предела прочности картона в сухом состоянии без существенного повышения плотности картона. Картон сушат в перегретом паре, а не на воздухе или, как это делается обычно, на воздухе на горячей металлической поверхности. Тем не менее, этот способ является довольно чувствительным к типу древесной массы, используемой для получения картона. Картон, сделанный из чисто механической древесной массы, отличается значительно улучшенным пределом прочности в сухом состоянии без повышения плотности картона. Напротив, картон, сделанный из чистой химической целлюлозы, такой как крафт-целлюлоза, не обнаруживает никакого повышения прочности после сушки в перегретом паре.
К сожалению, попытки улучшить одну характеристику упаковочного картона обычно достигаются за счет других желаемых характеристик. Например, каландрование улучшает гладкость поверхности картона, но ухудшает жесткость при изгибе и прочность.
Таким образом, все еще остается потребность в упаковочном картоне, имеющем улучшенную гладкость поверхности и другие эстетические свойства, без ухудшения жесткости при изгибе и прочности, и наоборот. Кроме того, это существенно для способа придания лучшей гладкости поверхности и других эстетических свойств, жесткости при изгибе или прочности упаковочным картонам при сохранении других желаемых характеристик.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к картону, содержащему микропластинчатые целлюлозные частицы, имеющему улучшенные гладкость поверхности, эстетические свойства, жесткость при изгибе и прочностные характеристики. Когда микропластинчатые целлюлозные частицы используются для обработки поверхности картона, микропластинки заполняют пустоты между волокнами на поверхности картона. В результате обработанный картон имеет улучшенную прочность и поверхностные свойства, такие как гладкость, непрозрачность, осыпание покрытия и пригодность для печати, без ухудшения жесткости при изгибе. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу улучшения прочности картона, гладкости поверхности и/или жесткости при изгибе без необходимости уплотнения и при сохранении других желаемых характеристик.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является СЭМ-снимком микропластинчатых целлюлозных частиц (MPC) по настоящему изобретению.
Фиг.2 является другим СЭМ-снимком микропластинчатых целлюлозных частиц (MPC) по настоящему изобретению.
2
Фиг.3 показывает в сделанные 6-кратном увеличении микрофотографии отлитых вручную DSF-листов, применяющихся как вспомогательный слой, при разном уровне MPC-частиц: 0, 1,4 и 2,8 ф/1000 фут.
2
Фиг.4 показывает в увеличении 200х негативные снимки СЭМ картона, имеющего базовый слой из мягкой древесной массы и вспомогательный слой, не содержащий (A) MPC-частиц и (B) содержащий 1 ф/1000фут MPC-частиц, причем MPC-частицы были добавлены во второй напорный ящик в процессе производства бумаги.
2
Фиг.5 показывает в увеличении 200х негативные снимки СЭМ сечения картона, имеющего базовый слой из мягкой древесной массы и вспомогательный слой, не содержащий (A) MPC-частиц и (B) содержащий 1 ф/1000фут MPC-частиц, причем MPC-частицы были добавлены во второй напорный ящик в процессе производства бумаги.
Фиг.6 является графиком, показывающим соотношение между яркостью и гладкостью картона, содержащего MPC-частицы по настоящему изобретению.
Фиг.7. является графиком, показывающим соотношение между гладкостью по Шеффилду и жесткостью по Таберу для картонов, на которые с помощью клеильного пресса нанесены разные замасливающие композиции и которые каландрованы при разных уровнях давления: 0, 50, и 100 ф/лин.дм.
Фиг.8. является графиком, показывающим соотношение между гладкостью по Шеффилду и жесткостью по Таберу для картонов, с шаберным покрытием разными кроющими композициями и каландрованных при разных уровнях давления: 0, 50, и 100 ф/лин.дм.
Осуществление изобретения
Следующее подробное описание иллюстрирует вариант осуществления настоящего изобретения, однако оно никоим образом не ограничивает объем приложенной формулы изобретения.
Микропластинчатые целлюлозные (MPC) частицы по настоящему изобретению могут быть получены, проводя суспензию целлюлозных волокон через дробилку с высоким коэффициентом трения или мельницу с каменными жерновами при атмосферном давлении и диапазоне температур от примерно 20°C до примерно 95°C. Целлюлозные волокна много раз подвергали повторному процессу размола, и среднеобъемные размеры частиц полученной MPC в водной суспензии измеряли после каждого прохода, используя анализатор размера частиц по рассеянию лазерного излучения Microtrac X-100 Tri-Laser-System. Фигуры 1 и 2 являются снимками описываемой сухой формы MPC, полученными методом СЭМ.
MPC-частицы по настоящему изобретению имеют среднеобъемный размер частиц в диапазоне от примерно 20 микрон до примерно 150 микрон, среднечисленный размер в диапазоне от примерно 5 микрон до примерно 20 микрон и 95-процентильный среднеобъемный размер частиц не более 300 микрон. 95-процентильный среднеобъемный размер частиц определяется как среднеобъемный размер 95% всех MPC. Размер описываемых MPC-частиц может меняться в зависимости от намеченного конечного применения. Концентрация MPC-частиц типично составляла от примерно 2% до примерно 3% твердых веществ, но могут быть получены большие или меньшие проценты твердых веществ, в соответствии с выбранным применением.
Значение влагозадержания у MPC определяли, помещая 50 мл водного раствора MPC с содержанием твердого вещества 1,5% в центрифужную пробирку при комнатной температуре. Используемые пробирки имели диаметр 30 мм, длину 100 мм и градуированный объем 50 мл. Наполненные пробирки центрифугировали 15 мин при 3000 об/мин, применяя центрифугу IEC CL2 (1500G). Пробирки осторожно вынимали из центрифуги и измеряли объем границы раздела между прозрачной водной фазой и непрозрачным MPC-слоем. Затем водную фазу сливали и MPC-слой сушили в печи при 105°C в течение 48 часов, чтобы определить вес MPC. Значение влагозадержания рассчитывали по следующему уравнению:
Влагозадержание = мл (объема осадка в пробирке) / г (абс.сух. вес MPC)
MPC по настоящему изобретению могут иметь значение влагозадержания в диапазоне от примерно 5 мл/г до примерно 80 мл/г.
В настоящем изобретении могут применяться целлюлозные волокна разного натурального происхождения. Сюда относятся, без ограничений, волокна мягких пород деревьев, волокна твердых пород деревьев, хлопковые волокна, волокна травы альфа, сахарного тростника, пеньковые волокна, льняные волокна и волокна на основе плодов, таких как волокна сахарной свеклы и цитрусовый жом. Древесная масса может быть получена химической обработкой, такой как сульфатная варка, сульфитный и сульфатный процессы; массой, приготовленной механическим способом, такой как дефибрерная древесная масса и термомеханическая древесная масса, и их комбинацией. Целлюлозные волокна могут быть модифицированы перед тем, как подвергать их процессу размола при высоком коэффициенте трения. Могут применяться различные виды модификации, в том числе, без ограничений, химическая модификация, ферментативная обработка, механическая обработка и их комбинации. Кроме того, вместе с целлюлозными волокнами размолу при высоком коэффициенте трения могут подвергаться синтетические волокна и/или наполнители, такие как глина или диоксид титана.
MPC-частицы по настоящему изобретению могут применяться для обработки поверхности картона и/или для вспомогательного слоя в базовом слое картона. Обработка поверхности может быть проведена разными способами, известными в данной области. Сюда входят, без ограничений, проклеивание прессом, нанесение покрытия валиком, шабером, нанесение покрытия с удалением излишков скребком, напыление, покрытие наливом и формирование поверхностного слоя посредством напорного ящика на картоноделательной машине.
2
В одном варианте осуществления настоящего изобретения описываемый картон содержит MPC в количественном диапазоне от примерно 0,10 фунтов до примерно 20 фунтов на 1000 фут картона.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения описываемый картон содержит MPC в количественном диапазоне от примерно 0,1% до примерно 50% от полного веса картона.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения описываемый картон, содержащий MPC, имеет MD-CD среднегеометрическое значение жесткости по Таберу от примерно 25 г-см до примерно 500 г-см.
MPC во вспомогательном слое базового слоя картона
2
Отлитые вручную листы, состоящие из главного слоя, содержащего мягкую древесную массу, и вспомогательного слоя, содержащего мягкую древесную массу и разное количество MPC-частиц, получали, применяя динамический листоотливной аппарат (DSF). DSF-лист, содержащий только мягкую древесную массу во вспомогательном слое (0% MPC), использовался как контроль. MPC-частицы добавляли во вспомогательный слой в содержании 2,5% и 5% от полного веса вспомогательного слоя, что соответствует 1,4, и 2,8 ф/1000 фут соответственно. Полученные отлитые вручную DSF-листы, содержащие разные уровни MPC-частиц, оценивались на пористость, непрозрачность, предел прочности на разрыв и гладкость.
(i) Характеристики пористости
Пористость DSF-листов измеряли, используя пористость по Gurley, согласно методу TAPPI T 460 om-96. Пористость по Gurley (в сек) измеряет время, требующееся воздуху, чтобы пройти сквозь DSF-лист. Повышение величины пористости по Gurley указывает на уменьшение воздухопроницаемости листа из-за уменьшения пористости листа (таблица I).
<b>Таблица I</b>
Состав вспомогательного слоя
Свойства
% мягкой древесины
% MPC
MPC во 2-м слое (ф/1000фт<sup>2</sup>)
Кажущаяся плотность (г/см<sup>3</sup>)
Калибр(мил)
Уд.вес(ф/мфт<sup>2</sup>)
Пористость по Gurley
100%
0%
0
0,62
16,1
60
140
97,5%
2,5%
1,4
0,68
14,6
58
210
95%
5%
2,8
0,70
14,1
57
790
2
2
DSF-лист, содержащий 5% MPC-частиц во вспомогательном слое (2,8 ф/1000 фут), показал более чем 5-кратное уменьшение пористости картона, на что указывает повышение пористости по Gurley с 140 сек для DSF-листа, не содержащего MPC-частиц, до 790 сек для листа, содержащего MPC-частицы, при 2,8 ф/1000 фут (таблица I).
Будучи внесенными во вспомогательный слой DSF-листа, MPC-частицы заполняют пустоты в волокне и образуют очень гладкий слой на обработанной поверхности листа (фиг.3). В результате поверхность картона, модифицированная MPC, имеет лучшую гладкость поверхности, более высокую непрозрачность и яркость при меньшем весе покрытия по сравнению с картоном, не модифицированным MPC.
(ii) Непрозрачность
Для характеристики непрозрачности отлитые вручную DSF-листы, содержащие разные уровни MPC-частиц во вспомогательном слое, каландровали при давлении 20 бар и температуре 125°F с последующим нанесением верхнего покрытия пигментной кроющей композицией, содержащей около 80% глины от полного веса твердых веществ. Покрытие пигментом наносилось на поверхность картона с использованием спиральных валиковых скребков № 5 и № 12. Яркость DSF-листа измеряли на яркостемере Brightimeter Micro S-5, производства Technidyne Corporation. В качестве контроля использовали DSF-лист, имеющий только основу (Таблица II).
<b>Таблица II</b>
Нанесение покрытия
Базовый слой (ф/1000 фт<sup>2</sup>)
MPC(ф/1000 фт<sup>2</sup>)
Яркость
Проволочная планка № 5
9
0
56
7
1,4
58
4
2,8
58
Проволочная планка № 12
9
0
58
8
1,4
61
6
2,8
68
Когда MPC-частицы добавляли во вспомогательный слой DSF-листа, яркость покрытого листа увеличивалась по сравнению с яркостью контроля, даже при уменьшенном уровне покрытия. Когда MPC-частицы использовались во вспомогательном слое, MPC заполняли поверхность пустот в базовом слое из мягкой древесины, тем самым улучшая характеристики покрытия.
(iii) Характеристики прочности на разрыв
Способность к растяжению отлитых вручную DSF-листов, содержащих разные уровни MPC-частиц во вспомогательном слое, были испытаны в направлении машины (MD) и в поперечном (CD) направлении.
3
3
2
Использовалось отношение MD:CD от 2,4 до 3,0 без явного эффекта от типа вспомогательного слоя. Модуль существенно повышался, когда в качестве вспомогательного слоя наносились MPC-частицы. Добавление 7,5% MPC-частиц во вспомогательный слой листа повышало модуль с 617·10 до 806·10ф/дм (30%-ное повышение), что указывает на то, что прочность листа можно повысить добавлением MPC-частиц во вспомогательный слой листа (таблица III).
<b>Таблица III</b>
%MPC во вспомогательном слое
Калибр (мил)
Загрузка
Отношение MD:CD (%)
Модуль
MD (фунт)
CD(фунт)
MD10<sup>3 </sup>ф/дм<sup>2</sup>
CD10<sup>3 </sup>ф/дм<sup>2</sup>
0
17,0
183
62
3,0
617
291
2,5
15,1
179
68
2,6
678
339
5,0
14,2
189
63
3,0
713
331
7,5
13,3
161
66
2,4
806
405
0
14,6
165
62
2,7
720
321
5,0
13,2
163
54
3,0
751
372
MPC можно смешивать с целлюлозными волокнами и добавлять в картон во вторичный напорный ящик в процессе производства бумаги.
(i) Анализ поверхности
С помощью метода СЭМ были получены негативные снимки поверхности и негативные снимки сечения для картона, имеющего базовый слой из мягкой древесины и вспомогательный слой, содержащий древесную массу и MPC-частицы, причем MPC-частицы добавлялись во вспомогательный напорный ящик в процессе производства бумаги (фигуры 4 и 5). Снимки СЭМ подтверждают, что MPC-частицы заполняли пустоты между волокнами на поверхности картона, образуя полунепрерывную пленку на поверхности. Толщина MPC пленки, образованной на поверхности картона, составляла около 2 мкм.
(ii) Прочность на разрыв и пористость
Картон, модифицированный MPC, содержащий MPC-частицы на уровне
2
3
3
1 ф/1000 фут, имел 47%-ное увеличение предела прочности на разрыв и 33%-ное увеличение модуля упругости по сравнению с картоном, не содержащим MPC-частиц. Измерение пористости показало примерно 10-кратное уменьшение воздухопроницаемости; с пористости по Gurley всего 4 сек/100 см воздуха для картона, не содержащего MPC-частиц, до примерно 42 сек/100 см для картона, модифицированного MPC.
Нанесение MPC в разных позициях процесса бумажного производства
MPC-частицы по настоящему изобретению могут наноситься на картон на разных стадиях в мокрой части процесса производства бумаги, используя разные способы нанесения. Они могут добавляться во вторичный напорный ящик процесса производства бумаги как смесь с волокном твердых пород деревьев для вспомогательного слоя или добавляться отдельно (без волокон твердых пород деревьев) в базовый слой из мягкой древесины. Кроме того, раскрываемые MPC могут наноситься на картон в мокрой части или сухой части процесса производства бумаги, используя типичное оборудование для нанесения покрытий на бумагу, такое как покрытие из щелевого отверстия, устройство для нанесения покрытий поливом и покрытие распылением.
2
Гладкость картона с верхним слоем TiО и базовым слоем с MPC определяли, используя аппарат Parker Print Smoothness (PPS-10) согласно методу TAPPI T 555 pm-94, причем более низкие значения PPS-10 означают более высокую гладкость картона. Яркость картона измеряли на яркостемере Brightimeter Micro S-5 производства Technidyne Corporation, причем яркость картона повышается в соответствии со значениями яркости (таблица IV).
<b>Таблица IV</b>
Способ добавления MPC
Добавление MPC
Гладкостьпо PPS-10
Яркость
Индекс желтизны (параметр b)
Вторичный напорный ящик (MPC добавлен в волокна твердой древесины во вторичный слой
Смесь с массой твердой древесины для вторичного слоя (20% MPC)
5,71
77,88
0,61
Смесь с массой твердой древесины для вторичного слоя (20% MPC)
5,77
78,01
0,51
Контроль - масса твердой древесины для вторичного слоя (0% MPC)
7,92
72,31
2,02
Вторичный напорный ящик
Нанесение только как вторичный слой при1 ф/1000 фт<sup>2</sup>
4,69
80,19
-0,35
Контроль (%MPC)
10,96
65,45
3,65
Покрытие напылением
Нанесение в мокрой части на базовый слой при0,5 ф/1000 фт<sup>2</sup>
5,53
81,07
-0,05
Контроль (%MPC)
6,97
73,75
1,83
Покрытие с помощью щелевой головки
Нанесение в мокрой части на базовый слой при1 ф/1000 фт<sup>2</sup>
4,15
82,19
-0,30
Контроль (%MPC)
7,37
74,75
1,01
2
Фиг.6 показывает соотношение между яркостью и гладкостью картона. Кроме того, яркость и гладкость модифицированного MPC картона по настоящему изобретению с верхним слоем из TiO сравнивались с картоном с базовым слоем из небеленой мягкой древесины и картоном с покрытием, полученным нанесением на коммерческий базовый картон производства Mahrt Mill, MeadWestvaco Corp., верхнего слоя пигмента.
2
Характеристики яркости модифицированного MPC картона с верхним слоем из TiO были прямо пропорциональны гладкости картона. Это подтверждает, что MPC удерживались как тонкая пленка, которая заполняла полости между волокнами на поверхности картона из небеленого волокна, как показано на полученных с помощью СЭМ снимках (фиг.4), даже когда их добавляли в мокрой части с вакуумом с обратной стороны в условиях очень разбавленной подачи. Описываемые MPC проявляют пленкообразующие свойства на целлюлозной поверхности без необходимости смешения со связующим или регулятором реологических свойств. С другой стороны, микроволокна известного уровня техники до добавления в картон необходимо смешивать с другими ингредиентами, такими как связующее и регулятор реологических свойств, в стабильные коллоиды. При жестких гидродинамических условиях, присущих процессу производства бумаги, коллоидные целлюлозные микроволокна известного уровня техники стремятся просочиться через полотно, не образуя плоской пленки на поверхности. Пленкообразующая способность описываемых MPC на поверхности волоконного полотна позволяет добавлять MPC, используя существующее оборудование для процесса производства бумаги, минимизируя таким образом капитальные затраты, особенно на дополнительную производительность сушки.
2
2
2
2
2
Содержащий MPC картон по настоящему изобретению с верхним покрытием из TiO имел более высокую непрозрачность, чтобы скрыть небеленый коричневый слой картона, по сравнению с картоном, покрытым верхним слоем из TiO и не содержащим MPC, что подтверждается как яркостью, так и оптическими показателями желтизны. Эти улучшенные оптические свойства модифицированного MPC картона с верхним покрытием из TiO были обусловлены улучшением гладкости поверхности картона, так как MPC-частицы заполняли пустоты в волокне и образовывали тонкую пленку на поверхности базового слоя волоконного полотна. Следовательно, количество пигмента TiO, требующегося на верхний слой картона, чтобы скрыть небеленые коричневые волокна в базовом слое, можно было минимизировать, когда описываемые MPC присутствовали во вспомогательном слое картона до нанесения верхнего слоя TiO.
Нанесение MPC с помощью клеильного пресса по сравнению с нанесением на поверхность
MPC получали мокрым размолом суспензии беленой целлюлозы из твердой древесины, используя дробилку с большим коэффициентом трения. Полученные MPC имели номинальный среднеобъемный размер частиц примерно 50-80 микрон и значение влагозадержания 25-40 мл/г сухого волокна, определенное центрифугированием 50 мл 1,5%-ного раствора MPC при скорости вращения 3000 об/мин в течение 15 мин, используя центрифугу IEC CL2 с откидными ковшами объемом 50 мл и радиусом 150 мм, которая давала относительную центробежную силу примерно 1500g.
Суспензию полученных MPC с содержанием твердых веществ 2,7% смешивали с крахмалом (Penford Gum 280, выпускаемый в продажу Penford Products Co.) и глиной (Kaobrite 90, выпускаемый в продажу Thiele Kaolin Co.) при разных составах, указанных в таблице V.
В случае нанесения с помощью клеильного пресса композиции наносили на обе стороны беленого на 10 мил картона из целлюлозы натрий-бисульфитной варки, используя клеильный пресс с затопленным зазором, имеющий 12-дюймовое полотно, при скорости 200 фут/мин и минимальную сжимающую нагрузку 35 ф/кв.дм.
Для нанесения поверхностного слоя композиции наносили на одну сторону беленого на 10 мил SBS-картона, используя шаберное устройство с наклонными полотнами при скорости 900 фут/мин.
Вес покрытий рассчитывался из известных отношений MPC к крахмалу и глине и измеренной зольности картона минус вес картона, не имеющего покрытия (таблица V).
<b>Таблица V</b>
Вес покрытия MPC, нанесенного прессом
ф/1000фт<sup>2</sup>, две стороны,
Вес покрытия MPC, нанесенного шабером
ф/1000фт<sup>2</sup>, одна сторона,
Состав
Тв.веществ, всего %
Крахмал
Глина
Крахмал
Глина
Только вода
MPC 1%
1
0,085
0,050
Крахмал 8%
8
0,487
Крахмал 8%, глина 8%
16
1,119
1,119
0,397
0,397
Крахмал 8%, MPC 1%
9
0,049
0,439
0,040
0,357
MPC 1%, глина 8%
9
0,101
0,812
0,025
0,198
MPC 2,5%, глина 2,5%, обработанные вместе<sup>**</sup>
5
0,158
0,158
0,129
0,129
Крахмал 8%, глина 8%, MPC 1%
17
0,181
1,445
1,445
0,082
0,653
0,653
Крахмал 4%, глина 4%, MPC 1%
9
0,131
0,525
0,525
0,025
0,099
0,099
**целлюлоза и глина подвергались мокрому размолу вместе.
Картоны с покрытием каландровали при двух разных давлениях: 50 и 100 ф/лин.дм.
(i) Жесткость по Таберу
<b>Таблица VI</b>
Результатыжесткость по Таберу, нанесение прессом, две стороны
Результатыжесткость по Таберу, нанесение шабером, одна сторона
Состав
Тв.веществ, всего %
MD
CD
GM
MD
CD
GM
Только вода
31
11
18
MPC 1%
1
37
11
20
34
17
24
Крахмал 8%
8
40
14
24
Крахмал 8%, глина 8%
16
43
14
25
36
14
22
Крахмал 8%, MPC 1%
9
42
13
23
35
14
22
MPC 1%, глина 8%
9
44
14
25
38
15
24
MPC 2,5%, глина 2,5%, обработанные вместе<sup>**</sup>
5
38
12
21
37
12
21
Крахмал 8%, глина 8%, MPC 1%
17
45
16
27
39
18
26
Крахмал 4%, глина 4%, MPC 1%
9
45
14
25
42
18
27
**целлюлоза и глина подвергались мокрому размолу вместе.
1/2
Покрытые картоны без каландрования испытывали на жесткость по Таберу, как показано в таблице VI. Жесткость по Таберу определяли, используя среднегеометрическое (GM) жесткости в направлениях MD и CD, согласно методу испытаний TAPPI T 489 om-04, исправленный вариант 2004. GM есть среднегеометрическое жесткости по Таберу в MD и CD направлениях, причем GM = (MD x CD).
Жесткость по Таберу оценивалась для картонов с покрытием, каландрованных при двух разных уровнях давления, и сравнивалась с жесткостью некаландрованных покрытых картонов (таблица VII).
<b>Таблица VII</b>
Некалан.
Каландр. листынанесение с давлением, две стороны
Некалан.
Каландр. листынанесение с шабером, одна сторона
MD-CD среднегеометрическая жесткость при изгибе
MD-CD среднегеометрическая жесткость при изгибе
Рецептура
0 ф/л.дм
50 ф/л.дм
100 ф/л.дм
0 ф/л.дм
50 ф/л.дм
100 ф/л.дм
Только вода
18
16
14
MPC 1%
20
24
16
15
Крахмал 8%
24
20
18
Крахмал 8%, глина 8%
25
19
18
22
18
17
Крахмал 8%, MPC 1%
23
20
19
22
17
14
MPC 1%, глина 8%
25
20
16
24
18
16
MPC 2,5%, глина 2,5%, совместно обработанные
21
18
17
21
19
14
Крахмал 8%, глина 8%, MPC 1%
27
21
20
26
20
19
Крахмал 4%, глина 4%, MPC 1%
25
22
19
27
18
18
(ii) Гладкость поверхности
Используя метод испытания по TAPPI T 538 om-01 (исправленный вариант, 2001), определяли гладкость поверхности по Шеффилду каландрованных картонов с покрытием и сравнивали с гладкостью некаландрованных картонов без покрытия (таблица VIII).
<b>Таблица VIII</b>
Некалан.
Каландр. листынанесение прессом, две стороны
Некалан.
Каландр. листынанесение шабером, одна сторона
Гладкость по Шеффилду
Гладкость по Шеффилду
Рецептура
0 ф/л.дм
50 ф/л.дм
100 ф/л.дм
0 ф/л.дм
50 ф/л.дм
100 ф/л.дм
Только вода
400
157
108
MPC 1%
410
400
135
122
Крахмал 8%
410
172
110
Крахмал 8%, глина 8%
410
217
157
410
162
98
Крахмал 8%, MPC 1%
400
178
128
400
138
98
MPC 1%, глина 8%
380
173
122
420
143
103
MPC 2.5%, глина 2.5%, совместно обработанные
400
178
138
400
148
110
Крахмал 8%, глина 8%, MPC 1%
410
205
150
3Θ5
150
100
Крахмал 4%, глина 4%, MPC 1%
400
197
148
4Θ0
150
108
Фиг.7 показывает соотношение между жесткостью по Таберу и гладкостью поверхности по Шеффилду для картонов, имеющих разные замасливающие композиции, нанесенные в процессе замасливания, без каландрования и при каландровании при давлении 50 и 100 ф/лин.дм.
Когда покрытые картоны были каландрованы, гладкость их поверхности улучшалась, а жесткость при изгибе ухудшалась. Чем при более высоком уровне давления был каландрован картон, тем выше гладкость поверхности, на что указывает более низкое значение гладкости по Шеффилду, но тем ниже характеристики жесткости при изгибе, на что указывают более низкие значения жесткости по Таберу.
<b>Таблица IX</b>
Состав замасливателя поверхности
Жесткость по Таберу для каландрованного картона, имеющего гладкость по Шеффидлу 100
% увеличения жесткости по Таберу по сравнению с картоном, замасленным только водой
Только вода
13,10
-
Крахмал 8%
17,14
31%
Крахмал 8%, глина 8%
16,91
29%
MPC 1%, крахмал 8%, глина 8%
20,00
53%
Таблица IX показывает жесткость по Таберу для картонов, у которых обе поверхности были замаслены разными композициями после того, как они были каландрованы до значения гладкости по Шеффилду 100. Поверхность картона, замасленная композицией, содержащей 1% MPC, 8% крахмала и 8% глины, обнаруживает значение жесткости по Таберу около 20, что означает увеличение примерно на 53% по сравнению с жесткостью по Таберу картона без замасливания поверхности (т.е. замасливание только водой), имеющего жесткость по Таберу около 13,10. У поверхности картона, замасленной крахмалом или комбинацией крахмала и глины, жесткость по Таберу была улучшена по сравнению с картоном без замасливания поверхности, но это улучшение составляло всего лишь около 30%.
Фиг.8 показывает соотношение между жесткостью по Таберу и гладкостью поверхности по Шеффилду для картонов с шаберным покрытием разными кроющими составами, без каландрования с каландрованием при давлении 50 и 100 ф/лин.дм.
<b>Таблица X</b>
Состав покрытия, наносимого шабером
Жесткость по Таберу для каландрованного картона, имеющего гладкость по Шеффидлу 100
% увеличения жесткости по Таберу по сравнению с картоном, замасленным только водой
Только вода
13,10
-
Крахмал 8%, глина 8%
17,46
34%
MPC 1%, крахмал 8%, глина 8%
19,46
50%
Таблица X показывает жесткость по Таберу для картонов, у которых одна из поверхностей была покрыта с помощью шабера разными композициями, после каландрования до одинаковых значений гладкости по Шеффилду 100. Картон с шаберным покрытием композицией, содержащий 1% MPC, 8% крахмала и 8% глины, имел значение жесткости по Таберу около 20, что было почти на 50% выше жесткости по Таберу картона с шаберным покрытием только водой, имевшего жесткость по Таберу около 13,10. Для картонов с шаберным покрытием композицией, содержащей 8% крахмала и 8% глины, жесткость по Таберу была улучшена по сравнению с картоном с шаберным покрытием только водой, но это улучшение составляло всего лишь около 34%.
Когда картон применяется с композицией, содержащей описываемые MPC как агент замасливания поверхности или поверхностное покрытие, можно провести каландрование для улучшения гладкости поверхности обработанного картона с существенным уменьшением отрицательного влияния на характеристики жесткости при изгибе.
Следует понимать, что приведенное выше описание относится к вариантам осуществления, которые являются только примерными и пояснительными и не ограничивают изобретения. Как должно быть понятно специалистам в данной области, в нем могут быть сделаны любые изменения и модификации. Такие изменения следует рассматривать как охватываемые объемом изобретения, который определен в следующей формуле.