ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЙ КАРТОН И ИЗДЕЛИЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ ИЗ НЕГО
HIGH-QUALITY CARDBOARD AND PRODUCTS MADE FROM IT

Настоящее изобретение относится к высококачественному картону и к изделиям, изготавливаемым из него.
Предпосылки к созданию изобретения
Существует большое количество областей применения картона. Во всех этих областях применения к картону предъявляют свои особые требования, поэтому картон должен обладать различными свойствами в зависимости от предполагаемого конечного использования.
Картон, который подлежит видоизменению (например, на него надлежит нанести покрытие, печатное изображение, он подлежит разрезанию, биговке и складыванию) на высокоскоростных автоматических машинах, должен обладать требуемой прочностью, чтобы он выдерживал напряжения и нагрузки, возникающие во время переработки. Также во время видоизменения важными являются такие свойства, как плоскостность и стабильность размеров. Эти свойства обычно улучшают путем увеличения изгибной прочности.
Картоны, используемые для нанесения на них графических изображений (для изготовления почтовых открыток, брошюр, обложек книг и т.п.) должны обладать свойствами, способствующими хорошему их продвижению на рынке. Назначением этого картона является, в общем, передача сообщения. Так как сам картон является частью сообщения, то очень важен его внешний вид. Следовательно, картон должен обладать визуально хорошим внешним видом, например, хорошими глянцем, гладкостью и чистотой.
Типичными применениями картонов в качестве упаковочных материалов являются упаковка для сухих пищевых продуктов (риса, круп и т.п.), жидкостей (молока, сока, горячих жидкостей и т.п.), инструмента (запасных частей и т.п.), сигарет, лекарственных препаратов, мыла и т.п.. Упаковки должны, в основном, защищать содержимое от воздействия окружающей среды, т.е. они должны обладать высокими защитными свойствами. Упаковка должна защищать содержимое от толчков во время переноски, транспортировки и хранения, от давления при хранении в штабеле и от чрезмерных температуры и влажности. Таким образом, картон, используемый для упаковки, должен отвечать обычным требованиям прочности, например должен обладать высокой изгибной прочностью, прочностью скрепления слоев и высокой прочностью на разрыв и на растяжение. Кроме того, требования к качеству печати упаковок для высококачественных потребительских товаров могут быть такими же высокими, как предъявляемые к гламурным журналам.
Масса картона также должна быть по возможности малой, так как следует учитывать стоимость транспортировки.
Некоторые товары, например сигареты, шоколад, питьевая вода и т.п., очень чувствительны к неприятным запахам и изменению ароматов. Упаковка для таких товаров должна, таким образом, защищать запах упакованного продукта. Используемый картон, следовательно, должен обладать высокой химической чистотой и хорошими показателями при испытаниях на неприятный запах и аромат. Ухудшение качества определенных продуктов, например молока, может также вызывать свет, и поэтому картон должен обладать определенной способностью защиты от воздействия света.
В Таблице 1 приведены примеры важных свойств упаковки для ряда применений.
Таблица 1
Примеры важных свойств некоторых упаковок для ряда специальных применений
Применение упаковки
Требуемые свойства
Пищевой продукт глубокой заморозки
Прочность/изгибная прочность, прочность на сжатие, защита от неприятных запахов
Стаканы
Способность к сохранению формы, проклеенная поверхность с внутренней стороны и структура, пригодная для содержания горячих жидкостей, чистота, высокие показатели связанности по Скотту, зрительно привлекательный внешний вид
Упаковка для жидкости
Изгибная прочность, пригодность для печатания, защита от неприятных запахов, чистота, скрепление между слоями, зрительно привлекательный внешний вид, проклеенная поверхность с внутренней стороны и структура, стойкая к проникновению жидкости, защитные свойства
Самый высококачественный доступный картон изготавливают полностью из целлюлозы, например, полностью из отбеленной сульфатной целлюлозы (SBS). Такой картон обладает очень хорошим внешним видом, однако он должен обладать большой поверхностной плотностью для обеспечения требуемой изгибной прочности. Этот вид твердого картона обычно используют для упаковки, например, сигарет или бутылок со спиртными напитками. Однако упаковки, изготовленные из этого вида картона, экономически малоэффективны из-за высокой стоимости материала. Не во всех случаях применения требуются такие очень высокие качества и поэтому были созданы другие типы картона с различными свойствами.
Картон обычно содержит 1-5 слоев. Картон, который состоит из трех или более слоев, содержит верхний и нижний слои, и один или более средних слоев. Важным свойством высококачественного картона является изгибная прочность, которая требуется для достижения хорошей видоизменяемости (например, пригодности для печатания, биговки, резания и формирования упаковок). Высокая изгибная прочность способствует хорошей видоизменяемости на упаковочной машине. Изгибная прочность также требуется для обеспечения защитных свойств внешней стороны упаковки. Высокая изгибная прочность способствует обеспечению жесткости и прочности упаковки.
Изгибную прочность наиболее легко повышают путем увеличения поверхностной плотности, так как большая поверхностная плотность обычно означает высокую изгибную прочность. Однако увеличение поверхностной плотности нежелательно из-за повышения стоимости (стоимости одной упаковки). Поэтому существует стимул к снижению поверхностной плотности при сохранении изгибной прочности.
Обычно используют целлюлозу для изготовления верхнего и нижнего слоев картона, особенно волокнистую массу из хвойной древесины, которая обладает хорошими прочностными свойствами. Целлюлоза также придает верхнему и нижнему слоям хорошие свойства для печатания. В наружный слой можно также добавлять волокнистую массу из древесины лиственных пород для улучшения свойств поверхности. Целлюлоза обычно обладает большой чистотой, что важно во многих областях применения. Средний слой картона может содержать и древесную волокнистую массу и/или целлюлозу. Древесная волокнистая масса, например, химико-термомеханическая древесная масса (СМТР, chemi - termomechanical pulp), является желаемым сырьевым материалом, с одной стороны, потому что ее можно изготавливать при более низкой стоимости, чем целлюлозу. Кроме того, при выработке древесной волокнистой массы достигается высокий выход продукта и, таким образом, высокая эффективность использования сырьевого материала. В высококачественных картонах СМТР из хвойной древесины является наиболее обычной древесной волокнистой массой, используемой для изготовления среднего слоя, потому что СМТР из хвойной древесины помимо высокой объемности также содержит длинные волокна, посредством которых можно обеспечить хорошую внутреннюю связанность. Целлюлозу обычно также используют в среднем слое в сочетании с древесной волокнистой массой в качестве армирующего материала благодаря ее высоким прочностным свойствам. Таким образом, картон, изготовленный на основе данной концепции, обладает высокой объемностью при сохраненной прочности. Один пример этого вида картона описан в международном патенте WO 9902777 А.
Благодаря способности сочетать высокую объемность и высокую внутреннюю связанность СМТР из хвойной древесины является самым большим источником сырьевого материала в производстве высококачественного картона. К сожалению, высококачественная хвойная древесина доступна только в ограниченных регионах мира, и поставка СМТР из хвойной древесины, пригодной для производства картона, недостаточна для обеспечения требуемых объемов высококачественного картона во всем мире. Использование СМТР из хвойной древесины также менее экономически эффективно во многих странах из-за стоимости транспортировки. Это, конечно, является самым серьезным препятствием в производстве изделий из высококачественного картона.
Таким образом, существует потребность в замене СМТР из хвойной древесины, при которой заменяющее сырье можно было бы использовать в производстве высококачественного картона. Целью настоящего изобретения, следовательно, является создание способа изготовления высококачественного картона, в котором не требуется включение СМТР из хвойной древесины и который обладает качеством, сравнимым с качеством обычного высококачественного картона. Эту цель достигают, изготавливая высококачественный картон согласно п. 1 формулы изобретения.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является решение проблемы нахождения замены СМТР из хвойной древесины, которую можно было бы использовать в изготовлении высококачественного картона, обладающего высокой изгибной жесткостью. Эту цель достигают путем изготовления высококачественного картона согласно п. 1 формулы настоящего изобретения. Высококачественный картон содержит по меньшей мере два слоя, где первый слой обладает хорошими свойствами поверхности и прочностью, а второй слой предназначен для обеспечения картона объемностью, причем второй слой содержит СМТР из древесины лиственных пород. Этот картон обладает внутренней прочностью и изгибной прочностью, сравнимыми с аналогичными свойствами обычного высококачественного картона, изготовленного на основе СМТР из хвойной древесины.
2
6
3
Второй слой картона предпочтительно содержит 7-100 мас.% СМТР из древесины лиственных пород и 0-93 мас.% целлюлозы и/или СМТР из хвойной древесины, при этом (все процентные доли вычислены от суммарной массы волокна упомянутого второго слоя, благодаря чему достигнуты следующие показатели: связанность по Скотту, составляющая по меньшей мере 80 Дж/м; индекс изгибной прочности, составляющий по меньшей мере 5 Нм/кг; и прочность в направлении z, составляющая по меньшей мере 200 кПа; и, таким образом, выполнены требования, предъявляемые к высококачественному картону для изготовления изделий для многих различных применений.
Даже более предпочтительно, второй слой содержит 50-90 мас.% СМТР из древесины лиственных пород и 10-50 мас.% целлюлозы, и/или СМТР из хвойной древесины или, наиболее предпочтительно, 60-80 мас.% СМТР из древесины лиственных пород и 20-40 мас.% целлюлозы и/или СМТР из хвойной древесины, при этом все процентные доли вычислены от суммарной массы волокна упомянутого второго слоя, благодаря чему получают высококачественный картон, более экономически привлекательный.
Картон может дополнительно содержать третий слой, расположенный в картоне таким образом, что второй слой располагается между упомянутыми первым и третьим слоями для получения высокой изгибной жесткости картона. Картон может содержать дополнительно слои, расположенные между упомянутыми первым и третьим слоями, в дополнение ко второму слою. Эти промежуточные слои могут иметь тот же, что и второй слой, или отличающийся состав волокна. Картон может, например, содержать всего четыре или пять слоев.
Предпочтительно, чтобы СМТР из древесины лиственных пород второго слоя содержала СМТР из эвкалиптовой древесины, так как эвкалиптовая древесина широко доступна в глобальном масштабе, особенно - на развивающихся рынках, например, в Азии и Южной Америке, и экономически эффективна при использовании.
2
6
3
2
2
В одном варианте исполнения изобретения картон обладает связанностью по Скотту 120-350 Дж/м; индексом изгибной прочности 8-20 Нм/кг; содержанием гексаналя менее 600 ч/млрд, при определении в течение одной недели после изготовления картона, и показателем при испытании на краевое впитывание (EWT, Edge Wick Test) (с использованием молочной кислоты) - менее 2 кг/м и/или показателем при EWT (с использованием перекиси водорода) - менее 2 кг/м. Картон согласно данному варианту исполнения пригоден для использования в качестве упаковочного картона для жидкости, так как он отвечает требованиям, предъявляемым к картону данного назначения.
6
3
2
2
В другом варианте исполнения изобретения второй слой содержит 7-80 масс.%, предпочтительно, 20-60 масс.% СМТР из древесины лиственных пород, при этом все процентные доли вычислены от суммарной массы волокна упомянутого второго слоя. Картон согласно данному варианту исполнения обладает: индексом изгибной прочности, составляющим по меньшей мере 5 Нм/кг; значением связанности по Скотту, составляющим по меньшей мере 160 Дж/м; относительным удлинением при разрыве в поперечном направлении, составляющим по меньшей мере 2,5%; содержанием гексаналя, составляющим менее 600 ч/млрд (при определении в течение одной недели после изготовления картона), предпочтительно, менее 400 ч/млрд; показателем при EWT (с использованием кофе со сливками) менее 1,8 кг2/м. Картон согласно данному варианту исполнения пригоден для использования при изготовлении стаканов для содержания в них жидкостей, так как он отвечает требованиям, предъявляемым к картону для данного назначения.
6
3
2
В еще одном варианте исполнения изобретения картон обладает: индексом изгибной прочности, составляющим по меньшей мере 5 Нм/кг; значением связанности по Скотту, составляющим по меньшей мере 130 Дж/м; относительным удлинением при разрыве в поперечном направлении, составляющим по меньшей мере 2,5%; и содержанием гексаналя, составляющим менее 600 ч/млрд (при определении в течение одной недели после изготовления картона), предпочтительно, менее 400 ч/млрд. Картон согласно данному варианту исполнения пригоден для использования в качестве сервисного картона для пищевых продуктов, так как он отвечает требованиям, предъявляемым к картону для данного назначения.
2
В дополнительном варианте исполнения изобретения второй слой картона содержит СМТР из древесины лиственных пород и обладает: значением связанности по Скотту, составляющим по меньшей мере 80 Дж/м; и глянцем картона без покрытия (по ISO-UV; определяли с использованием фильтра 420 нм) (ISO - Международная организация по стандартизации), составлявшей по меньшей мере 82%. Картон согласно данному варианту исполнения пригоден для использования в качестве картона для графического оформления, так как он отвечает требованиям, предъявляемым к картону для данного назначения.
2
В дополнительном варианте исполнения изобретения второй слой картона содержит СМТР из древесины лиственных пород и обладает: значением связанности по Скотту, составляющим по меньшей мере 80 Дж/м; содержанием гексаналя, составляющим менее 300 ч./млрд, предпочтительно, менее 200 ч./млрд (при определении в течение одной недели после изготовления картона); и глянцем картона без покрытия (по ISO-UV; определяли с использованием фильтра 420 нм), составлявшим по меньшей мере 82%. Картон согласно данному варианту исполнения пригоден для использования в качестве картона для сигарет, так как он отвечает требованиям, предъявляемым к картону для данного назначения.
Изобретение также относится к упаковке, изготовленной из картона согласно настоящему изобретению, для содержания в ней жидкостей.
Изобретение также относится к упаковке, изготовленной из картона согласно настоящему изобретению, для содержания в нем пищевых продуктов. В одном варианте исполнения упаковка предпочтительно предназначена для содержания в ней замороженных пищевых продуктов.
Изобретение также относится к упаковке, изготовленной из картона согласно настоящему изобретению, для содержания в ней сигарет.
Изобретение также относится к упаковке, изготовленной из картона согласно настоящему изобретению, для содержания в ней лекарственных препаратов.
Изобретение также относится к упаковке, изготовленной из картона согласно настоящему изобретению, для содержания в ней косметических изделий.
Подробное описание изобретения
Высококачественный картон согласно настоящему изобретению содержит по меньшей мере два слоя, из которых первый слой обладает хорошими свойствами поверхности и прочностью, а второй слой предназначен для обеспечения картона объемностью. Первый слой, который можно также называть верхним слоем, изготавливают из сырьевого материала, обладающего высокой плотностью и высоким модулем упругости, предпочтительно, из целлюлозы, благодаря которой придают продукту хорошую прочность. Первый слой также обладает хорошими свойствами для печатания и обеспечивает изделие поверхностью, пригодной для печатания. Посредством второго слоя картона, который можно также называть средним слоем, обеспечивают продукт объемностью и достаточной прочностью. Согласно настоящему изобретению, второй слой содержит СМТР из древесины лиственных пород. Сочетание первого и второго слоев придает картону высокую изгибную прочность. В некоторых предпочтительных вариантах исполнения картон содержит третий слой, который можно также называть задним слоем. С помощью третьего слоя обеспечивают возможность оптимизации структуры картона, и при этом обеспечивают высокую изгибную прочность, например изгибную прочность картона можно сохранить на высоком уровне, даже если используют второй слой с более низкой внутренней прочностью. Картон согласно изобретению может также, предпочтительно, содержать один или большее число слоев, расположенных между первым и третьим слоями. Эти слои можно называть, вместе со вторым слоем, средними слоями. Средние слои могут иметь тот же состав композиции, что и второй слой, или отличный от него состав, в зависимости от желаемых свойств картона. Картон согласно изобретению изготавливают в соответствии с обычной технологией производства многослойных картонов.
Изгибная прочность и изгибная жесткость являются взаимосвязанными свойствами, которые зависят от модуля упругости материалов и от толщины картона. С целью снижения затрат предложено изготавливать картон с минимальным содержанием сырьевых материалов при максимальной толщине. Изгибную жесткость можно определять по формулам, представленным в немецком стандарте DIN 53121:1996-12, формула 5.1.2.2. Обычный способ оптимизации использования сырьевого материала для достижения наилучшей изгибной жесткости, заключается в использовании сырьевого материала с высокой плотностью и высоким модулем упругости в поверхностных слоях (верхнем и нижнем слоях) и в использовании сырьевых материалов с высокой объемностью (низкой плотностью) в среднем слое. Назначением среднего слоя является, таким образом, удерживание поверхностных слоев на максимальном расстоянии друг от друга, при сохранении достаточной жесткости в направлении z.
Высококачественный картон - это картон с высокой прочностью, чтобы он выдерживал нагрузки, возникающие при видоизменении, хорошими защитными свойствами, а также хорошим внешним видом.
До настоящего времени для изготовления среднего слоя при производстве высококачественного картона использовали древесные массы из хвойной древесины, так как за счет длинных и прочных волокон хвойной древесины обеспечивали большую внутреннюю связанность, чем посредством более коротких волокон древесины лиственных пород и, как следствие, с помощью волокнистой массы из хвойной древесины получали продукт с большой объемностью при сохранении прочностных свойств.
При общем стремлении к повышению качества продукции и достижению экономической эффективности, СМТР из древесины лиственных пород попала в фокус внимания благодаря ее большой повсеместной доступности.
СМТР (химико-термомеханическую древесную массу) следует рассматривать как родовое обозначение всех видов химико-механических волокнистых масс, независимо от химических веществ, температуры и/или давления, используемых во время их изготовления. Таким образом, СМТР может, например, быть: BCTMP, APTMP, APMP, PRC-ATMP или CMP. При изготовлении СМТР выход превышает 70%, предпочтительно, превышает 75%.
Прочностные свойства СМТР из древесины лиственных пород ниже аналогичных свойств СМТР из хвойной древесины, которую применяют для изготовления картона. Следовательно, СМТР из древесины лиственных пород не следует рассматривать как альтернативный источник для использования в среднем слое высококачественного картона, так как назначение среднего слоя заключается в придании объемности при сохранении прочности картона.
Неожиданно было установлено, что СМТР из древесины лиственных пород можно использовать в качестве компонента среднего слоя при производстве высококачественного картона, без какого-либо существенного снижения прочности готового картона, в сравнении с картоном со средним слоем из СМТР из хвойной древесины. Этот результат был совершенно неожиданным, если принять во внимание более низкие прочностные свойства СМТР из древесины лиственных пород. Одно объяснение заключается в том, что это могло бы быть результатом более равномерной структуры слоя, который формировали при использовании СМТР из древесины лиственных пород, в сравнении со слоем, который формировали из СМТР из хвойной древесины.
Было установлено, что основные прочностные свойства картонов, содержащих СМТР из древесины лиственных пород в среднем слое, сравнимы с прочностными свойствами эталонных картонов из СМТР из хвойной древесины при сходных составах композиций. Существенный показатель связанности по Скотту, говорящий о прочности, которую рассматривали как наиболее вероятное препятствие при использовании СМТР из древесины лиственных пород, который был достигнут, имел приемлемый уровень и был только минимально ниже данного показателя картона, содержавшего СМТР из эталонной хвойной древесины. Кроме того, было неожиданно установлено, что прочность в направлении z картона из СМТР из древесины лиственных пород находится на очень хорошем уровне, который даже выше показателя картона, содержавшего СМТР из эталонной хвойной древесины, несмотря на тот факт, что прочность в направлении z СМТР из древесины лиственных пород более низкая, чем аналогичный показатель СМТР из хвойной древесины. Это показывает, что внутренняя прочность картона из СМТР из древесины лиственных пород согласно изобретению очень хорошая. Кроме того, индекс изгибной прочности, сопоставимый с изгибной жесткостью, также находится на хорошем уровне.
К дополнительным преимуществам СМТР из древесины лиственных пород относятся: хорошие свойства поверхности и зрительно воспринимаемые свойства. При сравнении с картоном, содержавшим СМТР из хвойной древесины, глянец картона, содержавшего СМТР из древесины лиственных пород, был более высокий, формовочные свойства, а также гладкость поверхности были лучшими. Эти преимущества сохранялись при каландрировании базового картона до желаемой плотности. При использовании СМТР из древесины лиственных пород в среднем слое, глянец картона, таким образом, увеличивался. Так как СМТР из древесины лиственных пород обладает лучшими зрительно воспринимаемыми свойствами, и при ее использовании обеспечиваются лучшие формовочные свойства, требования к зрительно воспринимаемым свойствам наружных слоев снижены, и верхний и/или нижний слои картона можно изготавливать более тонкими. Это является важным аспектом в производстве высококачественных картонов, так как пригодность для печатания и хорошие свойства поверхности являются важными факторами.
Испытания на биговку и складывание показали, что картон из СМТР из древесины лиственных пород согласно изобретению ведет себя аналогично картонам из СМТР из эталонной хвойной древесины. Испытания с использованием раствора молочной кислоты для моделирования краевого проникновения в упаковку для жидкости показали, что базовые картоны из СМТР из древесины лиственных пород согласно изобретению обладали большей способностью к проклеиванию, чем картоны из СМТР из эталонной хвойной древесины.
Помимо хороших обычных прочностных свойств (связанности по Скотту и прочности в направлении z) и хороших свойств поверхности (пригодности для печатания и гладкости,) высококачественный картон должен обладать высокой чистотой в отношении неприятного запаха и привкуса. В этом аспекте СМТР из древесины лиственных пород предпочтительнее, чем СМТР из хвойной древесины, благодаря меньшему содержанию экстрактивных веществ и меньшему содержанию гексаналя в СМТР из древесины лиственных пород, в сравнении с обычным картоном из СМТР из хвойной древесины и, следовательно, риски, относящиеся к проблемам, связанным с неприятными запахом и привкусом, очень малы. Большую часть экстрактивных веществ, особенно компонентов ненасыщенных жирных кислот, которые являются основными веществами, вызывающими образование гексаналя, удаляют из СМТР из древесины лиственных пород в большей степени, в сравнении с обычной СМТР из хвойной древесины. Этим придают хороший запах и привкус готовому картону.
Волокна, используемые для изготовления картона, являются обычно натуральными волокнами. Натуральными волокнами являются волокна, которые не использовали ранее в продукции для потребителя, в противоположность вторичным волокнам из макулатуры. Внутреннюю бумажную массу, таким образом, определяют как натуральные волокна. Для картона, предназначенного к использованию в качестве упаковки для пищевых продуктов и т.п., применение вторичного волокна обычно не допускается. Вторичный волокнистый материал не столь чистый, как натуральные волокна, и существуют ограничения в применении вторичных волокнистых материалов в этих видах картонов. Согласно изобретению можно использовать все виды древесины лиственных пород, например, эвкалипт, тополь, осину, клен или березу. Особенно предпочтительна СМТР из эвкалиптовой древесины, так как при ее использовании получаются хорошие результаты, и она глобально легкодоступна, особенно - на развивающихся рынках, например, в Азии и Южной Америке, и ее использование экономически эффективно.
СМТР из древесины лиственных пород для использования в производстве картона согласно изобретению может обладать свойствами, представленными ниже в Таблице 2.
Таблица 2
Свойства СМТР из древесины лиственных пород
CSF - садкость по канадскому стандартному методу (мл)
200-600 (предпочтительно 300-400)
Объемность, измеренная по стандартному методу SCAN (м<sup>3</sup>/кг)
2-4 (предпочтительно 2,5-3,5)
Индекс прочности на разрыв при растяжении (Нм/г)
10-60 (предпочтительно 20-50)
Индекс прочности на разрыв (кПа)
2-10 (предпочтительно 3-6)
Коэффициент рассеяния света (м<sup>2</sup>/кг)
30-60 (предпочтительно 40-50)
Связанность по Скотту (Дж/м<sup>2</sup>)
20-150 (предпочтительно 40-100)
Шероховатость по Бендстену 0,1 М РА S1 (мл/мин)
500-4000 (предпочтительно 1000-3000)
Глянец по ISO (%)
40-90 (предпочтительно 60-80)
СМТР из древесины лиственных пород для использования в производстве картона для содержания в нем жидкостей, предпочтительно, обладает свойствами, представленными ниже в Таблице 3.
Таблица 3
Свойства СМТР из древесины лиственных пород для изготовления картона для содержания в нем жидкостей
CSF (мл)
200-600 (предпочтительно 300-400)
Объемность (SCAN) (м<sup>3</sup>/кг)
2-4 (предпочтительно 2,5-3,5)
Индекс прочности на разрыв при растяжении (Нм/г)
20-60 (предпочтительно 30-50)
Индекс прочности на надрыв (кПа)
2-8 (предпочтительно 3-6)
Коэффициент рассеяния света (м<sup>2</sup>/кг)
30-60 (предпочтительно 40-50)
Связанность по Скотту (Дж/м<sup>2</sup>)
30-150 (предпочтительно 40-100)
Шероховатость по Бендстену 0,1 М РА S1 (мл/мин)
500-4000 (предпочтительно 500-2000)
Глянец по ISO (%)
Более 40 (предпочтительно - более 60)
Содержание ацетоновых экстрактивов (%)
Менее 0,5 (предпочтительно - менее 0,2)
Содержание гексаналя (ч/млрд) (при измерении в течение недели после изготовления)
Менее 600 (предпочтительно - менее 400)
Как указано выше, второй, или средний, слой картона содержит СМТР из древесины лиственных пород. Кроме того, он предпочтительно также содержит армирующую волокнистую массу. В качестве армирующей волокнистой массы обычно используют целлюлозу того же типа, что и при изготовлении традиционного картона из СМТР из хвойной древесины. Армирующая волокнистая масса может также быть СМТР из хвойной древесины или смесью целлюлозы и СМТР из хвойной древесины. Для изготовления первого и, по усмотрению, третьего слоев (верхнего и нижнего слоев) картона используют целлюлозу из древесины лиственных пород и/или из хвойной древесины, как в традиционном картоне из СМТР из хвойной древесины.
В случае если картон состоит более чем из трех слоев, например из четырех-пяти слоев, то по меньшей мере один из средних слоев содержит СМТР из древесины лиственных пород. Например, верхний и нижний слои картона могут содержать целлюлозу, тогда как промежуточный слой, расположенный вблизи верхнего слоя, содержит СМТР из хвойной древесины, а слой, расположенный вблизи нижнего слоя, содержит СМТР из древесины лиственных пород. Путем тщательного выбора состава композиции каждого слоя можно оптимизировать свойства готового картона согласно предполагаемому конечному назначению.
2
6
3
Высококачественные картоны разделены на ряд различных типов, в зависимости от их предполагаемого конечного назначения. К картону каждого вида применения предъявляются различные требования, касающиеся свойств картона, и следовательно, предполагается, что каждый тип картона обладает определенными характеристиками, например, прочностными свойствами; внутренней связанностью (связанностью по Скотту, Дж/ м); индексом изгибной прочности, Нм/кг; прочностью в направлении z, кПа; неприятным запахом/привкусом (содержанием гексаналя, ч/млрд); глянцем (по ISO), %; краевым проникновением; относительным удлинением при разрыве в поперечном направлении, %; и т.п. Следовательно, картон согласно настоящему изобретению для различных применений характеризуется параметрами, соответствующими предполагаемому конечному назначению. Следующие методики и стандарты использованы как в определениях в прилагаемой формуле изобретения, так и в измерениях, выполненных в примере, приведенном ниже.
Краевое проникновение является мерой гидрофобности и способности к проклеиванию, и его определяли путем испытаний на краевое впитывание (EWT) согласно следующей методике:
Образцы картона покрывали с обеих сторон водонепроницаемой лентой и разрезали на отрезки определенного размера. Образцы кондиционировали при температуре 23°C, относительной влажности 50% в течение 10 минут, после чего измеряли толщину и массу образов. Затем образы помещали в тест-раствор (ванну) на определенный период времени. Состав ванны: молочная кислота (концентрация - 1 мас.%, продолжительность - 1 час); перекись водорода (концентрация - 35 мас.%, 70°C, продолжительность - 10 мин); кофе со сливками (1 литр водопроводной воды, 9,5 г растворимого кофе, 17,5 г сухих сливок, 80°C, продолжительность - 10 мин). Затем вычисляли индекс впитывания по формуле
2
где E= индекс впитывания (кг/м);
W1= масса образца до ванны (мг);
W2= масса образца после ванны (мг);
t= толщина образца (мкм);
l= суммарная длина краев образцов.
Содержание гексаналя определяли в течение одной недели после изготовления картона, применяя методику газовой хроматографии, согласно которой образец нагревали в емкости (Perkin Elmer HS 40XL) до температуры 90°C, выдерживали в течение 40 мин и выделявшийся газ направляли в газовый хроматограф (AutoSystem XL with FID), где разделяли компоненты образца. Количество гексаналя определяли в ч./млрд (мкг/кг).
Индекс формования определяли согласно внутреннему стандарту, используя AMBERTEC Beta Formation Tester.
Изгибную прочность определяли согласно стандарту SCAN-P 29:95 (L&W 15 градусов).
Индекс изгибной прочности (F) вычисляли по формуле:
6
3
F=10^6*Fb/w^3 (Нм/кг),
2
где w= поверхностная плотность (г/м);
Fb= изгибная прочность (мН).
Индекс изгибной прочности соотносится с геометрическим индексом изгибной прочности, который вычисляют по формуле:
геом
продольн
поперечн
F= (F*F)^0,5,
продольн
где F= индекс изгибной прочности в продольном направлении;
поперечн
F= индекс изгибной прочности в поперечном направлении.
Для оценки пригодности к видоизменению картона производили испытании на биговку и складывание картона. Для измерений использовали ширину бига 1,3 мм. Размеры образца составляли: ширина 38 мм, длина 50 мм. Глубину бига выбирали из следующих величин: 0 мкм, 100 мкм и 200 мкм плюс толщина картона. Испытания на складывание выполняли, используя L&W методику при длине образца 10 мм, угле сгиба 120° и скорости сгибания 90°/с.
Следующие свойства определяли согласно указанным стандартам:
связанность по Скотту: TAPPI UM-403 (TAPPI - Техническая ассоциация бумагоделательной промышленности США);
прочность на разрыв в направлении z: SCAN-P 80:98;
CSF: ISO 5267-2;
объемность (SCAN): по ISO-534;
индекс прочности на разрыв при растяжении: по SCAN-P 67;
индекс прочности на раздирание: по ISO 1974;
коэффициент рассеяния света: по ISO 9416;
шероховатость по Бендстену: по SCAN-P 84;
глянец: по ISO 2470;
прочность в направлении z: по SCAN-Р 80;
относительное удлинение при разрыве в поперечном направлении: по SCAN-P 67;
плотность: по ISO 534.
2
6
3
Согласно изобретению второй слой (средний слой) предпочтительно содержит 7-100 мас.% СМТР из древесины лиственных пород (все процентные доли вычислены от суммарной массы волокна второго слоя). Остальной волокнистый материал в слое является целлюлозой и/или СМТР из хвойной древесины. В зависимости от желаемого конечного применения картона состав композиции каждого слоя выбирают с учетом требований, предъявляемых к данному конкретному конечному применению. Второй слой, предпочтительно, содержит 50-90 мас.% СМТР из древесины лиственных пород и 10-50 мас.% целлюлозы и/или СМТР из хвойной древесины. Еще более предпочтительно второй слой содержит 60-80 мас.% СМТР из древесины лиственных пород и 20-40 мас.% целлюлозы и/или СМТР из хвойной древесины, в результате чего получают картон, который, например, очень пригоден в качестве картона для складываемых коробок (FBB -folding box board). Все получаемые в результате картоны являются высококачественными, обладающими связанностью по Скотту 80-400 Дж/м, индексом изгибной прочности 5-20 Нм/кги прочностью в направлении z 200-500 кПа.
2
6
3
2
2
В одном предпочтительном варианте исполнения согласно изобретению, картон обладает: связанностью по Скотту 120-350 Дж/м; индексом изгибной прочности 8-20 Нм/кг; содержанием гексаналя менее 600 ч./млрд, при определении в течение одной недели после изготовления картона; и показателем при EWT (при испытаниях на краевое впитывание) (с использованием молочной кислоты) менее 2 кг/м и/или показателем при EWT (с использованием перекиси водорода) менее 2 кг/м. Картон согласно данному варианту исполнения обладает большой чистотой, большой прочностью и хорошими показателями на впитывание перекиси водорода и/или молочной кислоты, и все эти параметры важны для упаковочных материалов, предназначенных для содержания в них жидкости. Картон отвечает требованиям, предъявляемым к материалам, предназначенным для использования в качестве упаковочного картона для жидкости, и, таким образом, пригоден для изготовления упаковочных картонов для содержания в них жидкостей, таких, как молоко или сок.
6
3
2
2
2
В другом варианте исполнения согласно изобретению второй слой содержит 7-80 мас.%, предпочтительно, 20-60 мас.% СМТР из древесины лиственных пород, при этом все процентные доли вычислены от суммарной массы волокна упомянутого второго слоя. Картон согласно данному варианту исполнения обладает индексом изгибной прочности, составляющим по меньшей мере 5 Нм/кг; связанностью по Скотту, составляющей по меньшей мере 160 Дж/м; относительным удлинением при разрыве в поперечном направлении, составляющим по меньшей мере 2,5%, предпочтительно, 3,5%; содержанием гексаналя менее 600 ч./млрд (при определении в течение одной недели после изготовления картона), предпочтительно, менее 400 ч./млрд; и показателем при EWT (с использованием кофе со сливками) менее 1,8 кг/м. Этот сорт картона обладает высоким показателем формования, большой чистотой, а также хорошей прочностью в поперечном направлении, что отвечает требованиям, предъявляемым к картону для стаканов, и, таким образом, он пригоден для изготовления стаканов для содержания в них жидкостей, например, кофе или других напитков.
6
3
2
В еще одном варианте исполнения согласно изобретению, картон обладает: индексом изгибной прочности, составляющим по меньшей мере 5 Нм/кг; связанностью по Скотту, составляющей по меньшей мере 130 Дж/м; относительным удлинением при разрыве в поперечном направлении, составляющим по меньшей мере 2,5%, предпочтительно, 3,5%; содержанием гексаналя менее 600 ч./млрд (при определении в течение одной недели после изготовления картона), предпочтительно, менее 400 ч/млрд. Картон согласно данному варианту исполнения обладает большой чистотой в сочетании с хорошей прочностью и относительным удлинением в поперечном направлении, и отвечает требованиям, предъявляемым к сервисному картону для пищевых продуктов, что делает его пригодным для использования в производстве упаковочных картонов для пищевых продуктов, особенно - упаковочных картонов, в которых пищевой продукт непосредственно контактирует с картоном.
2
В дополнительном варианте исполнения согласно изобретению, второй слой картона содержит СМТР из древесины лиственных пород и обладает: связанностью по Скотту, составляющей по меньшей мере 80 Дж/м; и глянцем (по ISO-UV; определяли с использованием фильтра 420 нм) картона без покрытия, составляющей по меньшей мере 82%. Картон согласно данному варианту исполнения обладает хорошей прочностью и хорошими зрительно воспринимаемыми свойствами, и отвечает требованиям, предъявляемым к картону для графического оформления, и, таким образом, пригоден для использования в качестве упаковочных картонов для содержания в них, например, лекарственных препаратов или косметических изделий.
2
В другом варианте исполнения согласно изобретению второй слой картона содержит СМТР из древесины лиственных пород и обладает: связанностью по Скотту, составляющей по меньшей мере 80 Дж/м; содержанием гексаналя менее 300 ч./млрд, предпочтительно, менее 200 ч./млрд (при определении в течение одной недели после изготовления картона); и глянцем (по ISO-UV; определяли с использованием фильтра 420 нм) картона без покрытия, составляющей по меньшей мере 82%. Картон согласно данному варианту исполнения обладает хорошей прочностью и хорошими зрительно воспринимаемыми свойствами, а также очень хорошей чистотой, и отвечает требованиям, предъявляемым к картону для содержания в нем сигарет.
Пример
Для оценки высококачественного картона согласно изобретению была выполнена серия испытаний, в которых картоны из СМТР из древесины лиственных пород трех различных составов сравнивали с соответствующими картонами из СМТР из хвойной древесины. Все картоны, подвергавшиеся испытаниям, имели трехслойную структуру, включавшую верхний и нижний слои, и средний слой.
Изучали прочность, свойства поверхности и свойства при складывании/биговке различных картонов. Все испытания выполняли согласно методикам и стандартам, указанным выше, и все анализы проводили согласно доступным стандартам после кондиционирования при температуре 23°C и относительной влажности 50%.
Волокнистые массы
СМТР, которые использовали в среднем слое, были из эвкалиптовой древесины и из хвойной древесины. Свойства обеих волокнистых масс соответствовали обычным свойствам, наиболее важные свойства представлены в Таблице 4.
Таблица 4
Свойства СМТР из эвкалиптовой древесины и СМТР из хвойной древесины
СМТР из эвкалиптовой древесины
СМТР из хвойной древесины
CSF (мл)
540
480
Объемность (SCAN) (м<sup>3</sup>/кг)
3,04
2,82
Индекс прочности на разрыв при растяжении (Нм/г)
24
30,2
Индекс сопротивления раздиранию (мНм<sup>2</sup>/г)
3
10,7
Коэффициент рассеяния света (м<sup>2</sup>/кг)
42,0
36,5
Связанность по Скотту (Дж/м<sup>2</sup>)
45
65
Прочность в направлении z (кПа)
102
135
Шероховатость по Бендстену 0,1 М РА S1 (мл/мин)
2506
2653
Глянец по ISO (%)
84
75
Как показано в Таблице 4, наибольшие различия между двумя волокнистыми массами имели место: по внутренней прочности (связанности по Скотту и прочности в направлении z), по сопротивлению раздиранию (индекс раздирания), индексу прочности при растяжении и зрительно воспринимаемым свойствам (коэффициенту рассеяния света и глянцу по ISO). Различия по прочностным свойствам могут быть объяснены морфологией волокна, т.е. тем, что эвкалиптовое волокно много короче и меньше, чем волокно хвойной древесины.
В качестве армирующих волокнистых масс использовали крафт-целлюлозу из хвойной древесины, со степенью взбивания до 25°SR, и эвкалиптовую крафт-целлюлозу, размолотую до 35 SR. Взбивание производили на пилотной бумагоделательной машине с рафинером модели JC00. Для верхнего и нижнего слоев использовали крафт-целлюлозу из хвойной древесины и крафт-целлюлозу из эвкалиптовой древесины.
Картон
2
Было изготовлено шесть вариантов трехслойного картона, каждый из которых содержал верхний и нижний слои, изготовленные из крафт-целлюлозной композиции, и средний слой, изготовленный из СМТР/крафт-целлюлозной композиции, с различными составами композиций. Плотность картонов составляла приблизительно 170 г/м, причем масса слоев: верхнего, среднего и нижнего - составляли соответственно: 34-108-28. Верхний и нижний слои для всех картонов имели одинаковый состав композиции: СМТР из крафт-целлюлоза из хвойной древесины /крафт-целлюлоза из эвкалиптовой древесины = 30/70.
Прочность
Картоны со средним слоем, содержавшим 60-70-80 мас.% СМТР из древесины ели (эталон) и 60-70-80 мас.% эвкалиптовой древесины (согласно изобретению), подвергли сравнительным испытаниям. К числу прочностных свойств, которые определяли во время испытаний, относились: внутренняя связанность (связанность по Скотту и прочность в направлении z); индекс изгибной прочности (которая корреляционно связана с изгибной жесткостью); и индекс сопротивления раздиранию. Испытания выполняли до каландрирования. Изгибная прочность снижалась после каландрирования. Составы композиций картонов и их свойства до каландрирования показаны в Таблице 5.
Таблица 5
Составы композиций и свойства картона до каландрирования
Испытание №
Доля СМТР из эвкалиптовой древесины (%)
ДоляСМТР из древесины ели (%)
Крафт-целлю-лозаSW (%)
Крафт-целлюлозаиз эвка-липтовой древесины(%)
Плотность (кг/м<sup>3</sup>)
Связан-ность по Скотту (Дж/м<sup>2</sup>)
Индекс изгибной прочности (Нм<sup>6</sup>/кг<sup>3</sup>)
Прочностьв направ-лении z (кПа)
Индекс сопротив-ления раздиранию (мНм<sup>2</sup>/г)
1 Эталон
0
80
4
16
412
164
25,3
254
13,9
2 Эталон
0
70
9
21
429
207
23,1
291
14,0
3 Эталон
0
60
27
13
489
269
18,3
427
14,4
4
80
0
4
16
409
139
32,6
277
10,3
5
70
0
9
21
437
173
24,9
331
11,3
6
60
0
27
13
469
256
21,6
422
12,1
Сравнение показывает, что внутренняя связанность (связанность по Скотту) картона согласно изобретению (содержащего СМТР из эвкалиптовой древесины) (испытания № 4-6) сравнима с внутренней связанностью эталонного картона (содержавшего СМТР из древесины ели) (испытания № 1-3), что было неожиданно, если принять во внимание значение связанности по Скотту самой СМТР из эвкалиптовой древесины (см. Таблицу 4). Прочность в направлении z даже больше у картонов, содержавших СМТР из эвкалиптовой древесины, чем у картона, содержавшего СМТР из древесины ели.
Картон согласно изобретению отличается от эталонного картона по сопротивлению раздиранию. Однако это отличие меньше того, которое можно было ожидать, принимая во внимание большую разницу в длине волокна СМТР из эвкалиптовой древесины и СМТР из древесины ели.
Индекс изгибной прочности картона согласно изобретению даже больше аналогичного показателя эталонного картона. Причина этого может заключаться в том, что картон, содержавший СМТР из эвкалиптовой древесины, обладал большей объемностью, чем картон, содержавший СМТР из древесины ели.
Свойства поверхности
Индекс формования и шероховатость поверхности картонов определяли согласно стандартным методикам, описанным выше. Шероховатость поверхности является способом определения гладкости поверхности, которая является важным параметром для печатания. Индекс формования определяли по отклонениям поверхностной плотности с использованием оборудования Ambertec, с помощью которого измеряли малые отклонения плотности.
Таблица 6
Индекс формования и шероховатость поверхности картонов
Испытание №
Картон
Индекс формования, определявшийся с использованием оборудования Amberetec Norm. Stdev.
Шероховатость по Бендстену 0,1 М РА S1 (мл/мин), точность+/-10%
1 Эталон
Древесина ели 80
0,76
1813
2 Эталон
Древесина ели 70
0,79
1653
3 Эталон
Древесина ели 60
0,86
1928
4
Эвкалиптовая древесина 80
0,65
1337
5
Эвкалиптовая древесина 70
0,78
1729
6
Эвкалиптовая древесина 60
0,83
1895
Индекс формования показал улучшенное формование картонов согласно изобретению. Улучшение было наиболее значительным при большом содержании СМТР, составлявшем 80 мас.%.
Гладкость поверхности картона согласно изобретению аналогична гладкости поверхности эталонного картона. Поверхность становится более шероховатой с увеличением содержания армирующей волокнистой массы, возможно, из-за ухудшенного формования при использовании длинных волокон целлюлозы из хвойной древесины.
Способность к проклеиванию
Способность к проклеиванию (поглощение жидкости) картона исследовали путем добавления различных AKD в средний слой, при этом сохраняя проклеенность поверхности (наружных слоев) постоянной. Проводили испытания на краевое впитывание (EWT) с использованием молочной кислоты согласно методике, описанной ранее. Эталонный картон содержал 60 мас.% СМТР из древесины ели в среднем слое с добавкой AKD 2,5 кг/т. Картоны согласно изобретению содержали 60 мас.% СМТР из эвкалиптовой древесины с переменным содержанием добавки AKD. Все образцы картона отверждали в рулоне, т.е. отверждение происходило, когда картон хранили в виде рулонов. Концентрация раствора молочной кислоты в ванне составляла 1%, обработка длилась 1 час.
Таблица 7
Поглощение жидкости при различном содержании добавок AKD
Картон
Добавка AKD (кг/т)
Краевое впитывание (EWT) молочной кислоты (кг/м<sup>2</sup>)
Картон с содержанием волокна древесины ели 60 мас.% (эталон)
2,5
0,199
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 60 мас.%
1,5
0,223
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 60 мас.%
2,5
0,135
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 60 мас.%
3,5
0,146
При содержании AKD 2,5 кг/т картон согласно изобретению обладал большей проклееностью, чем соответствующий эталонный картон. Никаких дополнительных улучшений не было достигнуто посредством увеличения содержания AKD.
Складывание и биговка
Композиции подвергнутых испытаниям картонов содержали в среднем слое 80 мас.%, и соответственно 60 мас.%, СМТР из хвойной древесины и 80 мас.%, и соответственно 60 мас.%, СМТР из эвкалиптовой древесины. Составы композиций других слоев, а также поверхностные плотности картонов были такими же, как указано выше.
Таблица 8
Усилие при биговке и момент складывания в поперечном направлении картона
Картон
Глубина бига (мм)
Усилие при биговке (Н)
Относительный максимальный момент складывания (Нм) L&W
Картон с содержанием волокна древесины ели 80, мас.%
0
126
0,64
Картон с содержанием волокна древесины ели 80, мас.%
100
173
0,55
Картон с содержанием волокна древесины ели 80, мас.%
200
219
0,48
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 80, мас.%
0
118
0,65
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 80, мас.%
100
160
0,54
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 80, мас.%
200
229
044
Картон с содержанием волокна древесины ели 60, мас.%
0
107
0,76
Картон с содержанием волокна древесины ели 60, мас.%
100
142
0,66
Картон с содержанием волокна древесины ели 60, мас.%
200
181
0,55
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 60, мас.%
0
109
0,76
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 60, мас.%
100
138
0,56
Картон с содержанием волокна эвкалиптовой древесины 60, мас.%
200
201
0,52
Испытания на биговку показали, что картон согласно изобретению и эталонный картон ведут себя совершенно одинаково. С увеличением содержания армирующего волокна меньшее усилие требуется для биговки картонов до заданной глубины. Испытание на складывание после биговки показали, что картон согласно изобретению и эталонный картон из хвойной древесины ведут себя сходным образом.
Настоящее изобретение описано на примерах предпочтительных вариантов исполнения. Однако специалисту в данной области понятно, что можно создать ряд вариантов и модификаций изобретения без отступления от объема изобретения, описанного в настоящей заявке.