УСТОЙЧИВЫЙ К РАСТВОРИТЕЛЯМ УПАКОВОЧНЫЙ КАРТОН ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ И СТАКАН ДЛЯ ПИТЬЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ИЗ ТАКОГО КАРТОНА
SOLVENT-RESISTANT PACKING CARDBOARD FOR LIQUIDS, METHOD OF ITS MANUFACTURE, USE, AND DRINKING GLASS MADE OF SUCH CARDBOARD

Изобретение относится к термосвариваемому упаковочному картону для жидкостей, который устойчив к растворителям, таким как крепкие алкогольные напитки, и содержит волокнистую основу, на которую по меньшей мере с одной стороны нанесен слой полимерного покрытия. Кроме того, данное изобретение включает способ изготовления такого упаковочного картона для жидкостей и стакан для питья, который изготавливается из этого картона с помощью термической сварки и который устойчив к крепким алкогольным напиткам. Изобретение также включает применение упаковочного картона для жидкостей в упаковках или контейнерах, предназначенных для алкогольных напитков, жидкого мыла, растворителей и других продуктов на основе растворителей.
Как правило, упаковочный картон с полимерным покрытием применяется в упаковках и контейнерах, предназначенных для жидких пищевых продуктов и других, содержащих жидкость или влажных, продуктов. Внутренний полимерный слой упаковки или контейнера защищает картон от увлажнения и промокания и, в зависимости от класса полимера, обеспечивает защиту продукта, заключенного в закрытой упаковке, от кислорода и/или запахов. Полимер может также защищать картон от жира, содержащегося в продукте. Кроме того, полимерное покрытие делает возможной термическую сварку картона при изготовлении упаковок или контейнеров.
В дополнение к внутренним поверхностям с полимерным покрытием, воздействию влажного или жидкого продукта подвергаются внутренние обрезанные кромки или так называемые необработанные края картонной упаковки или контейнера, жидкость при этом, вероятно, впитывается в картон через края. Чтобы избежать этого, картон может быть согнут по краям так, что необработанные края оказываются спрятанными внутри корпуса запаянной упаковки или контейнера, или так, что они отогнуты к внешней поверхности, или же край картона может быть скошен и после этого дважды согнут, так что необработанный край становится закрытым. Другой подход к проблеме впитывания через необработанные края заключается в предотвращении впитывания благодаря подходящим клеящим веществам для картона. В патентном документе WO 2005/003460, например, описана картонная автоклавная упаковка, в которой для уменьшения впитывающей способности картон обработан гидрофобным клеящим веществом, таким как алкенилянтарный ангидрид (ASA) или димер алкилкетена (AKD), влагостойким клеящим веществом, таким как полиамидоаминэпихлоргидриновая смола (РААЕ), и алюминиевыми или кальциевыми соединениями, которые применяются в оптимальных соотношениях. В патентном документе WO 01/49938 описан упаковочный картон для жидкостей, который пригоден для молочных продуктов, соков, горячих напитков и т.д. и который проклеен клеящим веществом AKD, влагостойким клеящим веществом и карбонатом кальция для улучшения гидрофобных свойств картона. Однако достигнутые уровни гидрофобности недостаточны для требуемых применений.
Типичные продукты, для которых предназначены упаковки и контейнеры, изготовленные из упаковочного картона для жидкостей, содержат различные жидкие и влажные пищевые продукты, такие как молочные продукты, вода, соки, вино, кофе и другие горячие напитки, супы, десерты и готовая пища. Существующие упаковочные картоны для жидкостей неустойчивы к крепким алкогольным напиткам, в основном из-за растворяющего эффекта этанола, который впитывается в картон через необработанные края. Это также касается жидкого мыла, органических растворителей и продуктов на основе растворителей. О впитывающей способности необработанного края можно судить по углу смачивания между картоном и каплей жидкости на нем; чем больше угол смачивания, тем лучше картон отталкивает жидкость. Соответственно, стало возможным увеличить угол смачивания между картоном и водой посредством подходящих клеящих веществ, принимая во внимание, что этанол, другие органические растворители и мыла уменьшают угол смачивания существующих упаковочных картонов для жидкостей, несмотря на содержащиеся в них клеящие вещества.
В существующих картонах для стаканов, которые применяются для одноразовых стаканов для питья, пригодных для кофе, чая, соков, пива или аналогичных слабоалкогольных напитков, обработку клеящим веществом обычно осуществляют смоляным клеящим веществом и большим количеством квасцов. Технически, смоляное клеящее вещество может быть заменено клеящим веществом AKD, но это не вариант в случае картона для стаканов по финансовым причинам.
В патентном документе JP 2006-160321 А описан картонный стакан для питья, предназначенный, помимо прочего, для крепких алкогольных напитков, с утонченным и согнутым краем заготовки его корпуса, что позволяет исключить наличие необработанного края вертикального шва. В патентном документе JP 2003-182719 А описан цилиндрический упаковочный контейнер, пригодный для упаковки алкоголя, сока, воды, молока и других напитков, с корпусом, изготовленным путем сматывания с непрерывного полотна упаковочного картона. Один край полотна согнут вдвойне так, что необработанные края полотна остаются внутри структуры корпуса контейнера и на его внешней поверхности. В патентном документе JP 2002-002792 А также описан картонный стакан, который выполняет функции упаковки для алкогольных напитков, в котором алкоголь упакован в закрытый пластиковый пакет внутри стакана. Таким образом, во всех этих известных решениях предотвращается контакт между алкоголем и необработанным краем картона.
3
2
Задачей данного изобретения является предложение улучшенного термосвариваемого упаковочного картона для жидкостей с полимерным покрытием, в частности картона для стакана, необработанные края которого выдерживают контакт с крепким алкоголем, например с 30-45 об.% водным раствором этанола, жидким мылом или другими жидкостями, которые имеют сильный растворяющий эффект, так что при этом отсутствует необходимость механически защищать внутренние необработанные края упаковки или контейнера, содержащих жидкость, складывая их или используя другой похожий способ в соответствии с известной технологией. Таким образом, картон может быть обработан, чтобы сформировать упаковку для жидкости или контейнер, такие как стакан для питья, традиционными методами, которые оставляют видимым внутренний необработанный край на шве. Изобретение основано на тестах, в соответствии с которыми устойчивость упаковочного картона для жидкостей к растворителям может быть значительно улучшена при помощи комбинации отличительных признаков, включающих то, что волокнистая основа картона содержит по меньшей мере 1,3 кг гидрофобного клеящего вещества, включающего димер алкилкетена (AKD), на 1 тонну сухого вещества и по меньшей мере 1,0 кг влагостойкого клеящего вещества на 1 тонну сухого вещества, плотность волокнистой основы составляет 630-800 кг/м, и количество термосвариваемого полимера в верхнем слое картона больше объема шероховатостей непокрытой волокнистой основы, измеренного на колесе Бристоу, и/или составляет по меньшей мере 14 г/м.
В сочетании указанные отличительные признаки изобретения значительно снижают впитывание сильных растворяющих жидкостей, таких как раствор этанола, в волокнистый слой картона через внутренний необработанный край упаковки или контейнера. В соответствии с наблюдениями, этот эффект усиливается при термической сварке покрытого полимером картона в месте, прилегающем к необработанному краю, и при деформации картона, которая там происходит. Не ограничивая изобретение какой-либо теорией, кажется, что этанол, например, имеет тенденцию к проникновению в упаковочный картон вместе с пузырьками воздуха на поверхности контакта волокнистой основы и полимерного покрытия (угол смачивания между раствором этанола и пластиком меньше, чем между раствором этанола и картоном) и деформация волокнистой основы при термической сварке удаляет эти траектории распространения, которые содействуют проникновению этанола. Термическая сварка также кристаллизует целлюлозу, уменьшая таким образом ее набухание и проникновение жидкости, и способствует миграции AKD к поверхности контакта волокнистой основы и полимера.
Другие факторы, уменьшающие проницаемость необработанного края для раствора этанола, наблюдаемые в соответствии с данным изобретением, включают щелочность картона, т.е. значение рН, которое измеряется в водной вытяжке картона по методу согласно ISO 6588 и которое выше 7,0, предпочтительно выше 7,5, и выбор димера алкилкетена для гидрофобного клеящего вещества, так чтобы его углеродная цепь содержала по меньшей мере 16 атомов углерода (С16), предпочтительно по меньшей мере 18 атомов углерода (С18).
Димеры алкилкетена гидрофобного клеящего вещества, которые известны как клеящие вещества для целлюлозных волокон, могут иметь в основе ненасыщенные или насыщенные жирные кислоты С16-С22 с нормальными или разветвленными цепями либо смеси таких жирных кислот. Клеящее вещество димер С18 алкилкетена, предпочтительное для данного изобретения, является коммерчески доступным продуктом. Минимальное количество клеящего вещества AKD, в соответствии с данным изобретением, составляет 1,3 кг на тонну сухого вещества, измеренное в готовом картоне. Количество клеящего вещества AKD предпочтительно составляет по меньшей мере 1,5 кг, более предпочтительно по меньшей мере 1,7 кг на тонну сухого вещества готового картона. Поскольку не все клеящее вещество AKD удерживается, соответствующие дозировки для целлюлозной массы или сетки несколько выше.
В соответствии с данным изобретением, подходящим влагостойким клеящим веществом является, в частности, полиамидоаминэпихлоргидриновая смола (РААЕ), которая также широко известна в качестве клеящего вещества для бумаги. В качестве других подходящих влагостойких клеящих веществ могут быть отмечены мочевиноформальдегидная смола, меламиноформальдегидная смола, конденсат полиакриламида и глиоксаля, поливиниламин, полиуретан и полиизоцианат.
3
3
Волокнистая основа может состоять из химически обработанной древесной массы (целлюлозы) или из смеси целлюлозы и химико-термомеханически обработанной древесной массы (СТМР), где смесь содержит по меньшей мере 7 масс.% СТМР, предпочтительно по меньшей мере 10 масс.% СТМР. В соответствии с данным изобретением, плотность волокнистой основы составляет 630-800 кг/м, предпочтительно 650-750 кг/м.
В соответствии с данным изобретением, полиэтилен, который легко поддается термической сварке, особенно подходит в качестве покрывающего полимера для картона. Другие возможные покрывающие полимеры включают полипропилен, полиамид и полиэтилентерефталат. Полимерное покрытие может также содержать несколько слоев и состоять из различных полимеров, которые, например, выполняют различные защитные функции в покрытии. Такие комбинации полимеров хорошо известны специалистам в данной области. Полимер может быть экструдирован на обе стороны волокнистой основы, так что наружная поверхность упаковки или контейнера также будет иметь полимерное покрытие.
Объем шероховатостей по методу колеса Бристоу, который используется в качестве критерия для расхода покрывающего полимера, основан на измерении количества жидкости, абсорбированного картонной основой по стандарту ASTM D5455-93(2003), измерение которого экстраполируется на момент времени t=0, то есть на момент, когда жидкость только заполняет объем (объем шероховатостей), который остается между соплом и поверхностью картона, без проникновения в структуру картона.
3
3
2
2
Способ изготовления описанного выше упаковочного картона для жидкостей, который устойчив к растворителям, в соответствии с настоящим изобретением, включает получение волокнистой основы на бумагоделательной и картоноделательной машине и снабжение ее слоем полимерного покрытия, который экструдируют по меньшей мере на одну ее сторону. В соответствии с настоящим изобретением, в волокнистую основу вводят по меньшей мере 1,3 кг гидрофобного клеящего вещества, содержащего AKD, на 1 тонну сухого вещества (измеренного в готовом картоне) и по меньшей мере 1,0 кг влагостойкого клеящего вещества, такого как РААЕ, на 1 тонну сухого вещества (измеренного в готовом картоне), предпочтительно так, что клеящее вещество AKD и влагостойкое клеящее вещество добавляют в бумажную массу на сетку бумагоделательной и картоноделательной машины или даже до этого. Для достижения значения рН в упомянутом выше готовом картоне больше 7,0, рН оборотной воды доводится до щелочного уровня, соответствующего значениям выше 9,0, наиболее предпочтительно выше 9,5. Волокнистую основу картона высушивают и уплотняют машиной до плотности 630-800 кг/м, предпочтительно 650-750 кг/м, и на волокнистую основу экструдируют количество покрывающего полимера, которое больше, чем объем шероховатостей непокрытой волокнистой основы, измеренный на колесе Бристоу, и/или составляет по меньшей мере 14 г/м, предпочтительно по меньшей мере 17 г/м.
3
2
Термосвариваемый картонный стакан для питья, в соответствии с настоящим изобретением, который устойчив к алкогольным напиткам и который изготовлен из картона для стаканов, содержащего волокнистую основу и слой полимерного покрытия, образующий внутреннюю поверхность стакана, характеризуется тем, что для снижения проницаемости картона через необработанный край волокнистая основа содержит на внутреннем уплотнении стакана по меньшей мере 1,3 кг гидрофобного клеящего вещества, включающего димер алкилкетена, на 1 тонну сухого вещества и по меньшей мере 1,0 кг влагостойкого клеящего вещества на 1 тонну сухого вещества, плотность волокнистой основы составляет 630-800 кг/м и количество полимера в покрывающем слое больше, чем объем шероховатостей непокрытой волокнистой основы, измеренный на колесе Бристоу, и/или составляет по меньшей мере 14 г/м.
Стакан для питья в соответствии с настоящим изобретением способен удерживать 30 масс.%-ный раствор этанола при температуре в 23°С по меньшей мере 1 час. Это означает, что необработанный край препятствует проникновению раствора в волокнистую основу, в значительной степени предотвращая ослабление или размягчение структуры стакана. По более строгим критериям, стакан устойчив к 40 или 50 масс.%-ному раствору этанола при указанной температуре или к 30%-ному раствору этанола при 40° или 60°С в течение 1 часа.
Настоящее изобретение также включает применение упаковочного картона для жидкостей, соответствующего вышеизложенному или изготовленного в соответствии с вышеизложенным, в упаковках или контейнерах, предназначенных для алкогольных напитков, жидкого мыла или растворителей, в частности в стаканах для питья, предназначенных для крепких алкогольных напитков.
Пример 1
2
3
2
2
Чтобы установить влияние количества полимерного покрытия, на обе стороны трехслойного упаковочного картона для жидкостей, который был обработан AKD и влагостойкими клеящими веществами и имел массу 258 г/м, наружные слои которого состояли из 100% целлюлозы, а средний слой содержал 30% целлюлозы и 70% СТМР и плотность которого была 650 кг/м, экструдированием был нанесен слой полиэтилена (РЕ) массой 10-30 г/м. Измеренный на колесе Бристоу объем шероховатостей для непокрытого картона (волокнистой основы) составил 12 г/м. От картона с покрытием были отрезаны полоски размером 25 мм×75 мм. На 1 час полоски были помещены в окрашенный мыльный раствор, который содержал 2 масс.% мыла (Aerosol ОТ) в воде и температура которого была 23°С. Была измерена максимальная абсорбция необработанными краями (REP) полосок в виде длины пропитавшегося слоя при разном расходе полиэтиленового покрытия. Результаты представлены в следующей Таблице 1.
Таблица 1
Расход РЕ покрытия (г/м<sup>2</sup>)
REP (мм)
10
25 (вся полоска)
15
2,5
20
1
30
0,5
Пример 2
2
2
2
2
Упаковочные картоны для жидкостей, покрытые полиэтиленом (РЕ) посредством экструзии с обеих сторон и обработанные AKD (2 кг/тонна) и влагостойкими клеящими веществами (1,5 кг/тонна), были интенсивно исследованы; масса волокнистой основы картона была 190 г/м, и масса РЕ слоев на разных сторонах волокнистой основы была 14 г/м и 17 г/м (а) или 20 г/м на обеих сторонах (б). На 1 час полоски, которые были отрезаны от картона с покрытием, помещались в окрашенный раствор этанола, который содержал 25-50 масс.% этанола в воде и температура которого была 23°С. Была измерена максимальная абсорбция необработанными краями полосок картона (а) и (б) (REP-a и REP-б) в виде массы впитавшегося раствора для разных концентраций этанола. Результаты показаны в следующей Таблице 2.
Таблица 2
Этанол (об.%)
REP-а (кг/м<sup>2</sup>)
REP-б (кг/м<sup>2</sup>)
25
1,01
0,60
30
1,43
0,63
35
1,92
0,86
40
2,56
0,84
45
2,95
1,85
50
4,65
3,76
Пример 3
2
2
2
2
Для определения влияния термической сварки, полоски, отрезанные от картона с полиэтиленовым покрытием, и стаканы, изготовленные термической сваркой из картона с полиэтиленовым покрытием, были измерены на впитывающую способность необработанного края в растворах этанола, которые содержали 25-40 об.% этанола в воде. Температура была 23°С, и тест продолжался 1 час. Полоски и стаканы состояли из картона с одинаковой основой, волокнистой основой массой 190 г/м, и масса слоев РЕ на разных сторонах волокнистой основы составляла 14 г/м и 20 г/м (полоски) или 20 г/м на обеих ее сторонах (стаканы). Результаты показаны в следующей Таблице 3.
Таблица 3
Этанол (об.%)
REP в полосках (мм)
REP в стаканах (мм)
25
Около 1
Около 1
30
Около 6
Около 2,5
35
Около 7,5
Около 3
40
35 (вся полоска)
Около 20
Пример 4
2
Испытания проводились на тестовой картоноделательной машине, где используемые химреагенты содержали стандартные химические вещества, используемые при изготовлении упаковочного картона для жидкостей. Картон был изготовлен из целлюлозы, так что масса его основы была 150 г/м. Исключения из обычного способа изготовления упаковок для жидкостей составляли:
- класс используемого AKD (C18 и С22 относятся к длине углеродной цепи исходного материала, использованного в производстве AKD; обычно используется смесь С16/С18);
- количество используемого AKD (выше, чем обычно);
- рН оборотной воды (отличающийся от уровня рН, оптимального для AKD);
- количество влагостойкого клеящего вещества (его количество выше, чем обычно).
2
Образцы были покрыты посредством экструзии с обеих сторон слоем РЕ массой 20 г/м. Полоски, которые были отрезаны от образцов, выдерживали в водном растворе, содержащем 33 об.% этанола, в течение 1 часа. Результаты показаны в следующей Таблице 4.
Таблица 4
Смоляное клеящее вещество (кг/тонна)
3,5
Углеродная цепь AKD
С18
С18
С22
Клеящее вещество AKD (кг/тонна)
4
4
4
Влагостойкое клеящее вещество (кг/тонна)
2
рН оборотной воды
4,2
9,5
9,5
9,5
REP (кг/м<sup>2</sup>)
6,81
3,89
1,10
1,85
Пример 5
Картон в соответствии с настоящим изобретением, покрытый посредством экструзии, обработанный AKD и РААЕ, был использован для изготовления стакана для питья путем термической сварки. Определяли впитывающую способность необработанных краев этого стакана, выдерживая в стакане окрашенный раствор этанола, который содержал 40 об.% этанола в воде, в течение 1 часа. Максимальная абсорбция (REP) составила около 2,5 мм.
Пример 6
2
2
Тестовая картоноделательная машина использовалась для изготовления серии картонов с массой волокнистой основы в 150 г/м, и на обе стороны картонов экструдированием был нанесен покрывающий слой РЕ массой 20 г/м. Были использованы влагостойкое клеящее вещество в количестве 2 кг/т и клеящее вещество AKD С-18 в количестве 3 кг/т. Значение рН оборотной воды варьировалось в пределах 7-10,5 при изготовлении различных картонов. Были измерены рН вытяжки холодной водой, рН поверхности и впитывающая способность необработанных краев картонов для воды, кофе, кофе со сливками и 35 об.% этанола. Результаты показаны в Таблице 5.
Таблица 5
рН оборотной воды
7
8
9
10
10,5
Влагостойкое клеящее вещество (кг/т)
2
2
2
2
2
AKD C-18 (кг/т)
3
3
3
3
3
рН холодной вытяжки
6,6
6,7
6,7
7,7
7,3
рН поверхности
6,1
6,5
6,6
6,5
6,9
REP кофе (аэрация), кг/м<sup>2</sup>
8,6
7,2
7,0
5,6
4,7
REP кофе (выдержанный) (кг/м<sup>2</sup>)
2,2
1,0
0,8
0,8
0,7
REP кофе со сливками (аэрация) (кг/м<sup>2</sup>)
7,9
5,8
4,9
3,6
2,8
REP кофе со сливками (выдержанный) (кг/м<sup>2</sup>)
2,6
1,4
1,0
1,0
0,9
REP этанол 35%, 1 час, 23°С
4,0
2,8
0,93
0,61
0,47
REP воды, 24 часа, 4°С (кг/м<sup>2</sup>)
1,8
1,7
1,7
1,7
1,8