Изделие из перерабатываемого материала с высокими барьерными свойствами на основе бумаги или картона
HIGH BARRIER RECYCLABLE PRODUCT BASED ON PAPER OR CARDBOARD

Изобретение относится к технологиям получения бумаги и картона.
2
2
Известна технология изготовления бумаги или картона по патенту RU 2518968 C2. На бумагу или картон наносят покрытие из водной дисперсии полимера на одной или более установках для нанесения покрытия, которые являются автономными относительно бумагоделательной или картоноделательной машины. Покрытие состоит из, по меньшей мере, двух слоев, контактирующих друг с другом. Каждый слой покрытия выполнен из водной дисперсии полимера, содержащей 70-90% связующей полимерной эмульсии и 10-30% масс.пигмента. Водная дисперсия полимера дополнительно содержит добавки, выбранные из группы, состоящей из загустителей, пеногасителей или противовспенивателей, диспергирующих добавок, сшивающих агентов, добавок, понижающих трение, разделительных агентов, антиадгезивов. Покрытие не содержит воск в обнаруживаемых количествах. В большинстве примеров, описанных в данном патенте, при формировании покрытия для получения нужного комплекса свойств комбинируется несколько типов композиций на основе различных акриловых и бутадиен-стирольных латексов. При этом состав самих латексов не детализируется. Например, первым слоем наносят композицию, обеспечивающую жиронепроницаемость, вторым слоем - композицию, обеспечивающую водонепроницаемость, третьим слоем - композицию, снижающую паропроницаемость и обеспечивающую термосвариваемость формируемого покрытия и т.д. Число слоев не ограничено, однако, как правило, их не более трех. Толщина каждого слоя от 5 до 10 г/м, а суммарная толщина покрытия не менее 15 г/м. Покрытие может наноситься как на одну, так и на обе стороны материала-основы. Нанесение покрытия осуществляется одним из известных способов нанесения водных покрытий: с помощью воздушного шабера, рифленого валика, дозирующего валика, гладким валиком с последующим удалением излишков с помощью стержня или шабера, поливом или разбрызгиванием. После нанесения покрытия обязательна высокотемпературная бесконтактная сушка материала.
2
2
Для нанесения данного типа покрытия пригодны бумага и картон с плотностью 130-488 г/м и с предварительным проклеиванием на картоноделательной машине для снижения влагопроницаемости основы до значений Кобб (60) не более 40 г/м.
2
2
2
2
При этом даже при нанесении двуслойного покрытия на основе бутадиен-стирольного латекса (первый слой) и акрилового латекса (второй слой) с суммарным привесом порядка 15 г/м, несмотря на высокую гидрофобность и маслостойкость формируемого покрытия, паропроницаемость (СППВ по методике ASTM E9) полученного материала составляет порядка 30-35 г/м, а при двуслойном покрытии на основе акриловых латексов - порядка 100-120 г/м. Т.е. показатели паропроницаемости получаемых материалов достаточно высоки, что не позволяет использовать получаемые материалы для долгосрочной упаковки многих продуктов питания, требующих при хранении паропроницаемости упаковки не более 20 г/м (например, хлебо-булочные изделия, крупы, злаковые хлопья, сахар и т.п.)
В патенте US 10961664 B2 описывается нанесение покрытия по близкой к приведенной выше технологии с возможностью формирования покрытия за счет нанесения на бумагу или картон многофазного полимерного связующего, состоящего из 5-60% водной дисперсии акрилового сополимера с высокой температурой стеклования (от 55 до 130°С) и высоким содержанием кислотных групп, 40-95% водной дисперсии стирол-акрилового сополимера без содержания кислотных групп с низкой температурой стеклования (от -40 до+40°С), 0-25% гидрофобной восковой эмульсии и 0-10% поверхностно-активного вещества из группы алкилсульфонатов, алкилсульфатов, алкилбензосульфатов, фосфатов, фосфинатов или жирных карбоксилатов.
2
2
Покрытие наносится в один или несколько слоев с привесом от 8 до 20 г/м (хотя оптимальные свойства достигаются в привесе 15-20 г/м при толщине покрытия 10-20 мкм), особенности технологии не конкретизируются. Требования к качеству бумаги и/или картона-основы также не предъявляются. Не приводится никаких данных ни о маслостойкости, ни о паропроницаемости получаемых образцов материала.
Технической проблемой является то, что бумага и картон с нанесенными на них покрытиями, обеспечивающими хорошие характеристики по барьерным свойствам, маслостойкости, паропроницаемости, пригодности к термосвариванию, малопригодны к повторной переработке.
Предлагается изделие из картона или бумаги, включающее нанесенное на поверхность изделия покрытие из гидрофобизирующей композиции. Покрытие из гидрофобизирующей композиции с температурой стеклования от+5 до+30°С нанесено по меньшей мере в один слой, гидрофобизирующая композиция содержит 80 - 95 масс. % водной дисперсии полимера, 3 - 10 масс. % восковой эмульсии, включающей воски с температурой плавления не менее 60°С, 0-10 масс. % наполнителя, причем водная дисперсия полимера синтезирована методом эмульсионной полимеризации мономеров в присутствии инициаторов, сополимеризуемых поверхностно-активных веществ и коллоидных стабилизаторов, а мономеры включают по меньшей мере стирол, эфиры акриловой и метакриловой кислот, виниловые мономеры, сополимеризуемые поверхностно-активные вещества включают неионогенные, по меньшей мере аллилполиалкиленгликоли, и анионные, по меньшей мере аллилполиалкиленгликольсульфонаты натрия и/или аммония со степенью этоксилирования от 10 до 40.
В частном случае водная дисперсия полимера дополнительно содержит загустители и/или пеногасители и/или антивспениватели и/или диспергаторы.
В частном случае восковая эмульсия включает натуральные воски: пчелиный воск и/или карнаубский воск и/или воск из рисовых отрубей и высокоочищенные синтетические воски, допустимые к применению в пищевой промышленности.
В частном случае наполнителем является мел или тальк.
Техническим результатом является получение материала на основе бумаги и картона, с одной стороны хорошо пригодного для повторной переработки, с другой стороны, обладающего способностью к термосвариванию и комплексом барьерных свойств, необходимых для использования в качестве основы для одноразовой упаковки и посуды.
Технология заключается в нанесении на картон или бумагу-основу гидрофобизирующей композиции на основе водной дисперсии полимера. Покрытие состоит из по меньшей мере одного слоя гидрофобизирующей композиции. Гидрофобизирующая композиция содержит от 3% до 10% восковой эмульсии и от 80% до 95% водной дисперсии полимера. Водная дисперсия полимера синтезируется методом эмульсионной полимеризации мономеров (стирол, эфиры (мет)акриловой кислот, виниловые мономеры) в присутствии инициаторов и сополимеризуемых поверхностно-активных веществ и коллоидных стабилизаторов. Водная дисперсия полимера дополнительно может содержать добавки, выбранные из группы, состоящей из загустителей, пеногасителей, антивспенивателей, диспергаторов.
2
2
Предлагаемая технология позволяет получить картон или бумагу, пригодные к вторичной переработке и компостированию, обладающие оптимальным комплексом барьерных свойств, в том числе низкой паропроницаемостью и кислородопроницаемостью, а также способностью к термосвариванию для формирования герметичной упаковки за счет нанесения на картон или бумагу, путем нанесения на картон или бумагу-основу по меньшей мере одного слоя гидрофобизирующей композиции с привесом не менее 4 г/м. Число слоев покрытия, наносимого с использованием одной и той же композиции может варьироваться в зависимости от параметров машины, на которой осуществляется нанесение, и жестко не ограничено, однако, исходя из практики, нанесение более чем трех последовательных слоев с привесом не менее 4 г/м каждый, не рационально как с экономической точки зрения, так и с точки зрения оптимизации свойств формируемого покрытия.
Столь значительное повышение барьерных свойств обусловлено уникальным составом предлагаемых в данном патенте гидрофобизирующих композиций, состоящих из водной сополимерной дисперсии в количестве от 80 до 95%, гидрофобной восковой эмульсии в количестве от 3 до 15% и наполнителя в количестве от 0 до 10%.
Сополимерная дисперсия представляет собой сополимер акриловых, метакриловых и виниловых эфиров, стирола и (мет) акриловой кислоты, с температурой стеклования от +5 до +30°С, полученный методом эмульсионной полимеризации в присутствии сополимеризуемых ПАВ, как неионогенных, таких как аллилполиалкиленгликоли, так и анионных, таких как аллилполиалкиленгликольсульфонаты натрия или аммония со степенью этоксилирования от 10 до 40. За счет использования ПАВ, входящих в состав полимера в ходе полимеризации, формируется более плотная пленка, с более высокими барьерными свойствами по сравнению с со стандартными сополимерными дисперсиями, получаемыми эмульсионной полимеризацией в присутствии стандартных ПАВ, таких как алкилсулфонаты, алкилсулфаты, алкилбензосулфаты, фосфаты, фосфинаты или жирные карбоксилаты.
Гидрофобизирующая восковая эмульсия входящая в состав композиции представляет собой эмульсию натуральных восков, таких как пчелиный воск, карнаубский воск, воск из рисовых отрубей, или высокоочищенных синтетических восков, допустимых к применению в пищевой промышленности, эмульгированных с помощью анионных и/или неионогенных ПАВ.
Также гидрофобизирующая композиция может содержать от 0 до приблизительно 10% масс.инертного наполнителя, такого как мел или тальк.
Также композиция может включать добавки, такие как пеногасители или противовспениватели, тарные консерванты, допустимые к применению в составах, контактирующих с продуктами питания.
Нанесение гидрофобизирующей композиции на бумагу или картон может осуществляться на стандартных машинах, применяемых для нанесения покрытий на бумагу, картон или полимерные пленки. Это могут быть как отдельные установки, автономные относительно картоноделательной машины, так и являться частью картоноделательной машины.
Блоки нанесения могут иметь различную конструкцию, например, как на машинах шаберного типа, на машинах с нанесением покрытия с удалением излишков с помощью планки (стержня), с нанесением покрытия реверсивным валом, в том числе гравированным, с нанесением покрытия дозирующим валиком, рифленым валиком, с нанесением покрытия поливом или разбрызгиванием через форсунки.
Обязательным узлом машины, необходимым для получения картона или бумаги по патентуемой технологии является сушильная камера с интенсивным воздухообменом и возрастающим температурным профилем.
Сушка покрытия после нанесения осуществляется при температуре от 65 до 90°С в зависимости от размера сушильной камеры, толщины слоя покрытия и скорости движения бумажного полотна в машине.
Рекомендуется охлаждение бумажного полотна с покрытием после выхода его из сушильной камеры перед намоткой в рулон для предотвращения прилипания термосвариваемой поверхности при наматывании материала на катушки для хранения.
2
2
2
2
Масса 1 м используемых в качестве основы бумаги или картона предпочтительно составляет от 40 г/м до 488 г/м. Предварительная обработка бумаги или картона-основы путем дополнительного проклеивания для минимизации водопроницаемости не регламентируется, однако, при использовании волокнистого материала с водонепроницаемостью, измеренной по методу Кобба (60 с) более 40 г/м, может потребовать нанесение дополнительного слоя гидрофобизирующей композиции для обеспечения необходимого комплекса барьерных свойств.
2
Необходимый комплекс барьерных свойств достигается при нанесении однослойного или двуслойного покрытия с использованием одной и той же гидрофобизирующей композиции с общим привесом от 4 г/м
Материал, получаемый предложенным способом при обработке бумаги или картона описываемой гидрофобизирующей композицией, пригоден к вторичной переработке в качестве макулатурного сырья на стандартных бумаго- и картоноделательных машинах без предварительного отделения картона/бумаги-основы от полимерного слоя. Использование данного комбинированного материала в процессе переработки макулатуры в бумажную массу не несет вредного воздействия на качество вырабатываемого картона.
Пример 1. Гидрофобизирующая композиция состоит из сополимерной стирол-акриловой дисперсии с температурой стеклования в пределах от +5 до +30°С, содержащей в своем составе не менее 40% воды, от 10% до 40% стирола, от 10% до 40% бутилакрилата и от 1% до 5% акриловой и метакриловой кислоты, виниловые мономеры, а также анионные и неионогенные сополимеризуемые ПАВ, такие как аллилполиалкиленгликоль со степенью этоксилирования (ЕО) от 20 до 40 и аллилполиалкиленгликольсульфонат натрия со степенью этоксилирования (ЕО) от 10 до 30 в количестве от 0,5 до 3% массовых, а также от 3% до 7% восковой эмульсии на основе очищенных модифицированных парафиновых восков с температурой плавления не менее 60°С, и от 5% до 15% карбоната кальция в качестве минерального наполнителя.
2
2
2
2
При однослойном нанесении данной гидрофобизирующей композиции на картон с плотностью 260 г/м и влаговпитываемостью при одностороннем смачивании (Кобб 120) порядка 40 г/м на машине, расположенной автономно от картоноделательной машины, с помощью вала травления и последующей сушкой при температуре 70°С, был сформирован слой покрытия с привесом порядка 6-7 г/м, обеспечивающий снижение влаговпитываемости материала при одностороннем смачивании (Кобб 180) до 6-7 г/м.
2
2
2
2
2
2
-15
3
2
Нанесение двуслойного покрытия на этот картон с помощью этого же вала травления с промежуточной сушкой слоев при температуре 70°С, с весом одного слоя порядка 5-7 г/м и суммарным весом полученного покрытия 12-13 г/м или однослойного покрытия с аналогичным привесом с помощью гладкого вала с удалением излишков композиции ракелем приводит к снижению влаговпитываемости полученного материала при одностороннем смачивании до 1,5-2 г/м (Кобб 180) или 2-4 г/м (Кобб 300) или 5-7 г/м (Кобб 1200). Жиропроницаемость сформированного покрытия равна 0 (определение жиропроницаемости при помощи фуксина по ГОСТ 13525.13-69, а также по степени замасливания касторовым маслом при температуре 23±2°С в течение 48 часов). Паропроницаемость материала по ГОСТ 21272-81 оставляет 10,5±1,8 г/м/24 часа. Коэффициент газопроницаемости по кислороду по ISO 15105-1 составляет 2,326*10 см*см/см*с*Па.
Пример 2. Гидрофобизирующая композиция, содержащая не менее 90% и не более 97% сополимерной акриловой дисперсии с температурой стеклования в пределах от +5 до +30°С, полученной методом эмульсионной полимеризацией в присутствии сополимеризуемых ПАВ (аллилполиалкиленгликоль со степенью этоксилирования (ЕО) от 20 до 40 и аллилполиалкиленгликольсульфонат аммония со степенью этоксилирования (ЕО) от 10 до 30 в количестве от 0,5 до 3% массовых) и не менее 3% и не более 10% восковой эмульсии на основе натурального воска с температурой плавления не менее 80°С.
2
2
2
2
2
2
2
При однослойном нанесении данной гидрофобизирующей композиции на картон с плотностью 260 г/м и влаговпитываемостью при одностороннем смачивании (Кобб 120) не менее 40 г/м с помощью гладкого вала с удалением излишков композиции ракелем было сформировано покрытие с привесом порядка 13-15 г/м. Влаговпитываемость при одностороннем смачивании полученного материала снизилась до 1 г/м (Кобб180) или 1-3 г/м (Кобб 300) или 4-5 г/м (Кобб 1200). Жиропроницаемость сформированного покрытия равна 0 (определение жиропроницаемости при помощи фуксина по ГОСТ 13525.13-69, а также по степени замасливания касторовым маслом при температуре 23±2°С в течение 48 часов). Паропроницаемость материала по ГОСТ 21272-81 оставляет 11,3±0,5 г/м/24 часа
2
2
2
2
2
2
2
-15
3
2
При двуслойном нанесении данной гидрофобизирующей композиции с помощью вала травления с межслойной сушкой при температуре 70°С, привесом каждого слоя порядка 2-3 г/м и суммарным привесом сформированного покрытия порядка 5-6 г/м на бумагу плотностью 40 г/м и влаговпитываемостью более 40 г/м (Кобб 15), влаговпитываемость полученного материала падает до 2-3 г/м (Кобб 60) или 5-6 г/м (Кобб 120). Жиростойкость сформированного покрытия равна 0 (определение жиропроницаемости при помощи фуксина по ГОСТ 13525.13-69, а также по степени замасливания касторовым маслом при температуре 23±2°С в течение 48 часов). Паропроницаемость материала по ГОСТ 21272-81 оставляет 10,2±0,8 г/м/24 часа. Коэффициент газопроницаемости по кислороду по ISO 15105-1 составляет 2,8*10 см*см/см*с*Па.
2
2
2
2
2
2
-15
3
2
При однослойном нанесении данной гидрофобизирующей композиции на бумагу с дополнительным каландрированием и исходной поверхностной впитываемостью порядка 35 г/м (Кобб 60) с помощью вала травления с последующей сушкой при температуре 100°С с привесом порядка 4 г/м был получен материал с поверхностной влаговпитываемостью порядка 1-2 г/м (Кобб 60) и 2-3 г/м (Кобб 120) и 5-6 г/м (Кобб 300). Жиростойкость сформированного покрытия равна 0 (определение жиропроницаемости при помощи фуксина по ГОСТ 13525.13-69, а также по степени замасливания касторовым маслом при температуре 23±2°С в течение 48 часов). Паропроницаемость материала по ГОСТ 21272-81 оставляет 11,2±0,8 г/м/24 часа. Коэффициент газопроницаемости по кислороду по ISO 15105-1 составляет 6,8*10 см*см/см*с*Па.