УЛУЧШЕННАЯ ФИЛЬТРОВАЛЬНАЯ БУМАГА
IMPROVED FILTER PAPER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к фильтровальной бумаге для изготовления водных экстрактов, в частности, для заваривания чая, кофе и других настаиваемых напитков и к изготавливаемому из этой бумаги пакету, в частности, чайному пакетику. Соответствующая изобретению фильтровальная бумага отличается небольшим содержанием или полным отсутствием обычно применяемых волокон абаки или сизаля, а также отличным от известного уровня техники профилем свойств. Несмотря на это, соответствующая изобретению фильтровальная бумага при применении демонстрирует, по меньшей мере, такую же функциональную способность, как и фильтровальная бумага известного уровня техники.
ПРЕДПОСЫЛКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для изготовления водных экстрактов, в частности, для заваривания чая, кофе и других настаиваемых напитков экстрагируемый материал, например, измельченные чайные листья обычно сначала в определенном количестве помещают в пакет из специальной фильтровальной бумаги. Пакет закрывают и для изготовления настаиваемого напитка погружают на определенное время обычно в горячую воду, после чего снова вынимают из воды. Также известен способ, в соответствии с которым пакет не закрывают, а погружают в воду подвешенным. Существенным достоинством использования такого пакета является простое обращение, предварительное разделение на порции подлежащего экстрагированию материала и простое устранение экстрагированного материала из воды.
Несмотря на такое, казалось бы, несложное применение, к фильтровальной бумаге все же предъявляются довольно высокие требования. Фильтровальная бумага не должна разлагаться в воде, чтобы подлежащий экстрагированию материал оставался в пакете. Она должна обладать высокой пористостью, чтобы вода путем естественной или принудительной конвекции могла легко притекать к экстрагируемому материалу, и изготовление экстракта не занимало много времени. Кроме этого, поры в фильтровальной бумаге не должны быть слишком большими, чтобы маленькие частицы подлежащего экстрагированию материала не выпадали через фильтровальную бумагу и не попадали в экстракт. Это свойство оценивают путем так называемого выпадения песка.
Кроме этого, фильтровальная бумага сама по себе не должна выделять в воду никаких нежелательных веществ или запахов. Наконец, фильтровальная бумага должна обладать механическими свойствами, делающими возможным промышленное изготовление пакета с высокой скоростью. Это, например, механическая прочность и пластичность, шероховатость или пригодность для термосварки.
В известном уровне техники фильтровальную бумагу для этих целей обычно изготавливают из волокон, получаемых из абаки (Musa textilis), растения семейства банановых. Однако, эти волокна, также называемые манильская конопля или манильская пенька, не имеют никакого ботанического отношения к конопле (Cannabis). Согласно известному уровню техники, только эти волокна позволяют производить фильтровальную бумагу с большой однородной пористостью, небольшим удельным весом и высокой прочностью. Одной из альтернатив являются волокна сизаля (Agave sisalana), растения рода абаки, которые ошибочно называют также сизальской пенькой.
Оба вида волокон, особенно, однако, это относится к волокнам абаки, находятся в ситуации, когда из-за небольшого спроса и только специального применения имеется мало поставщиков, и качество волокон сильно колеблется. Поэтому производство фильтровальной бумаги оказывается относительно затруднительным и дорогостоящим. До сих пор, однако, эксперименты по изготовлению фильтровальной бумаги без применения волокон абаки или сизаля не имели коммерческого успеха, так как в большинстве случаев не удавалось достичь технических свойств фильтровальной бумаги, содержащей такие волокна.
Доля волокон абаки или сизаля в фильтровальной бумаге известного уровня техники составляет вообще более 25% массы бумаги.
Помимо волокон абаки или сизаля фильтровальная бумага часто содержит также синтетические волокна, в частности, термопластичные волокна, благодаря которым фильтровальная бумага становится пригодной для термосварки, так что закрытый пакет из такой фильтровальной бумаги может быть сравнительно просто изготовлен путем сваривания самой бумаги, и никакой другой материал для закрывания пакета не требуется.
Часто фильтровальная бумага содержит средство для повышения прочности во влажном состоянии, чтобы обеспечить механическую прочность во время изготовления водного экстракта.
При производстве из фильтровальной бумаги пакетов применяют способы соединения друг с другом двух слоев фильтровальной бумаги. К этим способам относится сварка при повышенной температуре, возможная благодаря применению термопластичных волокон, или накатывание рифлений, заключающееся в соединении путем приложения высокого давления с выполнением тисненого узора. Также возможно применение сочетания этих способов.
Таким образом, имеется потребность в максимально возможном уменьшении доли волокон абаки или сизаля в фильтровальной бумаге путем их замены другими более дешевыми, легкодоступными волокнами неизменного качества без ущерба для пригодности этой фильтровальной бумаги для применения при изготовлении водных экстрактов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в обеспечении фильтровальной бумаги пригодной для изготовления водных экстрактов, в частности, таких настаиваемых напитков, как чай или кофе, которая содержит значительно меньше или не содержит волокна абаки или сизаля. При этом фильтровальная бумага должна обладать такими же функциональными способностями при изготовлении водного экстракта, что и обычная фильтровальная бумага.
Эта задача решена посредством бумаги по пункту 1, способа ее производства по пункту 24 и пакета, производимого из соответствующей изобретению фильтровальной бумаги по пункту 30 формулы изобретения.
Авторами изобретения неожиданно обнаружено, что поставленная задача может быть решена посредством фильтровальной бумаги, которая содержит длинноволокнистую целлюлозу и обладает следующими свойствами:
2
2
- удельный вес более 9,0 г/м и менее 13,5 г/м,
3
3
- плотность более 280 кг/м и менее 350 кг/м,
- шероховатость более 700 мл/мин и менее 1300 мл/мин.
- сопротивление изгибу в продольном машинном направлении более 50 мН и менее 75 мН,
- воздухопроницаемость более 17000 см/(мин·кПа) и менее 26000 см/(мин·кПа),
при этом фильтровальная бумага либо свободна от волокон абаки и сизаля, либо, если волокна абаки и/или сизаля присутствуют, вместе они составляют менее 20% массы бумаги.
Такое решение поставленной задачи является неожиданным, так как профиль свойств соответствующей изобретению фильтровальной бумаги в большинстве пунктов отличается от свойств фильтровальной бумаги известного уровня техники. Испробованный до сих пор подход, а именно, без использования волокон абаки или сизаля получить такие же свойства бумаги, которыми обладает фильтровальная бумага, содержащая такие волокна, был очевидно неудачным. Ошибочно исходили из того, что желаемые функциональные способности при изготовлении водного экстракта могут быть достигнуты только при наличии таких свойств бумаги.
В противоположность этому, авторы изобретения создали фильтровальную бумагу, которая, хотя ее свойства и отличаются от свойств фильтровальной бумаги известного уровня техники, в отношении функциональной способности при изготовлении водных экстрактов наверняка не уступает фильтровальной бумаге известного уровня техники. В частности, авторами изобретения обнаружено, что этот результат может быть достигнут при величинах шероховатости, сопротивления изгибу и воздухопроницаемости, которые меньше соответствующих величин фильтровальной бумаги известного уровня техники, а также плотности, которая больше, чем у фильтровальной бумаги известного уровня техники. Такое сочетание свойств может быть получено посредством особой механической обработки, более подробно описываемой ниже.
Соответствующая изобретению фильтровальная бумага содержит длинноволокнистую целлюлозу. Длинноволокнистая целлюлоза может быть получена из хвойных деревьев, таких как ель, сосна или пихта. Она придает фильтровальной бумаге высокую прочность и воздухопроницаемость, однако, при этом не достигаются те же значения, что и у волокон абаки или сизаля.
Доля длинноволокнистой целлюлозы в фильтровальной бумаге составляет предпочтительно по меньшей мере 70%, особенно предпочтительно по меньшей мере 80%, еще более предпочтительно по меньшей мере 90% относительно массы фильтровальной бумаги. В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления вся присутствующая в фильтровальной бумаге целлюлоза является длинноволокнистой.
В качестве альтернативы, длинноволокнистая целлюлоза частично или полностью может быть заменена целлюлозой однолетних растений, таких как пенька, лен, кенаф или джут, за исключением абаки или сизаля. Впрочем, целлюлоза однолетних растений не является предпочтительной, так как она сравнительно дороже, при изготовлении бумаги плохо дренируется, и, подобно волокнам абаки и сизаля, ее качество может быть непостоянным.
Совокупная доля волокон абаки и сизаля составляет менее 20%, предпочтительно менее 10%, особенно предпочтительно менее 5% массы фильтровальной бумаги. В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления, соответствующая изобретению фильтровальная бумага по существу, то есть с точностью до обусловленных процессом загрязнений, не содержит волокон абаки и сизаля.
Соответствующая изобретению фильтровальная бумага может содержать коротковолокнистую целлюлозу. Коротковолокнистая целлюлоза может быть получена из лиственных деревьев, таких как береза, бук или эвкалипт. Коротковолокнистая целлюлоза увеличивает объем фильтровальной бумаги и уменьшает выпадение песка, однако также снижает прочность, поэтому ее доля в соответствующей изобретению бумаге должна быть сравнительно небольшой. Предпочтительно, доля коротковолокнистой целлюлозы в соответствующей изобретению фильтровальной бумаге составляет самое большее 20%, особенно предпочтительно самое большее 10%, предпочтительно по меньшей мере 2%, особенно предпочтительно по меньшей мере 5% массы бумаги.
Соответствующая изобретению фильтровальная бумага может содержать термопластичные волокна. Эти волокна могут содержать термопластичный материал, выбранный предпочтительно из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, полиэфира, такого как полиэтилентерефталат, полиамида, полиметакрилата, полиакрилата, поливинилацетата, поливилилового спирта и полилактида или их смесей. Также предпочтительно могут быть использованы двухкомпонентные волокна. Термопластичные волокна делают фильтровальную бумагу пригодной для термосварки или улучшают другие свойства фильтровальной бумаги, такие как структура пор или впитывающая способность. Предпочтительно доля термопластичных волокон в соответствующей изобретению фильтровальной бумаге составляет по меньшей мере 5%, особенно предпочтительно по меньшей мере 10%, предпочтительно самое большее 30%, особенно предпочтительно самое большее 20% относительно массы фильтровальной бумаги.
Соответствующая изобретению фильтровальная бумага также может содержать волокна регенерированной целлюлозы, предпочтительно, вискозные волокна или волокна Tencel, которые оказывают влияние на структуру пор и другие свойства фильтровальной бумаги. Доля волокон регенерированной целлюлозы составляет предпочтительно самое большее 15%, особенно предпочтительно самое большее 10% массы фильтровальной бумаги.
Во многие сорта бумаги вводят наполнители для повышения непрозрачности или белизны бумаги или для замены целлюлозы более дешевыми материалами. В соответствующей изобретению бумаге наполнители могут быть выбраны, например, из группы, состоящей из карбоната кальция, карбоната магния, гидроксида магния, гидроксида алюминия, силикатов магния, силикатов алюминия, каолина и талька или их смесей. Однако, поскольку наполнители снижают прочность фильтровальной бумаги, в соответствующей изобретению фильтровальной бумаге их присутствие нежелательно. Предпочтительно, доля наполнителей в соответствующей изобретению фильтровальной бумаге составляет менее 10% массы бумаги, особенно предпочтительно менее 5% массы бумаги, еще более предпочтительно соответствующая изобретению фильтровальная бумага не содержит наполнитель.
Другие компоненты соответствующей изобретению фильтровальной бумаги, такие как средство обеспечения прочности во влажном состоянии или средство повышения прочности, например, крахмал, гуар или карбоксиметилцеллюлоза, могут быть подобраны специалистами в данной области, исходя из опыта. Специалисты также могут подобрать согласно опыту технологическую добавку, например, удерживающую добавку для производства соответствующей изобретению фильтровальной бумаги.
2
2
2
2
2
2
Соответствующая изобретению фильтровальная бумага характеризуется удельным весом по меньшей мере 9,0 г/м, предпочтительно по меньшей мере 10,0 г/м, особенно предпочтительно по меньшей мере 11,0 г/м и самое большее 13,5 г/м, предпочтительно самое большее 13,2 г/м, особенно предпочтительно самое большее 13,0 г/м. Чем больше удельный вес фильтровальной бумаги, тем выше ее прочность, однако, также и расход материала. Удельный вес может быть измерен, например, согласно стандарту ISO 536:2012.
3
3
3
3
3
3
3
Плотность фильтровальной бумаги, наряду с воздухопроницаемостью, является важным фактором, влияющим на скорость, с которой может быть изготовлен водный экстракт с использованием данной фильтровальной бумаги. Вообще, фильтровальная бумага известного уровня техники имеет по возможности небольшую плотность, менее 280 кг/м. Однако, соответствующая изобретению фильтровальная бумага, благодаря специальной механической обработке при изготовлении, имеет большую плотность по меньшей мере 280 кг/м, предпочтительно по меньшей мере 290 кг/м, особенно предпочтительно по меньшей мере 300 кг/м и самое большее 350 кг/м, предпочтительно самое большее 340 кг/м, особенно предпочтительно самое большее 330 кг/м. Проведенные авторами изобретения эксперименты показали, что такая высокая плотность не наносит ущерб процессу изготовления водного экстракта.
Удельный вес, плотность и толщина являются тесно связанными параметрами; соответствующая изобретению фильтровальная бумага предпочтительно имеет толщину по меньшей мере 38 мкм, особенно предпочтительно по меньшей мере 40 мкм, еще более предпочтительно по меньшей мере 41 мкм и, предпочтительно самое большее 48 мкм, особенно предпочтительно самое большее 46 мкм, еще более предпочтительно самое большее 45 мкм. Благодаря специальной механической обработке, толщина соответствующей изобретению фильтровальной бумаги меньше толщины обычной фильтровальной бумаги. Меньшая толщина может способствовать более быстрому транспорту воды через фильтровальную бумагу и, таким образом, увеличению скорости изготовления водного экстракта. Кроме этого, небольшая толщина позволяет намотать на рулон фильтровальной бумаги при данном наружном диаметре больше фильтровальной бумаги в пересчете на площадь поверхности. При последующей обработке фильтровальной бумаги имеющиеся конструктивные условия технологического оборудования накладывают ограничения на максимальный наружный диаметр рулона фильтровальной бумаги, так что за одну смену рулона из соответствующе изобретению фильтровальной бумаги можно, например, изготовить больше пакетов, так как на количество производимых пакетов влияет только площадь поверхности фильтровальной бумаги. Таким образом, уменьшается количество смен рулона, поэтому может быть увеличена производительность.
Плотность и толщина индивидуального слоя фильтровальной бумаги могут быть измерены, например, согласно стандарту ISO 534:2011.
Шероховатость соответствующей изобретению фильтровальной бумаги имеет техническое значение для дальнейшей переработки фильтровальной бумаги, в частности, при меньшей шероховатости уменьшается выделение пыли во время дальнейшей переработки. Однако, небольшая шероховатость также воспринимается потребителями как показатель качества. Соответствующая изобретению фильтровальная бумага характеризуется шероховатостью по меньшей мере 700 мл/мин, предпочтительно по меньшей мере 800 мл/мин, особенно предпочтительно по меньшей мере 850 мл/мин и самое большее 1300 мл/мин, предпочтительно самое большее 1200 мл/мин, особенно предпочтительно самое большее 1100 мл/мин. Шероховатость может быть измерена, например, согласно стандарту ISO 8791-2:2013.
Для изготовления водного экстракта с использованием соответствующей изобретению фильтровальной бумаги важное значение имеет воздухопроницаемость фильтровальной бумаги. При большой воздухопроницаемости возможно, чтобы при изготовлении экстракта вода посредством естественной или принудительной конвекции сравнительно легко протекала сквозь фильтровальную бумагу, вытесняла воздух, и, следовательно, чтобы экстракт был приготовлен за более короткое время. Соответствующая изобретению фильтровальная бумага характеризуется воздухопроницаемостью по меньшей мере 17000 см/(мин·кПа), предпочтительно по меньшей мере 18000 см/(мин·кПа), особенно предпочтительно по меньшей мере 19000 см/(мин·кПа) и самое большее 26000 см/(мин·кПа), предпочтительно самое большее 25000 см/(мин·кПа), особенно предпочтительно самое большее 24000 см/(мин·кПа). Таким образом, воздухопроницаемость соответствующей изобретению фильтровальной бумаги меньше, чем обычной фильтровальной бумаги. Однако, эксперименты показали, что это не является недостатком. Измерение воздухопроницаемости может быть проведено, например, согласно стандарту ISO 2965:2009.
Соответствующая изобретению фильтровальная бумага может характеризоваться рядом механических параметров, таких как сопротивление изгибу, удлинение при разрыве, прочность на растяжение и энергоемкость. Для измерения этих свойств из фильтровальной бумаги вырезают тест-купоны, при этом данные зависят от того, в каком направлении вырезаны тест-купоны. При измерении указанных параметров различают продольное направление бумаги, т.е., направление, в котором фильтровальная бумага проходит через бумагоделательную машину в процессе изготовления, и поперечное направление. т.е., направление на плоскости бумаги, перпендикулярное продольному направлению бумаги.
Сопротивление фильтровальной бумаги изгибу имеет значение для производства из этой фильтровальной бумаги пакетов и, вообще, для машинной обработки фильтровальной бумаги. Оно не должно быть слишком большим, чтобы фильтровальная бумага при производстве пакета не развивала слишком большого возвратного усилия. Сопротивление изгибу фильтровальной бумаги, соответствующей изобретению, в продольном направлении бумаги составляет по меньшей мере 50 мН, предпочтительно по меньшей мере 55 мН, особенно предпочтительно по меньшей мере 58 мН и самое большее 75 мН, предпочтительно самое большее 73 мН, особенно предпочтительно самое большее 72 мН. Таким образом, сопротивление соответствующей изобретению фильтровальной бумаги изгибу в продольном машинном направлении меньше, чем у фильтровальной бумаги известного уровня техники, которая часто характеризуется сопротивлением изгибу в продольном машинном направлении более 80 мН. Из этого следует дополнительное преимущество при машинной обработке фильтровальной бумаги. Малое сопротивление изгибу фильтровальной бумаги, соответствующей изобретению, достигнуто благодаря небольшому содержанию волокон абаки и сизаля.
В поперечном направлении сопротивление соответствующей изобретению фильтровальной бумаги изгибу должно быть еще меньше. Сопротивление изгибу в поперечном направлении должно составлять предпочтительно по меньшей мере 15 мН, особенно предпочтительно по меньшей мере 18 мН, еще более предпочтительно по меньшей мере 20 мН и самое большее 28 мН, особенно предпочтительно самое большее 26 мН, еще более предпочтительно самое большее 25 мН. Таким образом, сопротивление изгибу в поперечном направлении соответствующей изобретению фильтровальной бумаги также меньше, чем сопротивление изгибу в поперечном направлении обычной фильтровальной бумаги, которое обычно составляет по меньшей мере около 30 мН.
Сопротивление фильтровальной бумаги изгибу, как в продольном направлении бумаги, так и в поперечном направлении, может быть измерено согласно стандарту ISO 2493-1:2010, при этом измеряют силу, приложенную для достижения определенной деформации, которую и считают величиной сопротивления изгибу.
Удлинение фильтровальной бумаги при разрыве имеет значение для механической обработки фильтровальной бумаги. Вообще, большая величина удлинения при разрыве является преимуществом, так как тогда фильтровальная бумага может компенсировать небольшие различия скорости в технологическом оборудовании, однако, оно не должно быть слишком большим, так как тогда сложно даже при небольшой нагрузке нарезать фильтровальную бумагу на куски определенной величины. Удлинение при разрыве в продольном направлении бумаги соответствующей изобретению фильтровальной бумаги составляет предпочтительно по меньшей мере 1,0%, предпочтительно по меньшей мере 1,2%, предпочтительно самое большее 2,0%, особенно предпочтительно самое большее 1,8%. Удлинение при разрыве в поперечном направлении соответствующей изобретению фильтровальной бумаги составляет предпочтительно по меньшей мере 1,8%, особенно предпочтительно по меньшей мере 2,4%, предпочтительно самое большее 3,8%, особенно предпочтительно самое большее 3,4%. Тот факт, что удлинение при разрыве в продольном машинном направлении и в поперечном направлении относительно подобны, является следствием специальной механической обработки, благодаря которой структура бумаги уплотняется. Таким образом, он является дополнительным преимуществом соответствующей изобретению фильтровальной бумаги.
Прочность фильтровальной бумаги на растяжение, прежде всего, в продольном направлении бумаги должна быть достаточно большой, чтобы фильтровальная бумага не рвалась в процессе изготовления и обработки. Прочность на растяжение в продольном направлении бумаги фильтровальной бумаги, соответствующей изобретению, составляет предпочтительно по меньшей мере 11,5 Н/15 мм, особенно предпочтительно по меньшей мере 12,0 Н/15 мм и, предпочтительно самое большее 15,0 Н/15 мм, особенно предпочтительно самое большее 14,0 Н/15 мм.
В поперечном направлении прочность на растяжение фильтровальной бумаги, соответствующей изобретению, составляет предпочтительно по меньшей мере 2,5 Н/15 мм, особенно предпочтительно по меньшей мере 3,0 Н/15 мм и, предпочтительно самое большее 5,0 Н/15 мм, особенно предпочтительно самое большее 4,5 Н/15 мм. Удлинение при разрыве и прочность на растяжение, как в продольном направлении бумаги, так и в поперечном направлении, могут быть измерены согласно стандарту ISO 1924-2:2008.
2
2
2
2
Для обработки соответствующей изобретению фильтровальной бумаги имеет значение и ее энергоемкость, которая также может быть оценена согласно стандарту ISO 1924-2:2008. Энергоемкость явствует, например, из характера изменения кривой нагрузка - удлинение при постоянной скорости растяжения фильтровальной бумаги. При большой энергоемкости облегчается машинная обработка фильтровальной бумаги, так как фильтровальная бумага может воспринимать нагрузки при обработке без разрывов или длительной деформации. Соответствующая изобретению фильтровальная бумага характеризуется энергоемкостью в продольном направлении бумаги предпочтительно по меньшей мере 6,0 Дж/м, особенно предпочтительно по меньшей мер, 7,0 Дж/м и предпочтительно самое большее 11,0 Дж/м, особенно предпочтительно самое большее 10,0 Дж/м.
Производство фильтровальной бумаги может, главным образом, следовать обычным способам производства бумаги. На первой стадии длинноволокнистую целлюлозу суспендируют в воде и размалывают в измельчителе. Во время измельчения волоконца волокон целлюлозы освобождаются, поверхность волокон увеличивается, благодаря чему увеличивается прочность изготавливаемой из них фильтровальной бумаги, однако при этом уменьшается ее воздухопроницаемость. Кроме того, при интенсивном размоле волокна целлюлозы укорачиваются, из-за чего уменьшается прочность бумаги. Специалисты на основании своего опыта или путем проведения небольшого количества экспериментов могут установить надлежащую степень размола, являющуюся компромиссом между прочностью и воздухопроницаемостью.
Коротковолокнистую целлюлозу, синтетические волокна или другой волокнистый материал - если они есть - также суспендируют в воде, они также могут быть размолоты, впрочем, коротковолокнистую целлюлозу и синтетические волокна, предпочтительно, не размалывают. Суспензии длинноволокнистой целлюлозы и, если нужно, коротковолокнистой целлюлозы, других волокон, необязательных наполнителей, добавок и технологических добавок могут быть соединены и поданы в напуск бумажной массы бумагоделательной машины. Предпочтительно бумагоделательная машина представляет собой машину с наклонной сеткой, при этом особенно предпочтительно наклон составляет от 15° до 25° к горизонтали. Машине с наклонной сеткой свойственно преимущество, заключающееся в возможности обработки суспензий с небольшим содержанием твердой фазы, около 0,02% и, таким образом, получения более пористой бумаги, чем на длинносеточной машине.
Из напуска бумажной массы суспензия, состоящая из волокон, воды и других компонентов, поступает на ротационную сетку бумагоделательной машины, где происходит ее обезвоживание через сетку, частично с приложением разрежения. Таким образом, на сетке формируется фильтровальная бумага. Затем фильтровальная бумага предпочтительно поступает в прессовую часть, где ее обезвоживают путем приложения механического давления, затем предпочтительно в сушильную часть, предпочтительно с доувлажнением, где ее сушат посредством повышенной температуры, например, при помощи горячего воздуха, инфракрасного излучения или контакта с нагретыми цилиндрами. В сушильную часть также может быть интегрирован клеильный пресс или пленочный пресс. На выходе бумагоделательной машины фильтровальная бумага может быть свернута в рулоны, после чего в рулонах обрезана до определенной ширины и длины и упакована.
Одной из специфических особенностей, отличной от известного уровня техники, способа производства соответствующей изобретению фильтровальной бумаги является то, что бумагу сжимают с таким давлением, которого достаточно для придания ей указанных выше свойств. Это может быть выполнено, например, путем пропускания фильтровальной бумаги в процессе ее производства в бумагоделательной машине через два валка в прессовой части, предпочтительно, два стальных валка, которые оказывают механическое давление на фильтровальную бумагу. Особенно предпочтительно стальные валки снабжены покрытием из полимерного материала. Предпочтительно, линейная нагрузка при этом составляет по меньшей мере 30 кН/м и самое большее 100 кН/м. Благодаря такому механическому сжатию фильтровальной бумаги уменьшается толщина, шероховатость и воздухопроницаемость, и увеличивается плотность, что создает весьма специфический профиль свойств соответствующей изобретению фильтровальной бумаги. Этот технологический прием также влияет на механические параметры, такие как сопротивление изгибу, прочность, удлинение при разрыве и энергоемкость. Согласно известному уровню техники, механическое сжатие фильтровальной бумаги, предназначенной для изготовления водного экстракта, считается нежелательным, так как при этом исходят из того, что оно вызывает слишком большое уменьшение воздухопроницаемости и слишком большое увеличение плотности, и что поэтому водный экстракт не может быть изготовлен за более короткое время. Авторами изобретения неожиданно обнаружено, что ущерб из-за большей плотности и меньшей воздухопроницаемости хотя и имеет место, однако не настолько велик, чтобы оказывать достойное упоминания влияние на изготовление водного экстракта с использованием соответствующей изобретению фильтровальной бумаги. Но именно это механическое сжатие фильтровальной бумаги позволяет в значительной степени или полностью отказаться от применения волокон абаки и сизаля, так как при этом, хотя структура фильтровальной бумаги немного уплотняется, однако, также существенно увеличивается ее прочность. Таким образом, даже при исключительном использовании длинноволокнистой целлюлозы высокая воздухопроницаемость может сочетаться с достаточной прочностью.
В равновесном состоянии обычная фильтровальная бумага характеризуется влажностью бумажной массы около 7% при определенных в ISO 187:1990 условиях 50% относительной влажности и 23°С. Влажность фильтровальной бумаги может быть измерена согласно стандарту ISO 287:2009 путем измерения массы определенного количества фильтровальной бумаги до и после сушки. Для обычного производства пакетов из фильтровальной бумаги считается надлежащей величина влажности фильтровальной бумаги в диапазоне от 7% до 8%. При такой влажности фильтровальная бумага хорошо поддается обработке, так как ее волокна достаточно гибкие. В частности, облегчается накатывание рифлений при соединении двух слоев фильтровальной бумаги. Согласно известному уровню техники, влажность не должна существенно превышать 8%, так как в противном случае волокна становятся слишком гибкими, и при накатывании рифлений не достигается нужная прочность соединения.
Вообще, регулирование влажности может быть проведено при изготовлении чайного пакетика путем увлажнения, что, впрочем, означает дополнительное усложнение оборудования.
Однако, авторами изобретения обнаружено, что для фильтровальной бумаги еще большая влажность, предпочтительно по меньшей мере 9%, особенно предпочтительно по меньшей мере 10%, еще более предпочтительно по меньшей мере 11% и предпочтительно самое большее 20%, особенно предпочтительно самое большее 18%, еще более предпочтительно самое большее 15% обеспечивает дополнительные преимущества. Против ожидания, такая высокая влажность увеличивает прочность выполненного путем накатывания рифлений соединения двух слоев бумаги.
Поскольку такая влажность не соответствует равновесному состоянию, которое устанавливается при хранении в обычных условиях окружающей среды, и последующее увлажнение при изготовлении пакетов означает дополнительные затраты, еще один вариант осуществления изобретения состоит в том, что фильтровальную бумагу с повышенной по сравнению с равновесным состоянием влажностью выпускают в по существу паронепроницаемой упаковке, например, в форме упакованных в паронепроницаемую упаковку рулонов.
Таким образом, изобретение также относится к упакованной по существу в паронепроницаемую упаковку фильтровальной бумаге, при этом, фильтровальная бумага характеризуется влажностью по меньшей мере 9%, предпочтительно по меньшей мере 10%, особенно предпочтительно по меньшей мере11% и, самое большее 20%, предпочтительно самое большее 18%, особенно предпочтительно самое большее 15%. Влажность может быть измерена согласно стандарту ISO 287:2009.
Предпочтительно, фильтровальная бумага в упакованном рулоне содержит длинноволокнистую целлюлозу, при этом фильтровальная бумага либо не содержит волокна абаки и сизаля, либо, если волокна абаки и/или волокна сизаля присутствуют, в целом они составляют менее 20%, особенно предпочтительно менее 10%, еще более предпочтительно менее 5% массы фильтровальной бумаги.
Особенно предпочтительно, фильтровальная бумага в рулонах в по существу паронепроницаемой упаковке представляет собой фильтровальную бумагу одного из описанных выше вариантов осуществления.
Такой рулон может быть изготовлен путем сушки фильтровальной бумаги до заданной влажности по окончании процесса производства бумаги, сматывания фильтровальной бумаги в рулон и упаковки рулона в по существу паронепроницаемый материал.
При этом по существу паронепроницаемый материал представляет собой предпочтительно полимерный материал, особенно предпочтительно пленку, изготовленную из полиэтилена или полипропилена. Также предпочтительно, в качестве по существу паронепроницаемого материала может быть применена надлежащая упаковочная бумага. При этом, выражение «по существу, паронепроницаемый» означает, что влажность фильтровальной бумаги в упакованном рулоне, измеренная согласно ISO 287:2009, составляет не менее 8% массы бумаги после хранения упакованного рулона по меньшей мере в течение 3 дней в определенных в ISO 187:1990 условиях 50% относительной влажности и 23°С.
2
2
2
В качестве альтернативы, в указанных целях упаковочный материал считается «по существу паронепроницаемым», когда скорость миграции влаги в нем (water-vapor transmission rate, WVTR) измеренная согласно стандарту ISO 2528:2017 при 37°С и 90% относительной влажности воздуха составляет менее 600 г/(м·д), предпочтительно менее 400 г/(м·д), особенно предпочтительно менее 350 г/(м·д).
Соответствующий изобретению упакованный рулон и соответствующая изобретению фильтровальная бумага могут быть подвернуты дальнейшей обработке при помощи оборудования известного уровня техники, при этом предпочтительно никакого дополнительного доувлажнения при обработке фильтровальной бумаги не требуется. В частности, из фильтровальной бумаги могут быть сформированы закрытые пакеты, заполненные подлежащим экстрагированию материалом. Предпочтительно эти пакеты представляют собой чайные пакетики.
Таким образом, изобретение также относится к пакету, заполненному экстрагируемым материалом, который изготовлен из соответствующей изобретению фильтровальной бумаги, при этом экстрагируемый материал предпочтительно представляет собой чай.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее изобретение описано более подробно на некоторых примерах его осуществления в сравнении с несоответствующей изобретению фильтровальной бумагой.
Из 100% длинноволокнистой целлюлозы на машине с наклонной сеткой изготовили три варианта фильтровальной бумаги, соответствующей изобретению, обозначенные А, В и С. Длинноволокнистую целлюлозу размололи до степени помола 20°SR, измеренной в соответствии с ISO 5267-1:1999, и в форме суспензии с содержанием твердой фазы 0,016% нанесли на наклонную относительно горизонтали на 20° ротационную сетку бумагоделательной машины. При прохождении фильтровальной бумаги через прессовую часть, ее сжимали при помощи двух покрытых полимерным материалом стальных валков с линейной нагрузкой 65 кН/м для упрочнения структуры бумаги. При этом, однако, также уменьшалась толщина и воздухопроницаемость. После этого фильтровальная бумага проходила через сушильную часть, где ее сушили до влажности 9,7%. Наконец, на выходе бумагоделательной машины фильтровальную бумагу сматывали в рулон и упаковывали в полиэтиленовую пленку по существу паронепроницаемо. При этом, установки бумагоделательной машины незначительно изменяли, чтобы получить разные свойства фильтровальной бумаги А, В и С.
Четвертый вариант соответствующей изобретению фильтровальной бумаги, обозначенный D, изготовили из 82% длинноволокнистой целлюлозы и 18% волокон абаки.
Длинноволокнистую целлюлозу и волокна абаки вместе размололи до степени помола 23°SR, измеренной в соответствии с ISO 5267-1:1999, и в форме суспензии с содержанием твердой фазы 0,016% нанесли на наклонную относительно горизонтали на 20° ротационную сетку бумагоделательной машины. При прохождении фильтровальной бумаги через прессовую часть, ее сжимали при помощи двух покрытых полимерным материалом стальных валков с линейной нагрузкой 60 кН/м для упрочнения структуры бумаги. При этом, однако, также уменьшалась толщина и воздухопроницаемость. После этого фильтровальная бумага проходила через сушильную часть, где ее сушили до влажности 10,3%. Наконец, на выходе бумагоделательной машины фильтровальную бумагу сматывали в рулон и упаковывали в полиэтиленовую пленку, по существу, паронепроницаемо.
Для всех соответствующих изобретению вариантов фильтровальной бумаги определяли удельный вес, плотность, толщину, шероховатость, сопротивление изгибу в продольном направлении бумаги и воздухопроницаемость.
Кроме этого, три образца обычной выпускаемой серийно несоответствующей изобретению фильтровальной бумаги, обозначенных X, Y, Z, подвергли микроскопическому анализу в отношении содержания в них волокон абаки и сизаля, а также определили удельный вес, плотность, толщину, шероховатость, сопротивление изгибу в продольном машинном направлении и воздухопроницаемость.
Полученные данные представлены в таблице 1 и обозначены как AS (содержание волокон абаки и сизаля), BW (удельный вес), ρ (плотность), d (толщина), R (шероховатость), BR-MD (сопротивление изгибу в продольном машинном направлении) и АР (воздухопроницаемость).
Таблица 1
Бумага
AS
BW
ρ
d
R
BR-MD
AP
%
г/м²
кг/м³
мкм
мл/мин
мН
см/(мин·кПa)
A
0
13,0
284
42,3
1141
71
20685
B
0
12,7
306
42,1
1050
67
23040
C
0
12,8
301
40,4
872
60
21549
D
18
12,9
316
45,4
1088
53
24332
X
44
12,7
245
51,6
1549
99
33127
Y
49
12,5
257
48,6
1283
70
25854
Z
57
12,7
255
49,8
1509
77
36761
Эти данные указывают на то, что толщина и шероховатость соответствующей изобретению фильтровальной бумаги меньше, и плотность больше, чем у не соответствующей изобретению фильтровальной бумаги. Эти отличия являются результатом сжатия фильтровальной бумаги, приводящего к уменьшению шероховатости и толщины и, при неизменном удельном весе, увеличению плотности. Одним из нежелательных побочных эффектов является то, что при этом также уменьшается воздухопроницаемость, и для всех вариантов соответствующей изобретению фильтровальной бумаги она меньше, чем у несоответствующей изобретению фильтровальной бумаги. Однако, как показали дополнительные эксперименты, незначительно сниженная воздухопроницаемость практически не влияет на изготовление водного экстракта с использованием соответствующей изобретению фильтровальной бумаги.
Сопротивление изгибу соответствующей изобретению фильтровальной бумаги с одним исключением, вариант А по сравнению с вариантом Y, меньше, чем у несоответствующей изобретению фильтровальной бумаги. Это отличие является результатом, с одной стороны, уменьшенного содержания волокон абаки и сизаля, с другой стороны, уменьшенной толщины вследствие механического сжатия.
Для соответствующей изобретению фильтровальной бумаги были определены основные механические свойства, представленные в таблице 2. Они обозначены как BR-CD (сопротивление изгибу в поперечном направлении), F-MD (сопротивление растяжению в продольном машинном направлении) и F-CD (сопротивление растяжению в поперечном направлении), E-MD (удлинение при разрыве в продольном машинном направлении) и E-CD (удлинение при разрыве в поперечном направлении), TEA-MD (энергоемкость в продольном машинном направлении).
Таблица 2
Бумага
A
B
C
D
BR-CD
мН
22
22
20
23
F-MD
Н/15 мм
12,8
14,0
14,4
15,0
F-CD
Н/15 мм
3,5
3,1
2,9
4,4
E-MD
%
1,2
1,3
1,3
1,6
E-CD
%
2,6
2,7
2,2
3,5
TEA-MD
Дж/м²
7,1
7,9
8,3
10,1
Были проведены испытания прочности выполняемого путем накатывания рифлений соединения двух слоев бумаги, при этом, были получены величины от 1,5 Н до 2,0 Н, тогда как для обычной фильтровальной бумаги в тех же условиях испытания эти величины составляли от 1,0 Н до 1,7 Н. Таким образом показано, что высокая влажность фильтровальной бумаги благоприятна с точки зрения прочности выполняемого накатыванием рифлений соединения.
Из четырех вариантов соответствующей изобретению фильтровальной бумаги А, В, С и D без каких-либо затруднений были изготовлены заполненные чаем соответствующие изобретению чайные пакетики на различных обычных машинах для изготовления чайных пакетиков, таких как IMA C24, IMA C27 и Teepack Perfecta. Изготовленные из четырех вариантов соответствующей изобретению фильтровальной бумаги чайные пакетики сравнили с тремя выпускаемыми серийно чайными пакетиками такой же геометрии и наполнения, изготовленными на тех же машинах. Для этого подготовили сосуд с 5 л водопроводной воды с температурой 90°С, и погрузили каждый пакетик в отдельный сосуд. Чай оценили оптически в отношении скорости окрашивания водопроводной воды в резервуаре через несколько секунд, поскольку скорость окрашивания также является критерием, наблюдаемым потребителем при заваривании чая. В отношении соответствующих изобретению и несоответствующих изобретению чайных пакетиков ощутимого различия не замечено, что также было подтверждено измерениями в ультрафиолетовой и видимой области спектра. Провели оценку выпадения песка из чайного пакетика. Для этого чайный пакетик заполнили песком с размером частиц от 106 мкм до 150 мкм, после чего чайный пакетик встряхивали в некотором устройстве и взвешивали песок, который выпал из чайного пакетика через поры фильтровальной бумаги. И по этому пункту никакого существенного различия между соответствующими изобретению и не соответствующими изобретению чайными пакетиками не обнаружено.
Таким образом оказалось, что соответствующая изобретению фильтровальная бумага при значительном или полном отказе от волокон абаки и сизаля пригодна для изготовления чайных пакетиков, функциональная способность которых не отличается от функциональной способности обычных чайных пакетиков несмотря на то, что можно было бы ожидать на основании технических свойств этой фильтровальной бумаги. Кроме этого, благодаря меньшей, по сравнению с обычной фильтровальной бумагой примерно на 10% толщине, из одного рулона с таким же наружным диаметром может быть изготовлено примерно на 10% больше чайных пакетиков, что позволяет дополнительно повысить производительность.