БИОРАЗЛАГАЕМЫЙ СТАКАН ИЛИ УПАКОВКА НА БУМАЖНОЙ ОСНОВЕ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА
BIODEGRADABLE PAPER-BASED GLASS OR PACK AND METHOD OF THEIR PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к биоразлагаемым слоистым материалам на бумажной основе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
2
Бумажные стаканы для одноразового приема пищи обычно имеют покрытие, наносимое экструзией, из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) или других сходных полимеров для того, чтобы они могли удерживать горячую жидкость в течение длительного времени, не размягчаясь и не давая утечки, как у всех бумажных стаканов. Стаканы для горячих напитков, например кофе, имеют слой ПЭНП на внутренней стороне для удержания жидкости. Стаканы для прохладительных напитков и т.п. обычно покрыты ПЭНП с обеих сторон для предотвращения конденсации, которая образуется на наружной поверхности стакана из-за размягчения бумаги. Обычно толщина покрытия из ПЭНП составляет 0,5-1,5 мила (1/1000 дюйма) (7,2-21,6 фунта/3000 кв. футов) (11,7-35 г/м).
Стаканы этих типов используются однократно или очень ограниченное количество раз и затем утилизируются. Хотя бумажная основа обычно является разлагаемой, покрытие из ПЭНП разлагается (и компостируется) очень трудно, и поэтому стакан может лежать на свалке в течение многих лет, не разлагаясь. Желательно использовать один или несколько биоразлагаемых полимеров вместо ПЭНП для того, чтобы сделать использованные стаканы более экологически чистыми.
РАСКРЫТИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение также может быть с пользой применено для изготовления, помимо стаканов, и других бумажных изделий с покрытием, например картонных коробок с крышками, складных картонных коробок, бумажных пакетов, оберточной бумаги для сэндвичей, бумажных тарелок и чашек, оберточной бумаги для копировальной бумаги.
Соответственно, одной целью настоящего изобретения является создание биоразлагаемого слоистого материала, подходящего для покрытия формованных бумажных изделий, таких как контейнеры, который не имеет общих недостатков материалов и способов, известных из уровня техники, и является биоразлагаемым в компостной среде.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа образования биоразлагаемого слоистого материала, подходящего для покрытия формованных бумажных изделий.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание формованного бумажного изделия, содержащего биоразлагаемый слоистый материал.
Имея в виду вышеуказанные и другие цели, в соответствии с настоящим изобретением предлагается биоразлагаемый слоистый материал, подходящий для использования в формованных бумажных изделиях, таких как контейнеры для жидких или твердых, горячих или холодных пищевых продуктов. Упомянутый биоразлагаемый слоистый материал содержит бумажную основу, имеющую две и больше поверхностей, и нанесенный по меньшей мере на одну поверхность основы по меньшей мере один слой первого сополиэфира и по меньшей мере один слой второго сополиэфира при фактическом отсутствии промежуточных слоев полимера между поверхностью основы и слоем первого сополиэфира, нанесенного на поверхность основы. Первый слой сополиэфира является внутренним слоем, обеспечивающим сцепление с бумажной основой, и второй слой сополиэфира является наружным слоем, предотвращающим прилипание к охлаждающим вальцам и слипание в рулоне, а также обеспечивающим повышенную теплостойкость по сравнению с упомянутым первым слоем. Первый сополиэфир и второй сополиэфир не идентичны.
Сополиэфирные материалы настоящего изобретения являются продуктами сополимеризации бензол-1,4-дикарбоновой кислоты с алифатическим двухатомным спиртом и по меньшей мере одним реагентом, выбираемым из группы, состоящей из алифатической дикарбоновой кислоты и ароматического двухатомного спирта.
Сополиэфирные материалы настоящего изобретения являются продуктами сополимеризации бензол-1,4-дикарбоновой кислоты с алифатическим двухатомным спиртом и по меньшей мере одним реагентом, выбираемым из группы, состоящей из алифатической дикарбоновой кислоты и циклического двухатомного спирта. Подходящие двухатомные спирты включают 1,4-бутандиол, 2,2-диметил-1,3-пропандиол и этиленгликоль. Подходящие алифатические дикарбоновые кислоты включают 1,6-гександиоловую кислоту, 1,8-нонандиоловую кислоту, 1,10-декандиоловую кислоту и 1,12-додекандиоловую кислоту. Подходящие циклические двухатомные спирты включают циклогексан-1,4-диметанол, 1,1,3,3-тетраметилциклобутан-2,4-диол и 1,4:3,6-диангидро-D-сорбитол.
Особенно предпочтительным первым сополиэфиром является продукт сополимеризации бензол-1,4-дикарбоновой кислоты и 1,4-бутандиола. Этот продукт доступен в продаже под фирменными наименованиями ECOFLEX и EASTAR BIO.
Особенно предпочтительным вторым сополиэфиром является продукт сополимеризации бензол-1,4-дикарбоновой кислоты и 1,4:3,6-диангидро-D-сорбитола. Этот продукт доступен в продаже под фирменным наименованием BIOMAX.
Особенно предпочтительным способом нанесения слоев сополиэфира является совместная экструзия, в подходящих случаях на движущееся полотно бумаги или картона.
Сополиэфирные материалы слоистого материала настоящего изобретения сертифицированы как биоразлагаемые в компостной среде (испытаны по ASTM D6400-99), что делает слоистый материал крайне желательным для использования в качестве материала для формования пищевых контейнеров, которые обычно используются однократно или очень ограниченное количество раз до их утилизации. Кроме того, биоразлагаемость слоистого материала настоящего изобретения дает возможность использовать его в других одноразовых продуктах на основе бумаги, таких как оберточная бумага для сэндвичей, бумаги для упаковки копировальной бумаги и т.д.
В одном варианте осуществления слоистый материал может быть снабжен совместно экструдированным слоем того же или других сополиэфиров на противоположной поверхности бумажной основы.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается биоразлагаемое изделие на бумажной основе, такое как биоразлагаемый контейнер, или заготовка, или полуфабрикат, из которого может быть сформован контейнер и который выполнен из биоразлагаемого слоистого материала.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением предлагается способ образования биоразлагаемого слоистого материала, подходящего для использования в формованных изделиях на бумажной основе.
Другие признаки, считающиеся отличительными для настоящего изобретения, изложены в прилагаемой формуле изобретения.
Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано и описано в настоящем документе как осуществленное в форме стакана или упаковки из биоразлагаемой бумаги, оно тем не менее не направлено на ограничение только приведенными подробностями, поскольку в него могут быть внесены различные модификации и конструкционные изменения без отхода от сути изобретения и в пределах объема и серии эквивалентов формулы изобретения.
Конструкция и способ эксплуатации изобретения, однако, вместе с его дополнительными целями и преимуществами будут лучше всего понятны из последующего описания конкретных вариантов осуществления, взятого вместе с прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 и 2 являются схематическими перспективными видами варианта осуществления слоистого материала, содержащего различные признаки настоящего изобретения.
Фиг.3 является схематическим видом второго варианта осуществления слоистого материала, содержащего различные признаки настоящего изобретения.
Фиг.4 является схемой процесса производства слоистого материала настоящего изобретения.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Со ссылкой на чертежи, в частности на Фиг.1-3, показан биоразлагаемый слоистый материал 10, который имеет бумажную основу, т.е. основа 12 слоистого материала содержит бумагу, обычно называемую бумажным сырьем из SBS для стаканов или гофрокартоном из SUS (натуральным) для складных картонных ящиков, которые хорошо известны из уровня техники. Слоистый материал настоящего изобретения, кроме того, содержит первый и второй слои 14 и 16 соответственно сополиэфиров, которые совместно экструдированы на одну 18 из поверхностей бумажной основы.
Как показано на Фиг.4, производство слоистого материала настоящего изобретения включает подачу непрерывного листа 20 SBS или другой приемлемой бумажной основы из рулона 22 вперед в обычный биэкструдер 24, в который подаются первый сополиэфир 26 и второй сополиэфир 28. Первый и второй сополиэфиры совместно экструдируются на плоскую поверхность 18 упомянутой бумажной основы, которая потом собирается, например, путем намотки завершенного слоистого материала 30 на вал 32 и т.п. После этого слоистый материал может быть сформован в стакан, пакет, коробку с крышкой или другой контейнер для пищевых продуктов, первоначально путем изготовления заготовки или полуфабриката и преобразования его в конечное изделие. Полученный таким образом контейнер может использоваться для содержания жидкого, твердого или полутвердого продукта, независимо от того, является ли данный пищевой продукт холодным или горячим (в пределах нормальных температур подогретых и охлажденных пищевых продуктов). Примером горячего пищевого продукта является горячий кофе с температурой приблизительно 180°F (82°С). Примером охлажденного пищевого продукта является холодный чай с температурой 33-40°F (0,5-4,4°C).
2
2
В предпочтительном варианте осуществления бумажная основа слоистого материала настоящего изобретения содержит или сырье для изготовления стаканов из SBS (беленой сульфатной целлюлозы), или сырье для изготовления картона для складных ящиков из SUS (небеленой сульфатной целлюлозы) (натуральный гофрокартон). Предпочтительный диапазон масс картона составляет приблизительно 100-300 фунтов/3000 кв. футов (163-488 г/м). Другие примеры приемлемого сырья (основы) включают картон для упаковки жидкостей, картон из SBS для складных ящиков, натуральную крафт-бумагу для стаканов, легкую крафт-бумагу и бумагу из SBS, а также картон или бумагу с содержанием потребительских отходов ("вторичную"). Легкая бумага определяется как имеющая меньше 100 фунтов/3000 кв. футов (163 г/м). Картон для упаковки жидкостей может использоваться для изготовления коробок с крышками для таких продуктов, как, например, молочные продукты. Виды применения легкой бумаги включают пакеты для порошковых или других сухих продуктов, таких как овсянка, оберточная бумага для сэндвичей в ресторанах быстрого питания и оберточная бумага для копировальной бумаги.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, как показано на Фиг.1 и 2, по меньшей мере на одну плоскую поверхность бумажной основы наносится совместно экструдированное сочетание сополиэфира, а именно или сополиэфира, являющегося продуктом сополимеризации 1,4-бензолдикарбоновой кислоты (терефталевой кислоты), 1,4-бутандиола и адипиновой кислоты, а также агента для удлинения или ветвления цепей (предлагаемым компанией BASF под фирменным наименованием ECOFLEX с диапазоном температур плавления 212-248°F (100-389°С)), или сополиэфира, полученного путем сополимеризации 1,4-бензолдикарбоновой кислоты (терефталевой кислоты), 1,4-бутандиола и адипиновой кислоты (получаемым сополиэфиром является поли(тетраметиленадипат-котерефталат) (предлагаемым компанией Eastman Chemical/Novamont под фирменным наименованием Eastar Bio с температурой плавления 226°F (108°C)), и сополиэфира, полученного реакцией конденсации 1,4-бензолкарбоновой кислоты, этиленгликоля и 1,4:3,6-диангидро-D-сорбитола (предлагаемого компанией DuPont под фирменным наименованием Biomax с температурой плавления 383°F (195°C)).
Как показано на Фиг.1, в предпочтительном варианте осуществления для использования в контейнерах для горячих пищевых продуктов бумажная основа снабжена на одной ее плоской поверхности совместно экструдированным слоем Ecoflex и Biomax. По отдельности в среде компоста приблизительно 90% смолы Ecoflex биоразлагается в течение приблизительно 80 суток и приблизительно 95% смолы Biomax биоразлагается в течение приблизительно 63 суток. В исследовании, проведенном лабораторией университета, слоистый материал с покрытием биоразложился больше чем на 90% приблизительно за 88 суток, что соответствует критериям биоразлагаемости/способности к образованию компоста согласно стандартам ASTM D6400-99 и D6868.
2
2
2
В данном предпочтительном варианте осуществления для контейнеров для горячей пищи суммарная масса покрытия после совместной экструзии составляет приблизительно 10-40 фунтов/3000 кв. футов (16 до 65 г/м), может быть применено любое сочетание между приблизительно 80/20-20/80 массовых долей Ecoflex - Biomax. Предпочтительна суммарная масса покрытия приблизительно 25 фунтов/3000 кв. футов (41 г/м) как по соображениям обрабатываемости, так и по характеристикам конечного продукта. Предпочтительно Biomax применяется в количестве 5-20 фунтов/3000 кв. футов (8-33 г/м), и остальное от общей массы покрытия приходится на Ecoflex. Для стакана для горячих напитков, например, совместно экструдируемые вещества наносятся на покрываемую сторону бумажной основы. Для улучшения сцепления по желанию или необходимости может применяться огневая и/или коронирующая предварительная обработка поверхности основы. Могут использоваться меньшие суммарные массы покрытия, но с возможной потерей качества теплового уплотнения в последующих конечных упаковках (стаканы, коробки с крышкой и т.д.). Также могут использоваться и большие суммарные массы покрытия, но расходы на материалы могут не соответствовать преимуществам в улучшении рабочих характеристик таких более тяжелых покрытий и/или могут замедлять общую скорость разложения такого контейнера.
Кроме того, выяснено, что использование Ecoflex в качестве единственного слоя слоистого материала для целей биоразложения обычно требует пакетов скользящих/антиадгезивных присадок для предотвращения прилипания к охлаждающим вальцам и слипания в рулоне конечного слоистого материала. Кроме того, происходит существенная усадка, когда один или больше сополиэфиров наносятся как единственный слой, приводя к чрезмерной обрезке и созданию отходов. Biomax, в частности, при применении в качестве единственного слоя не достаточно хорошо сцепляется с бумажной основой. И напротив, применение сочетания упомянутых сополиэфиров в соответствии с настоящим изобретением является эффективным для преодоления недостатков сополиэфиров, нанесенных как единственный слой.
2
2
Контейнеры для охлажденных пищевых продуктов предпочтительно производятся из слоистого материала, показанного на Фиг.3. Показанный слоистый материал содержит бумажную основу, имеющую первый слой совместно экструдированного Eastar Bio или Ecoflex (предпочтительно Ecoflex) и Biomax на одной плоской поверхности основы, причем Biomax располагается дальше всего от основы. Далее второй слой совместно экструдированного Eastar Bio или Ecoflex (предпочтительно Ecoflex) и Biomax наносится на противоположную плоскую поверхность основы, и Biomax опять располагается дальше всего от основы. В данном варианте осуществления для контейнеров для охлажденных пищевых продуктов совместно экструдированный слой сополиэфира (независимо от того, на какой стороне основы расположен этот слой) имеет суммарную массу покрытия приблизительно 10-40 фунтов/3000 кв. футов (16 - 65 г/м) в любом сочетании между 80/20-20/80 массовых долей Ecoflex - Biomax. Предпочтительна суммарная масса покрытия приблизительно 25 фунтов/3000 кв. футов (41 г/м). Как и в слоистом материале, предназначенном для использования с горячими пищевыми продуктами, в данном слоистом материале, предназначенном для использования с охлажденными пищевыми продуктами, Biomax в покрытии наносится в массе приблизительно 5-20 фунтов/3000 кв. футов, а остальную массу покрытия составляет Ecoflex или Eastar Bio.
2
2
2
В еще одном варианте осуществления, показанном на Фиг.1, бумажная основа 12 может быть снабжена совместно экструдированным слоем Eastar Bio 14 и Biomax 16 на одной из плоских поверхностей основы. В данном варианте осуществления суммарная масса покрытия составляет приблизительно 10-40 фунтов/3000 кв. футов (16 - 65 г/м) в любом сочетании приблизительно 80/20-20/80 массовых долей Eastar Bio - Biomax. Предпочтительна суммарная масса покрытия приблизительно 25 фунтов/3000 кв. футов (41 г/м). Biomax в покрытии наносится в массе приблизительно 5-20 фунтов/3000 кв. футов (8-33 г/м), а остальную массу покрытия составляет Eastar Bio.
По желанию к любому одному или всем экструдированным сополиэфирам может быть добавлен, путем замещения некоторого количества биоразлагаемой смолы, карбонат кальция в качестве меры экономии и для обеспечения увеличения скорости разложения. Другие органические и неорганические наполнители могут применяться вместе с карбонатом кальция или вместо него, включая крахмал, глину, каолин, тальк, целлюлозные волокна и диатомовую землю.
2
Двухслойное, совместно экструдированное покрытие, состоящее из BASF Ecoflex и DuPont Biomax было нанесено на сырье SBS для производства стаканов и натуральный гофрокартон для складных ящиков. Базовые массы SBS и гофрокартона составляли 180-210 фунтов/3000 кв. футов (293-342 г/м). Температуры плавления этих двух смол составляли соответственно 450°F (232°C) и 465°F (241°C).
2
2
2
2
Соответствующие массы в покрытии составили 12,5 фунтов/3000 кв. футов (20 г/м) Ecoflex и 12,5 фунтов/3000 кв. футов Biomax (20 г/м). Суммарные массы покрытия, составившие по меньшей мере 10 фунтов/3000 кв. футов (16 г/м) - 25 фунтов/3000 кв. футов (41 г/м), обеспечили хорошую стойкость к расплавлению и минимальное переплетение кромок экструдированного слоя.
Заготовки и полуфабрикаты, содержащие биоразлагаемые слоистые материалы, совместно экструдированные на сырье из SBS для производства стаканов и сырье из SUS для производства складных картонных ящиков, изготовленные способом, изложенным выше, были преобразованы в стаканы на машине РМС 1000 для формовки стаканов со скоростью 140 стаканов в минуту. Все стаканы прошли испытание на удержание кофе (при 180°F (82°C)) в течение не меньше 25 мин без утечки, размягчения покрытия или визуального загрязнения напитка покрытием.
Испытание на термосклеивание проводилось на стандартном сырье для производства стаканов из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и на гофрокартоне для складных ящиков, на которые были совместно экструдированы Ecoflex и Biomax. Пробы каждой основы помещались покрытой стороной к непокрытой стороне в термосклеивающий аппарат Barber-Coleman. Термосклеивающее давление поддерживалось на постоянном уровне 80 фунтов на кв. дюйм (516 г/см); время выдержки составляло 5 с. Температуры изменялись для того, чтобы определить минимальную температуру, при которой достигался 100% надрыв волокон. После этапа приклеивания пробам дали остыть в течение 30 с перед тем, как вручную разделить слои и визуально оценить степень надрыва волокон. Для стандартного сырья для производства стаканов с покрытием из ПЭНП минимальная температура приклеивания составляла 215°F (102°C). Гофрокартон с покрытием из Ecoflex и Biomax приклеивался при немного более низкой температуре 210°F (99°C).
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения отмечается, что совместная экструзия двух сополиэфиров дает многочисленные выгоды. Например, Eastar Bio и Ecoflex хорошо сцепляются с бумагой, давая 100% надрыва волокон. С другой стороны, уровень сцепления между Biomax и бумагой намного меньше, что приводит к очень небольшому надрыву волокон. Таким образом, в настоящем изобретении слой из совместно экструдированного Eastar Bio или Ecoflex располагается непосредственно рядом с бумажной основой для достижения хорошего сцепления. Biomax менее липкий, чем Eastar Bio или Ecoflex. Поэтому слой совместно экструдированного Biomax располагается на наружной стороне слоев слоистого материала для предотвращения прилипания слоистого материала к охлаждающим вальцам и слипания слоистого материала в рулоне.
Кроме того, Biomax имеет значительно более высокую температуру плавления чем Eastar Bio или Ecoflex (383°F (195°С) у Biomax против 226°F (108°C) у Eastar Bio и 212-248°F (100-120°C) у Ecoflex); поэтому расположение Biomax как наружного слоя слоистого материала в контакте с горячими пищевыми продуктами позволяет контейнеру, изготовленному из данного слоистого материала, быть более стойким к ухудшению свойств и размягчению покрытия под действием горячих пищевых продуктов.