УПАКОВОЧНЫЙ КАРТОН, ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ И ПРОДУКТЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ НЕГО
PACKAGING CARDBOARD, ITS IMPLEMENTATION, AND PRODUCTS MADE OF IT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к упаковочному картону, включающему волокнистую основу и один или более слоев полимерного покрытия, нанесенных на одну или обе стороны волокнистой основы. Изобретение также включает изделия, изготовленные из упаковочного картона согласно изобретению, а также применение упаковочного картона.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Упаковочные картоны, имеющие полимерное покрытие, используют для изготовления упаковок и контейнеров, предназначенных для хранения жидких пищевых продуктов и других продуктов на основе жидкости или продуктов, содержащих жидкости. Внутренний полимерный слой контейнера или упаковки защищает картон от увлажнения или смачивания жидким или влажным веществом, содержащимся внутри. В зависимости от типа используемых для получения покрытия полимеров покрытие также может обеспечивать защиту вкусовых качеств изделий, содержащихся в упаковке, или их защиту от воздействия кислорода.
Внутренняя обрезная кромка (необработанная кромка или необработанный край) картона подвергается действию жидких или влажных продуктов, содержащихся в контейнере, например в одноразовом стаканчике для напитка, или упаковке, например пакете молока или сока, поэтому жидкость может впитываться в волокнистую основу картона, попадая в нее через такую кромку (проникновение через необработанную кромку).
При автоклавном способе обработки также существует проблема с поглощением внешней обрезной кромкой влаги, содержащейся в нагретом водяном паре, используемом для стерилизации, и влаги, содержащейся в холодной воде, применяемой для охлаждения стерилизованной в автоклаве упаковки.
Во избежание проблем, создаваемых смачиванием, кромка картона может быть срезана и дважды загнута с краю, или необработанные кромки могут быть закрыты герметизирующей лентой. Экономически более приемлемым способом является предотвращение поглощения жидкости при помощи проклейки волокнистой основы картона подходящим образом.
В патентном документе US 4859244 описаны бумажные изделия, проклеенные алкилкетендимером (англ. alkyl ketene dimer, сокращенно AKD), ангидридом жирной кислоты, например стеариновым ангидридом, и алюмокалиевыми квасцами. На обе стороны бумаги может быть нанесена ламинированием полиэтиленовая пленка. Цель такой обработки - повысить сопротивление необработанной кромки проникновению, причем указано, что бумага выдерживает воздействие спиртовых жидкостей, и в качестве примера приведен 5%-ный водный этанол.
В патентной публикации WO 2005/003460 А1 описан упаковочный материал и полученная из него упаковка, пригодная для автоклавной обработки, в котором проникновение через необработанную кромку предотвращено посредством использования гидрофобного клея, например AKD или ангидрида алкенилянтарной кислоты (англ. alkenyl succinic acid anhydride, сокращенно ASA), клея, повышающего прочность во влажном состоянии, например полиамидоаминоэпихлоргидрина (англ. polyamido amine epichlorohydrin, сокращено РААЕ), и соединения алюминия или кальция. Такой упаковочный материал должен выдерживать автоклавирование в присутствии водяного пара, находящегося под давлением и при повышенной температуре.
В патентной публикации WO 2009/125068 А1 описан имеющий полимерное покрытие картон, предназначенный, в частности, для изготовления стаканчиков для напитков, способных выдерживать воздействие крепких алкогольных напитков, содержание спирта в которых составляет 30 масс.%. Проблему, состоящую в проникновении через необработанную кромку внутри стаканчика, решают посредством применения комбинации клеев AKD и РААЕ, а также установкой определенных требований к плотности волокнистой основы и минимальному количеству полимера, составляющего покрытие.
Известно, что различные гидрофобные клеи по-разному отталкивают жидкости различных типов. Обычно гидрофобные клеи обладают эффективным водоотталкивающим действием, и некоторые из них способны отталкивать некоторые другие жидкости или растворенные в них соединения. Например, клеи AKD обладают способностью отталкивать молочную кислоту и их применяют в сочетании с молочными продуктами, но они неэффективны против пероксидов, применяемых для стерилизации упаковок перед их заполнением. Напротив, канифольные клеи успешно отталкивают пероксиды и также подходят для использования при изготовлении одноразовых стаканчиков для напитков, которые темнеют при воздействии горячего кофе, если для их изготовления был использован бумажный картон, обработанный только AKD клеем.
Таким образом, очевидно, что не существует универсального клея, препятствующего проникновению любых жидкостей, для упаковки которых или для контакта с которыми обычно применяют упаковочный картон. Традиционно для решения этой проблемы использовали так называемые двойную проклейку, например комбинацию кислотного канифольного клея и нейтрального AKD клея. Такая комбинация подходит для упаковки молочных продуктов, поскольку применяемый канифольный клей позволят упаковочному картону выдерживать пероксидную стерилизацию в разливочной машине, а клей AKD обеспечивает стойкость по отношению к молочной кислоте, находящейся в упаковываемом молоке и других молочных продуктах.
Однако двойная проклейка с использованием комбинации канифольного клея и клея AKD затруднительна, поскольку для применения канифольного клея требуется добавление алюмокалиевых квасцов и создание низкого рН, в то время как применение клея AKD должно быть произведено в условиях нейтрального или высокого рН. Это означает, что во время изготовления картона необходим очень тщательный контроль рН, и при этом имеется риск возникновения проблем в работе оборудования и осаждения загрязнений и гидрофобных компонентов в сеточной части картоноделательной машины.
Кроме того, все еще имеется необходимость создания проклеенного упаковочного картона с высоким сопротивлением, включающим пониженное проникновение через необработанную кромку в различных условиях, который мог бы подходить для разнообразных целей, а именно для упаковки жидких пищевых продуктов, например молочных продуктов, для упаковки агрессивных непищевых жидких продуктов, например моющих средств, для изготовления одноразовых стаканчиков для кофе и спиртных напитков, а также для изготовления автоклавируемых картонных упаковок.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача, решаемая настоящем изобретением, состоит в создании проклеенного упаковочного картона многоцелевого назначения, который может быть использован для изготовления упаковок продуктов, которые при наполнении подвергают стерилизации, для упаковок продуктов, которые подвергают автоклавированию после заполнения, для упаковок продуктов, которые выдерживают воздействие и отталкивают влажные или жидкие продукты, и для изготовления контейнеров, например стаканчиков для напитков, которые выдерживают воздействие различных наливаемых в них напитков. В частности, задача изобретения состоит в создании клея, наносимого надежным и экономически эффективным образом и без затруднений, связанных с регулированием рН и контролем способа получения картона.
Решение поставленных задач в соответствии с настоящим изобретением состоит в проклейке волокнистой основы упаковочного картона комбинацией клея алкилкетендимера (AKD), ангидрида стеариновой кислоты (англ. stearic anhydride, сокращенно SA), клея, повышающего прочность во влажном состоянии, и соединения алюминия, которые придают картону устойчивость по отношению к растворяющим жидкостям, а также к тепловой обработке.
Было обнаружено, что раскрытое выше изобретение может быть использовано для достижения множества различных целей, и при этом при изготовлении картона не возникают проблемы, характерные для способов уровня техники, в частности сложности в регулировании рН, упомянутые выше. Основные полезные эффекты включают применение картона одного сорта для различного конечного использования, и такое расширенное применение позволит повысить спрос и увеличить масштаб производства при меньших изменениях в сортности картона, направляемого в машину, что позволит повысить эффективность и снизить затраты на изготовление единицы продукции. Способ осуществим без изменения рН, позволяет получать изделия более высокой чистоты и позволяет предотвращать проблемы в работе машины, возникающие в способах согласно предшествующему уровню техники.
2
2
При испытаниях на пилотной бумагоделательной машине было обнаружено, что применение смеси AKD и ангидрида стеариновой кислоты наряду с соединением алюминия позволяет получать пригодный для стерилизации/автоклавирования картон и картон, пригодный для изготовления стаканчиков, устойчивый по отношению к моющим средствам, жидкостям с высоким содержанием спирта, НО, черному кофе, кофе со сливками, молоку, овсяному молоку и другим жидким пищевым продуктам, а также устойчивый к автоклавированию при 135°С в течение 40 минут с последующим охлаждением холодной водой, и для получения упаковок с асептическими свойствами.
Полученные результаты показывают, что изготовляемый согласно предшествующему уровню техники картон множества различных сортов/качества, например картон, устойчивый по отношению к моющим средствам, картон для изготовления стаканчиков или картон, пригодный для стерилизации, может быть заменен единственным продуктом, получаемым согласно изобретению в соответствии с единой рецептурой.
2
Граммаж основы картона может составлять от приблизительно 130 г/м и более и включает граммаж более легкого и более тяжелого картона, обычно применяемый для изготовления стаканчиков для напитков и картонных упаковок для жидкостей.
Длина углеродной цепочки жирной кислоты в клее AKD, применяемом согласно изобретению, предпочтительно составляет от 18 до 22 атомов углерода. Клей AKD может представлять собой традиционный AKD с низкой температурой плавления или AKD с более высокой температурой плавления.
Кроме ангидрида стеариновой кислоты волокнистая основа также может содержать ангидриды более короткоцепочечных или более длинноцепочечных жирных кислот, например ангидрид пальмитиновой кислоты. Таким образом, ангидрид стеариновой кислоты (клей SA) может представлять собой чистый SA или смесь SA и одним или более ангидридами жирных кислот с большей длиной цепочки. Однако применение агентов со слишком длинными углеродными цепочками нежелательно из-за их медленного осаждения на поверхности волокон.
Предпочтительно клей, повышающий прочность во влажном состоянии, представляет собой полиамидоаминоэпихлоргидриновую смолу (англ. polyamido amine epichlorohydrin resin, сокращенно РААЕ). Было обнаружено, что добавление относительно большого количества агента, повышающего прочность во влажном состоянии, предпочтительно по меньшей мере 0,5 кг/т, более предпочтительно по меньшей мере 1 кг/т и наиболее предпочтительно по меньшей мере 1,5 кг/т, приводит к улучшенным результатам. Присутствие клея, повышающего прочность во влажном состоянии, позволяет ограничивать количество клея SA, избыточное количество которого может приводить к нежелательному снижению трения на поверхности картона. Кроме РААЕ могут быть использованы другие химические средства, повышающие прочность во влажном состоянии.
4
2
2
Предпочтительным применяемым соединением алюминия являются алюмокалиевые квасцы, в частности KAl(SO)⋅12(HO). В качестве альтернативных соединений Al можно упомянуть хлорид полиалюминия (англ. polyaluminium chloride, сокращенно РАС) и силикат полиалюминия (англ. polyaluminium silicate, сокращенно PAS). Полагают, что соединение алюминия способствует связыванию углеродных цепочек AKD и SA с поверхностями картона.
Предпочтительно массовое отношение AKD:SA составляет от 4:1 до 0,25:1, более предпочтительно от 2:1 до 0,5:1. Предпочтительная рецептура для проклейки волокнистой основы картона предусматривает от 0,2 до 3,0 кг/т AKD, от 0,5 до 4,0 кг/т SA, от 0,5 до 2,0 кг/т клея, повышающего прочность во влажном состоянии, например РААЕ, и от 0,5 до 10 кг/т соединения алюминия.
Поскольку SA имеет тенденцию снижать статическое трение поверхности картона, что может создавать проблемы при обработке основы картона, может быть предпочтительно добавлять в композицию для проклейки относительно небольшие количества SA, то есть рассматривать SA как второстепенный компонент по сравнению с AKD. Таким образом, волокнистая основа картона может содержать менее 0,9 кг/т SA, предпочтительно приблизительно 0,75 кг/т SA.
Для повышения трения волокнистая основа картона также может содержать от 0,5 до 2,0 кг/т канифольного клея, который, как известно, повышает статическое трение поверхности картона и повышает адгезию слоя полимерного покрытия.
2
Один или более слоев полимерного покрытия могут включать полиэтилен, полипропен или сложный полиэфир. Предпочтительным выбором для автоклавной обработки является полипропен или сложный полиэфир. Предпочтительно минимальная масса полимерного покрытия составляет 14 г/м; это значение позволяет избежать присутствия нежелательных пузырьков воздуха, остающихся между основой картона и полимерными слоями.
3
3
3
Для достижения максимальной устойчивости к действию агрессивных химических средств, например концентрированных спиртов или моющих средств, или к действию жестких условий, например к автоклавированию, заполнению в горячем виде и т.д., желательно произвести модификацию физических свойств картона, в основном относящихся к его пористости/плотности и прочности во влажном состоянии и способности к набуханию. Например, было обнаружено, что предпочтительная плотность волокнистой основы картона должна составлять по меньшей мере 600 кг/м, предпочтительно по меньшей мере 650 кг/м и наиболее предпочтительно по меньшей мере 700 кг/м.
Изобретение дополнительно относится к картонным упаковкам, изготовленным из упаковочного картона согласно изобретению, рассмотренного и обсужденного выше. Такие упаковки включают упаковки для автоклавируемых изделий, упаковки для молочных продуктов, а также упаковки для моющих средств. Дополнительно изобретение включает открытые контейнеры, например картонный стаканчик для напитка, изготовленный из упаковочного картона согласно настоящему изобретению.
Изобретение дополнительно относится к применению упаковочного картона согласно изобретению для упаковки изделий, автоклавируемых при температуре, составляющей по меньшей мере 130°С, а также к применению упаковочного картона согласно изобретению для изготовления одноразовых стаканчиков для напитков, способных выдерживать действие крепких алкогольных напитков, содержащих по меньшей мере 30 об.% этанола. Предпочтительно стаканчик способен выдерживать действие напитков, содержащих приблизительно 40 об.% этанола.
Пример 1 (сравнительный)
3
2
Волокнистая основа картона, имеющая плотность 750 кг/м и граммаж 150 г/м, была получена в пилотной бумагоделательной машине при скорости машины, составляющей 45 м/мин. Целлюлозная масса представляла собой 100% березовое сырье, облагороженное до SR22-25. Для проклейки к густой целлюлозной массе добавляли 4 кг/т канифольного клея и 10 кг/т алюмокалиевых квасцов в расчете на тонну готовой основы картона. Длина углеродной цепочки используемого сорта AKD составляла 18 атомов углерода. Перед подачей в напорный ящик целлюлозную массу разбавляли очищенной циркуляционной водой, рН которой составлял 6,5-6,8.
Сначала измеряли статическое трение на поверхности основы картона. Для проведения испытаний на проникновение через необработанную кромку (сокращенно ПНК, англ. raw edge penetration, сокращенно REP) до проведения окончательного этапа нанесения полимерного покрытия согласно изобретению поверхности картона с обеих сторон закрывали полимерной пленкой и измеряли величину ПНК для различных жидкостей и условий. Результаты представлены ниже:
- ПНК для молочной кислоты (1%) (24 часа, 23°С)
14,0 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> (10 мин, 70°С)
0,6 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для кофе (10 мин, 80°С)
2,4 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для 40 об.% этанола (1 час, 23°С)
7,0 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК при автоклавировании (1 час, 125°С)
13,0 кг/м<sup>2</sup>
- статическое трение
0,5
Пример 2 (сравнительный)
Волокнистая основа картона была получена согласно процедуре Примера 1, за исключением того, что для проклейки использовали 1,5 кг/т 1:1 смеси AKD и SA и 5 кг/т алюмокалиевых квасцов. Величины статического трения и ПНК для основы картона определяли, как указано в Примере 1. Результаты представлены ниже:
- ПНК для молочной кислоты (1%) (24 часа, 23°С)
2,3 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> (10 мин, 70°С)
0,3 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для кофе (10 мин, 80°С)
3,7 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для 40 об.% этанола (1 час, 23°С)
7,0 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК при автоклавировании (1 час, 125°С)
2,4 кг/м<sup>2</sup>
- статическое трение
0,27
Пример 3 (по изобретению)
Волокнистая основа картона была получена согласно процедуре Примера 1, за исключением того, что для проклейки использовали 1,5 кг/т 1:1 смеси AKD и SA, 1 кг/т РААЕ и 5 кг/т алюмокалиевых квасцов. Величины статического трения и ПНК для основы картона определяли, как указано в Примере 1. Результаты представлены ниже:
- ПНК для молочной кислоты (1%) (24 часа, 23°С)
1,7 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> (10 мин, 70°С)
0,3 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для кофе (10 мин, 80°С)
3,3 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для 40 об.% этанола (1 час, 23°С)
5,5 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК при автоклавировании (1 час, 125°С)
2,3 кг/м<sup>2</sup>
- статическое трение
0,26
Пример 4 (сравнительный)
Волокнистая основа картона была получена согласно процедуре Примера 1, за исключением того, что для проклейки использовали 2,5 кг/т 1:1 смеси AKD и SA и 5 кг/т алюмокалиевых квасцов. Величины статического трения и ПНК для основы картона определяли, как указано в Примере 1. Результаты представлены ниже:
- ПНК для молочной кислоты (1%) (24 часа, 23°С)
1,8 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> (10 мин, 70°С)
0,3 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для кофе (10 мин, 80°С)
3,0 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК для 40 об.% этанола (1 час, 23°С)
3,8 кг/м<sup>2</sup>
- ПНК при автоклавировании (1 час, 125°С)
2,3 кг/м<sup>2</sup>
статическое трение
0,23
Пример 5 (сравнительный)
2
2
Волокнистая основа картона была получена согласно процедуре Примера 1; на одну из ее сторон было нанесено 14 г/м покрытия из полиэтилена, а на противоположную сторону - 17 г/м покрытия из полиэтилена, в результате чего получали картон, подходящий для изготовления одноразовых стаканчиков для напитков. Для определения величины проникновения через необработанную кромку (ПНК) картон для изготовления стаканчиков с нанесенным покрытием подвергали действию окрашивающих жидкостей. Результаты представлены ниже:
- ПНК для окрашенной горячей воды (10 мин, 93°С)
менее 3 мм
- ПНК для кофе со сливками (10 мин, 93°С)
менее 3 мм
- ПНК для черного кофе (10 мин, 93°С)
менее 11 мм
Пример 6 (сравнительный)
2
2
Волокнистая основа картона была получена согласно процедуре Примера 2; на одну из ее сторон было нанесено 14 г/м покрытия из полиэтилена, а на противоположную сторону - 17 г/м покрытия из полиэтилена, в результате чего получали картон, подходящий для изготовления одноразовых стаканчиков для напитков. Для определения величины проникновения через необработанную кромку (ПНК) картон для изготовления стаканчиков с нанесенным покрытием подвергали действию окрашивающих жидкостей. Результаты представлены ниже:
- ПНК для окрашенной горячей воды (10 мин, 93°С)
менее 4 мм
- ПНК для кофе со сливками (10 мин, 93°С)
менее 2 мм
- ПНК для черного кофе (10 мин, 93°С)
менее 11 мм
Пример 7 (по изобретению)
2
2
Волокнистая основа картона была получена согласно процедуре Примера 3; на одну из ее сторон было нанесено 14 г/м покрытия из полиэтилена, а на противоположную сторону - 17 г/м покрытия из полиэтилена, в результате чего получали картон, подходящий для изготовления одноразовых стаканчиков для напитков. Для определения величины проникновения через необработанную кромку (ПНК) картон для изготовления стаканчиков с нанесенным покрытием подвергали действию окрашивающих жидкостей. Результаты представлены ниже:
- ПНК для окрашенной горячей воды (10 мин, 93°С)
менее 1 мм
- ПНК для кофе со сливками (10 мин, 93°С)
менее 1 мм
- ПНК для черного кофе (10 мин, 93°С)
менее 3 мм
Пример 8 (сравнительный)
2
2
Волокнистая основа картона была получена согласно процедуре Примера 4; на одну из ее сторон было нанесено 14 г/м покрытия из полиэтилена, а на противоположную сторону - 17 г/м покрытия из полиэтилена, в результате чего получали картон, подходящий для изготовления одноразовых стаканчиков для напитков. Для определения величины проникновения через необработанную кромку (ПНК) картон для изготовления стаканчиков с нанесенным покрытием подвергали действию окрашивающих жидкостей. Результаты представлены ниже:
- ПНК для окрашенной горячей воды (10 мин, 93°С)
менее 1 мм
- ПНК для кофе со сливками (10 мин, 93°С)
менее 1 мм
- ПНК для черного кофе (10 мин, 93°С)
менее 2 мм
Приведенные выше Примеры 1-8 показывают, что проклейка традиционными канифольными клеями приводит к получению неудовлетворительных величин ПНК при воздействии молочной кислоты и при автоклавировании. Проклейка AKD и SA приводит к значительному улучшению в обоих случаях, но в случае воздействия горячего черного кофе вдоль необработанной кромки образуются пятна. Повышение количеств проклеивающих агентов AKD и SA решает проблему воздействия кофе, но существенным недостатком материала становится повышение статического трения. Напротив, добавление согласно настоящему изобретению соответствующего количества клея, повышающего прочность во влажном состоянии, приводит к улучшению характеристик материала при воздействии кофе, но при этом не повышает статического трения. Было обнаружено, что, в целом, картон согласно изобретению обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с остальными испытанными материалами.