КАРТОН С ПИГМЕНТНЫМ ПОКРЫТИЕМ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЙСЯ УЛУЧШЕННОЙ АДГЕЗИЕЙ ПЭ
CARDBOARD WITH PIGMENT COATING, CHARACTERIZED BY IMPROVED PE ADHESION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области картона с пигментным покрытием.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области бумажной упаковки качество печати часто является желательным свойством. Свойства поверхности, такие как печатные свойства бумаги или картона, могут быть улучшены путем нанесения пигментного покрытия. В дополнение к пигменту такое пигментное покрытие часто содержит связующее. Альтернативным или дополнительным способом улучшения свойств поверхности является каландрирование.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Для некоторых применений на картон с пигментным покрытием наносят слой полиэтилена (ПЭ), в результате чего получают слоистый материал. Назначением слоя ПЭ обычно является обеспечение барьера и/или облегчение тепловой запайки, когда из слоистого материала производят упаковку. При использовании слоистого материала важно, чтобы слой ПЭ прочно сцеплялся с пигментным покрытием, т.е. чтобы избежать отслаивания.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении картона с пигментным покрытием, характеризующегося улучшенной адгезией ПЭ и удовлетворительные свойства печати.
3
3
3
Автор изобретения неожиданно обнаружил, что, если высокую долю пигмента составляет пигмент на основе СаСО, и, в свою очередь, высокая доля пигмента на основе СаСО характеризуется широким распределением частиц по размерам (то есть относительно высоким количеством относительно небольших и относительно крупных частиц), адгезия ПЭ значительно улучшается. Чтобы получить удовлетворительные печатные свойства, однако, необходимо включить относительно небольшие количества глины и/или пигмента на основе СаСО, имеющего более узкое распределение частиц по размерам.
Автор изобретения также обнаружил, что повышенное количество связующего часто улучшает адгезию ПЭ, но может ухудшить печатные свойства. С точки зрения экономической эффективности также в целом желательно поддерживать количество связующего на низком уровне.
Таким образом, предложен картон с покрытием, содержащий картон-основу, которая имеет лицевую сторону, имеющую пигментное покрытие, при этом пигментное покрытие содержит пигментную смесь, связующее и модификатор реологии, где:
3
3
3
пигментная смесь содержит в расчете на сухую массу 0-17% глины, 60-90% первого пигмента на основе СаСО и 0-30% второго пигмента на основе СаСО, при условии, что суммарное количество глины и второго пигмента на основе СаСО составляет по меньшей мере 10%;
50
3
3
d первого пигмента на основе СаСО составляет 0,60-0,80 мкм, и первого пигмента на основе СаСО составляет по меньшей мере 2,8 мкм, например 2,9-4,0 мкм, например 2,9-3,5 мкм;
50
3
75
3
d второго пигмента на основе СаСО составляет от 0,53 до 0,73 мкм, и d второго пигмента на основе СаСО составляет менее 1,2 мкм, например 0,85-1,15 мкм, например 0,9-1,1 мкм;
связующее содержит сополимер бутадиена и стирола или сополимер стирола с акрилатом; и
отношение пигмента к связующему в пигментном покрытии в расчете на сухую массу составляет от 100:16 до 100:20.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фигуре 1 представлено (узкое) распределение частиц по размерам для Covercarb 75 (СС75) от OMYA и (широкое) распределение частиц по размерам для Hydrocarb 90 от OMYA.
На фигуре 2 представлена установка для измерения адгезии ПЭ, используемая в Испытании 2.
ОПИСАНИЕ
В настоящем изобретении предложен картон с покрытием, содержащий картон-основу. Картон-основа имеет лицевую сторону, которая имеет пигментное покрытие.
В одном варианте реализации картон-основа содержит по меньшей мере два бумажных слоя (обычно 2-5 слоев), например, по меньшей мере три бумажных слоя (обычно 3-5 слоев), где верхний бумажный слой картона-основы имеет пигментное покрытие. Верхний бумажный слой картона-основы обычно отбеленный. Он может содержать диоксид титана и/или кальцинированную глину и/или карбонат кальция в качестве наполнителя. Верхний слой предпочтительно образован из крафт-целлюлозы, например, отбеленной крафт-целлюлозы.
2
2
2
В соответствии с ISO 536 граммаж картона-основы может составлять, например, от 30 до 400 г/м, например, от 120 до 300 г/м, например, от 125 до 260 г/м.
Картон-основу преимущественно гидрофобизируют путем обработки проклеивающим агентом, например, обработкой алкилкетеновым димером (АКД), алкенилянтарным ангидридом (АЯА) или их комбинацией.
Пигментное покрытие содержит:
пигментную смесь;
связующее; и
модификатор реологии.
Пигментная смесь содержит в расчете на сухую массу:
0-17%, например, 7-15%, например, 7-17%, предпочтительно 9-14%, глины;
3
60-90%, предпочтительно 65-85%, более предпочтительно 65-75% первого пигмента на основе СаСО; и
3
0-30%, предпочтительно 5-25% или 10-30%, более предпочтительно 12-25% второго пигмента на основе СаСО.
3
Кроме того, суммарное количество глины и второго пигмента на основе СаСО должно составлять по меньшей мере 10%.
Глина предпочтительно представляет собой каолиновую глину, например, деламинированную каолиновую глину.
3
3
3
В одном варианте реализации пигментная смесь содержит в расчете на сухую массу 7-17% глины, 65-85% первого пигмента на основе СаСО и 5-25% второго пигмента на основе СаСО, что означает, что суммарное количество глины и второго пигмента на основе СаСО составляет по меньшей мере 12%.
3
3
В другом варианте реализации пигментная смесь содержит в расчете на сухую массу 65-85% первого пигмента на основе СаСО и 15-35% второго пигмента на основе СаСО, но не содержит глину.
3
3
3
Первый и второй пигменты на основе СаСО имеют различные распределения частиц по размерам. Распределение первого пигмента на основе СаСО шире, чем распределение второго пигмента на основе СаСО (как показано на Фигуре 1).
50
3
98
3
d первого пигмента на основе СаСО составляет 0,60-0,80 мкм, предпочтительно 0,65-0,75 мкм. d первого пигмента на основе СаСО составляет по меньшей мере 2,8 мкм, например 2,9-4,0 мкм, например 2,9-3,5 мкм или 3,0-3,4 мкм.
50
3
75
3
98
3
d второго пигмента на основе СаСО составляет 0,63 мкм ± 0,10 мкм, предпочтительно 0,63 мкм ± 0,05 мкм. d второго пигмента на основе СаСО составляет менее 1,2 мкм, например, 0,9-1,1 мкм. d второго пигмента на основе СаСО предпочтительно составляет менее 3 мкм, например 2,3±0,30 мкм, например 2,3±0,20 мкм.
Специалист в данной области техники, работающий с пигментами на основе карбоната кальция, знаком с d-значениями. Для определения значений d можно использовать устройство Sedigraph 5100 или 5120 фирмы Micromeritics, США. Распределения частиц по размерам, приведенные в настоящем документе, определяли с использованием Micromeritics Sedigraph III с версией программного обеспечения V.1.04.
3
Предпочтительно первый и второй пигменты на основе СаСО представляют собой измельченный карбонат кальция (ИКК).
Связующее содержит сополимер стирола и бутадиена или сополимер стирола с акрилатом. Связующее на основе сополимера стирола и акрилата является предпочтительным из-за меньшего воздействия на здоровье человека и окружающую среду.
Отношение пигмента к связующему в расчете на сухую массу в пигментном покрытии находится в диапазоне от 100:16 до 100:20, предпочтительно от 100:16 до 100:19, приблизительно соответствует содержанию связующего в пределах примерно 13-17 масс. % в расчете на сухую массу в смеси пигмент-связующее. Когда связующее содержит сополимер стирола и акрилата, отношение в расчете на сухую массу предпочтительно находится в диапазоне от 100:16 до 100:20, предпочтительно от 100:16 до 100:19 например, от 100:16 до 100:18.
Температура стеклования (Tg) связующего предпочтительно находится в диапазоне от 3°С до 25°С, например от 15 до 25°С, например от 20 до 22°С.
Соответственно, содержание пигмента предпочтительно составляет 83-87%, например, 84,5-86,5% в расчете на сухую массу пигментного покрытия. Содержание связующего предпочтительно составляет 13,8-16,0%, например, 13,8-16,7%, например, 14,0-15,3% в расчете на сухую массу пигментного покрытия.
Содержание модификатора реологии обычно составляет 0,05-2,0%, например, 0,1-1,0% в расчете на сухую массу пигментного покрытия. Модификатор реологии может, например, представлять собой КМЦ или акриловый сополимер, например, набухающую в щелочи эмульсию (ASE) или гидрофобно модифицированную набухающую в щелочи эмульсию (HASE).
2
2
2
2
Масса покрытия в пигментном покрытии на лицевой стороне предпочтительно составляет 5-30 г/м, например, 6-25 м, например, 7-22 м, например, 8-20 г/м.
Между лицевой стороной картона-основы и пигментным покрытием может быть обеспечен слой предварительного покрытия, содержащий пигмент и связующее.
2
2
2
2
Оборотная сторона картона-основы может иметь пигментное покрытие оборотной стороны, которое необязательно имеет ту же композицию, что и пигментное покрытие лицевой стороны. Масса покрытия в пигментном покрытии оборотной стороны может составлять, например, 1-30 г/м, например, 5-25 м, например, 7-22 м, например, 8-20 г/м.
Также предложен способ получения картона с покрытием, включающий нанесение композиции пигментного покрытия на лицевую сторону картона-основы, причем лицевая сторона необязательно покрыта предварительным покрытием, характеризующийся тем, что композиция пигментного покрытия содержит компоненты, указанные выше.
Также предложено применение картона с покрытием в соответствии с вышеизложенным для изготовления упаковки, например, упаковки для пищевых продуктов или жидкостей.
ПРИМЕРЫ
Испытание 7
Картон был покрыт различными композициями пигментных покрытий (см. таблицу 1).
Компоненты композиций покрытий были следующими:
50
- Kaolux HS ("Глина"), каолиновая глина от Thiele, имеющая белизну (GE) 90, размер частиц 84% < 2 мкм, 69% < 1 мкм и медиану (d) 0,75 мкм и аспектное отношение 14;
3
50
75
98
- Hydrocarb 90 ("НС90"), пигмент на основе СаСО от Omya: широкое распределение частиц по размерам, d = 0,7 мкм, d= 1,2 мкм и d = 3,2 мкм;
3
50
75
98
- Covercarb 75 ("CC75"), пигмент на основе СаСО от Omya: узкое распределение частиц по размерам, d = 0,63 мкм, d = 1 мкм и d = 2,30 мкм;
- Стирол-акрилатный латекс ("Латекс").
Затем картон был отпечатан, и были измерены пятнистость STFI (для голубого цвета) и плотность печати (см. таблицу 1).
Образец 1 был включен в качестве эталонного образца, известного как обеспечивающего удовлетворительные свойства печати. Опыт показывает, что для пятнистости STFI разница в 0,03 может быть определена опытным специалистом, в то время как разница в 0,05 может быть определена средним потребителем.
3
3
3
3
Автор изобретения обнаружил, что использование относительно высокой доли пигмента на основе СаСО (и, таким образом, относительно низкой доли глиняного пигмента) в пигментной смеси улучшает адгезию ПЭ. Автор изобретения также обнаружил, что пигмент на основе СаСО, имеющий широкое распределение частиц по размерам, такой как НС90, приводит к особому улучшению адгезии ПЭ. Однако в таблице 1 показано, что если в качестве пигмента на основе СаСО используют только НС90 (образец 5), то получают относительно высокую пятнистость STFI. Если десять частей НС90 заменены на СС75 (образец 4), то пятнистость (пестрота) STFI при печати уменьшается. Если еще десять частей НС90 заменяют на СС75 (образец 3), в результате чего между двумя типами пигмента на основе СаСО получают массовое соотношение 70:20, то пятнистость STFI при печати еще более снижается. К удивлению, пятнистость STFI снова увеличивается, если еще десять частей НС90 заменяют на СС75 (образец 2).
Автор изобретения также обнаружил, что более высокое содержание связующего обычно приводит к лучшей адгезии ПЭ. Для удовлетворительного результата необходимо более 15 частей связующего. Однако сравнение образцов 10 и 3 в таблице 1 показывает, что при рассмотрении пятнистости STFI может быть предпочтительным обеспечить содержание связующего менее 19 частей, по меньшей мере когда связующим является сополимер стирола с акрилатом.
Испытание 2
Картон был покрыт предварительным покрытием и различными верхними покрытиями. Компоненты композиций покрытий были следующими:
- Kaolux G ("Глина"), каолиновая глина от Thiele, имеющая белизну (GE) 90, размер частиц 80-85% < 2 мкм;
3
50
75
98
- Covercarb 75 ("СС75"), пигмент на основе СаСО от Omya: узкое распределение частиц по размерам, d = 0,63 мкм, d = 1 мкм и d = 2,30 мкм;
3
50
75
98
- Hydrocarb 90 ("НС90"), пигмент на основе СаСО от Omya: широкое распределение частиц по размерам, d = 0,7 мкм, d= 1,2 мкм и d = 3,2 мкм;
- Стирол-акрилатный латекс ("Латекс"), Styron SA 95085.01;
- Модификатор реологии ("Rheo"), Coatex Rheocoat 66 (кислотная эмульсия акрилового сополимера).
Затем картон покрывали полиэтиленом (ПЭ) и измеряли Fmax и Favg (максимальное усилие и среднее усилие, определенное из испытания на отслаивание), которые характеризуют адгезию ПЭ. Способ измерения Fmax и Favg более подробно описан ниже. Композиции верхних покрытий и полученные значения F представлены в Таблице 2.
2
Для всех образцов композиция предварительного покрытия состояла из 20 частей глины, 80 частей НС60, 14 частей латекса и 0,26 частей Rheo. Вязкость предварительного покрытия составляла около 1400 мПа⋅с, а содержание в нем сухих веществ составляло около 65%. Масса покрытия в предварительном покрытии составляла 8,5 г/м.
2
Вязкость верхних покрытий составляла около 1300 мПа⋅с, а содержание в них сухих веществ составляло около 63%. Масса покрытия в верхних покрытиях составляла 11,5 г/м.
Таблица 2 показывает, что уменьшение количества латекса с 21 части (образец 2) до 19 частей (образец 3) приводил к увеличению Fmax от относительно низкого уровня (1,53) до удовлетворительного уровня (1,87). Дальнейшее уменьшение количества латекса до 17 частей (образец 4) привело к значительному увеличению Fmax до особенно высокого уровня (2,13). При 15 частях (образец 5) Fmax было снова ниже удовлетворительного уровня, и при 13 частях (образец 6) Fmax было даже ниже, чем при содержании 15 частей. Таким образом, испытание 2 подтверждает, что количество латекса должно составлять от 16 до 20 частей, что 16-19 частей латекса является предпочтительным диапазоном, и что 16-18 частей латекса является еще более предпочтительным диапазоном.
Таблица 2 также показывает, что для образцов, содержащих 60-90 частей НС90 и менее 20 частей глины, наблюдали получение удовлетворительных результатов по свойствам адгезии ПЭ, когда доля связующего (Латекса) составляла 17 или 19 частей. Напротив, для образцов, содержащих менее 60 частей НС90 и/или 20 или более частей глины, наблюдали ухудшение свойств адгезии ПЭ.
Способ измерения адгезии ПЭ
Неудовлетворительная адгезия нанесенного экструзией ПЭ к картону с пигментным покрытием почти всегда вызвана разрывом в слое пигментного покрытия, по меньшей мере в случае более слабых покрытий. Поэтому более правильным термином, чем «адгезия ПЭ», может быть «когезия слоя покрытия». Нижеприведенный способ разработан для определения того, как конечный продукт, например, упаковка для жидкости, ведет себя, когда его подвергают механическому напряжению при измерении когезии слоя покрытия. Для этого способа используют прибор производства Instron, но достаточно и любого качественного прибора для испытания на растяжение.
1. Один образец с нанесенным экструзией покрытием, 50-100 см* ширина полотна, отбирают из производства.
2. Осторожно делают надрез пленки ПЭ в поперечном направлении (CD) по отношению к направлению производства (MD).
3. Вручную отделяют ПЭ пленку от картона вдоль разреза.
4. Отрезают образцы 15 мм* 15 см так, чтобы получить отслоенную пленку с одного конца (15 мм CD и 15 см MD).
5. Помещают один образец за раз на колесо, как показано на фигуре 2, с помощью двойной клейкой ленты 3М 410 и отделяют пленку и закрепляют зажимом. Во время измерения колесо вращается с постоянным углом 90°. В случае очень высоких значений отслаивания пленка может растянуться или порваться. Это был именно такой случай, поэтому на поверхности ПЭ использовали прозрачную клейкую ленту 371 РР clear для того, чтобы сделать ее прочнее и измерить только силу адгезии между бумажным покрытием и ПЭ пленкой, а не растяжение ПЭ пленки толщиной приблизительно 20 мкм.
6. Начинают тянуть вверх с помощью Instron и записывают силу в Ньютонах (Н) и растяжение в мм. Выполняют измерение для длины 15 мм, 4 раза относительно направления производства (MD) и 4 раза против направления производства (MD).
7. Указывают полученные данные в следующем виде: максимальное в пределах свободной от ошибок области и среднее значение в Н/м между двумя точками на кривой, где сила является постоянной (Fmax и Favg, соответственно). В этом случае учитывали все данные между 1,5 и 13,5 мм, что означает, что данными из первых 10% и последних 10% измерений пренебрегли. Указывают среднее значение по 8 образцам, для 4 из которых испытание проводили в MD и для 4 - против MD.