БУМАЖНАЯ ИЛИ КАРТОННАЯ ПОДЛОЖКА, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОДЛОЖКИ И УПАКОВКА, СФОРМИРОВАННАЯ ИЗ ПОДЛОЖКИ
PAPER OR PAPERBOARD SUBSTRATE, METHOD OF MANUFACTURING SUBSTRATE, AND PACKAGE FORMED FROM SUBSTRATE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к бумажной или картонной подложке, имеющей свойства непроницаемости. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления указанной подложки и к упаковке, изготовленной из подложки.
Уровень техники
Изделия на основе волокон, используемые в качестве упаковок, должны иметь способность одновременно защищать упакованный продукт от внешних воздействий, а также противостоять воздействию упакованного продукта. Один способ обеспечения желательной защиты заключается в том, чтобы сделать упаковку непроницаемой.
В случае скоропортящихся продуктов, таких как чувствительные к кислороду продукты, требуются характеристики кислородонепроницаемости упаковки для обеспечения продолжительного срока хранения упакованного продукта. При ограничении воздействия кислорода на чувствительные к кислороду продукты сохраняется качество и увеличивается срок хранения многих продуктов. Например, ограничивая воздействие кислорода на чувствительные к кислороду продукты питания в системе упаковки, можно сохранить качество продуктов питания и замедлить их порчу. Кроме того, такая упаковка также дольше сохраняет продукт в товарных запасах, в результате чего уменьшаются расходы на отходы и необходимое пополнение запасов.
Материалы, непроницаемые, например, для жидкостей и/или жира, можно использовать для повышения устойчивости упаковки к упакованному продукту.
Непроницаемые материалы обычно изготавливают путем покрытия подложки на основе волокон составом, который придает подложке свойства непроницаемости. Можно наносить различные покрытия в зависимости от требуемых свойств непроницаемости. Наиболее часто используемые материалы для нанесения непроницаемого слоя на изделие на основе волокон представляют собой полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полиэтилентерефталат (PET), сополимер этилена и винилового спирта (EVOH) или сополимер этилена и винилацетата (EVA). EVOH обычно используют для придания кислородонепроницаемости и PE или PET обычно используют для придания непроницаемости для жидкости и/или пара. Полимеры обычно наносят на изделие на основе волокон путем ламинирования или экструзионного покрытия.
Однако толщина полимерного слоя, который придает изделию свойства непроницаемости, обычно должна быть очень большой, и изготовление такого непроницаемого изделия является достаточно дорогостоящим.
Другим материалом, обычно используемым для создания непроницаемости, является алюминий. Слой, включающий алюминий, чаще всего используют для повышения кислородонепроницаемости и светонепроницаемости бумажного или картонного изделия. Толщина алюминиевых слоев обычно является достаточно малой, часто составляя приблизительно 7-9 мкм. Алюминий придает превосходные свойства непроницаемости, но значительно увеличивает выбросы диоксида углерода, связанные с производством изделия. Кроме того, алюминий уменьшает возможность переработки упаковки. Таким образом, как у производителей, так и у конечных пользователей существует потребность в том, чтобы избежать использования алюминиевых слоев в бумажных или картонных изделиях для уменьшения выбросов диоксида углерода, связанных с производством изделий.
По-прежнему существует потребность в усовершенствованном изделии на основе волокон со свойствами непроницаемости, которое одновременно является более экономически выгодным и может производиться при низком уровне выбросов диоксида углерода.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованную подложку на основе волокон со свойствами непроницаемости.
Данная цель и другие преимущества достигаются подложкой согласно пункту 1 формулы изобретения. Настоящее изобретение относится к бумажной или картонной подложке, имеющей свойства непроницаемости, где подложка включает первый слой на основе волокон, второй слой, включающий микрофибриллированную целлюлозу (MFC), и третий слой, включающий полимер. Было показано, что сочетание слоя, включающего микрофибриллированную целлюлозу, и полимерного слоя придает превосходные свойства непроницаемости бумажной или картонной подложке.
Второй слой подложки предпочтительно прикреплен к первому слою, и третий слой предпочтительно прикреплен ко второму слою бумажной или картонной подложки. Таким образом, бумажная или картонная подложка включает три слоя, и второй слой, включающий микрофибриллированную целлюлозу, расположен между первым слоем на основе волокон и третьим полимерным слоем.
Полимер третьего слоя подложки предпочтительно представляет собой полиэтилен или полиэтилентерефталат. Эти полимеры придают бумажной или картонной подложке свойства термогерметизации, а также вместе со вторым слоем, включающим микрофибриллированную целлюлозу, желательные свойства непроницаемости.
Подложка может дополнительно включать четвертый слой, который получают методом осаждения атомных слоев (ALD). Четвертый слой предпочтительно расположен между вторым и третьим слоем. Предпочтительно, чтобы четвертый слой включал алюминий.
Подложка предпочтительно обладает непроницаемостью по отношению к жидкостям, пару, жиру, моющим средствам, кислороду и/или другим газам.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления бумажной или картонной подложки, где подложка имеет свойства непроницаемости, при этом способ включает стадии изготовления первого слоя на основе волокон, нанесения второго слоя, включающего микрофибриллированную целлюлозу, и нанесения третьего слоя, включающего полимер.
Второй слой предпочтительно наносят на первый слой путем покрытия, и третий слой предпочтительно наносят на второй слой путем ламинирования или экструзионного покрытия.
Данный способ может также включать нанесение четвертого слоя на подложку. Предпочтительно, чтобы четвертый слой наносили, используя осаждение атомных слоев (ALD). Четвертый слой предпочтительно наносят между вторым и третьим слоями подложки.
Настоящее изобретение также относится к упаковке, сформированной из бумажной или картонной подложки, упомянутой выше, где упаковку используют в качестве упаковки для продуктов питания или жидкостей.
Подробное описание
Настоящее изобретение относится к бумажной или картонной подложке, имеющей свойства непроницаемости, где подложка помимо первого слоя на основе волокон также включает второй слой, включающий микрофибриллированную целлюлозу (MFC), и третий слой, включающий полимер. Было показано, что сочетание слоя, включающего микрофибриллированную целлюлозу, и полимерного слоя придает превосходные свойства непроницаемости бумажному или картонному изделию.
2
2
2
2
Нанесение слоя, включающего микрофибриллированную целлюлозу, на первый слой на основе волокон делает более плотной поверхность первого слоя на основе волокон, т.е. малый размер частиц микрофибриллированной целлюлозы позволяет MFC заполнять пространство между волокнами поверхности первого слоя на основе волокон, что одновременно уплотняет и разглаживает поверхность. Уплотнение и повышение гладкости улучшает адгезию третьего слоя, включающего полимер, что повышает гладкость полимерного слоя, обеспечивая возникновение меньшего числа проколов или других дефектов полимерного слоя, особенно во время экструзионного покрытия. Кроме того, нанесение микрофибриллированной целлюлозы увеличивает энергию поверхности бумажной или картонной подложки. При увеличении поверхностной энергии увеличивается способность третьего слоя, включающего полимер, прикрепляться к поверхности. Таким образом, может оказаться необязательной обработка бумажной или картонной подложки, на которую нанесен второй слой, включающий MFC, используя, например, коронный разряд, для прикрепления третьего слоя, включающего полимер. Поскольку одновременно улучшается адгезия полимерного слоя и гладкость поверхности, можно уменьшить количество полимера, т.е. толщину третьего слоя, включающего полимер. Второй слой, включающий микрофибриллированную целлюлозу, можно наносить в количестве от 0,1 до 10 г/м (в сухом виде), предпочтительно в интервале от 0,5 до 3 г/м (в сухом виде). Повышение толщины слоя, включающего MFC, приводит к тому, что увеличивается модуль упругости поверхности бумажной или картонной подложки и, таким образом, также достигается повышенный коэффициент жесткости на изгиб. Толщина третьего слоя, включающего полимер, может составлять от 5 до 50 г/м, предпочтительно от 9 до 25 г/м. Однако толщина зависит от желательных конечных свойств бумажной или картонной подложки.
Неожиданно оказалось, что сочетание третьего слоя, включающего полимер, и второго слоя, включающего MFC, придает превосходные свойства кислородонепроницаемости. Сочетание уплотнения поверхности первого слоя на основе волокон и сопротивления, которое придает полимерный слой, приводит к бумажной или картонной подложке с очень хорошими свойствами кислородонепроницаемости, несмотря даже на то, что каждый слой сам по себе проявляет слабые свойства кислородонепроницаемости. Кроме того, подложка также проявляет хорошие свойства непроницаемости по отношению к жидкостям и/или пару, что обусловлено наличием третьего слоя, включающего полимер. Предпочтительно, чтобы третий слой, который включает полимер, также придавал бумажной или картонной подложке свойства термогерметизации, т.е. чтобы это был термосвариваемый полимер, который облегчает изготовление формирования из получаемой бумажной или картонной подложки. Кроме того, нанесение MFC и полимерного слоя на подложку увеличивает гибкость и, таким образом, также и прочность во время образования линии сгиба и сгибания бумажной или картонной подложки.
Можно также модифицировать микрофибриллированную целлюлозу второго слоя перед нанесением на первый слой на основе волокон. Таким способом можно, например, дополнительно увеличить поверхностную энергию или изменить заряд поверхностей MFC, чтобы улучшить свойства непроницаемости, а также адгезию третьего полимерного слоя. Способ осуществления такой модификации зависит от желательных свойств конечного изделия.
Микрофибриллированная целлюлоза (MFC) (также известна как наноцеллюлоза) представляет собой материал, который образуют волокна древесной целлюлозы, где индивидуальные микрофибриллы частично или полностью отделены друг от друга. MFC обычно имеет очень малую толщину (около 20 нм), и их длина часто составляет от 100 нм до 10 мкм. Однако микрофибриллы могут также быть и длиннее, например, от 10 до 100 мкм, но можно использовать и микрофибриллы длиной до 200 мкм. Волокна, которые были фибриллированы и которые содержат микрофибриллы на поверхности и микрофибриллы, которые отделены и расположены в водной фазе суспензии, включены в определение MFC.
MFC можно изготавливать рядом различных способов. Можно механически обрабатывать целлюлозные волокна таким образом, чтобы образовывались микрофибриллы. Другой вариант представляет собой изготовление наноцеллюлозы или микрофибриллированной целлюлозы с помощью бактерий. Можно также изготавливать микрофибриллы из целлюлозы с помощью различных химических реагентов и/или ферментов, которые разрушают или растворяют волокна.
Один пример изготовления MFC представлен в WO2007091942, где описывается производство MFC путем очистки в сочетании с добавлением фермента.
Предпочтительно, чтобы третий слой включал какой-либо из следующих полимеров: полиэтилен (PE), полиэтилентерефталат (PET), поливиниловый спирт (PVOH), поливинилацетат (PVA), полипропилен (PP) и/или полиамид (PA). Полимер будет предпочтительно придавать подложке свойства термосваривания, что улучшит герметизацию упаковки, сформированной из полученной бумажной или картонной подложки. Кроме того, данные упомянутые полимеры будут придавать подложке улучшенные свойства непроницаемости по отношению к жидкостям и/или пару. Однако эти полимеры сами по себе будут придавать подложке лишь весьма незначительное или даже нулевое сопротивление по отношению к газам, таким как кислород.
Бумажная или картонная подложка согласно настоящему изобретению имеет свойства непроницаемости, которые придают подложке повышенное сопротивление, например, по отношению к жидкостям, пару, жиру, моющим средствам, кислороду или другим газам. Показано, что подложка согласно настоящему изобретению обладает повышенным сопротивлением по отношению к кислороду и пару. Таким образом, эта подложка может быть подходящей при использовании в изготовлении упаковок для продуктов питания и/или жидкостей.
Подложка может дополнительно включать четвертый слой, который можно получать методом осаждения атомных слоев (ALD). ALD представляет собой хорошо известный способ осаждения тонких пленок на поверхности. Метод ALD основан на последовательном использовании процесса осаждения из газовой фазы. Обычно используют два химических реагента, как правило, называемых предшественниками, которые реагируют с поверхностью индивидуально в последовательном порядке. Путем повторного осаждения предшественников на растущей поверхности образуется тонкая пленка. Для надлежащей работы ALD необходимо, чтобы была очень гладкой поверхность, на которую наносят слой. Нанесение второго слоя, включающего микрофибриллированную целлюлозу, приводит к повышению гладкости поверхности, и, таким образом, можно использовать ALD для образования тонкой пленки слоя, включающего микрофибриллированную целлюлозу.
2
3
Четвертый слой может быть расположен между вторым и третьим слоями. Предпочтительно, чтобы четвертый слой включал алюминий, но можно также использовать и другие компоненты, например диоксид титана, который также будет увеличивать матовость бумажной или картонной подложки. Таким образом, следовательно, можно получать очень тонкий слой, например, оксида алюминия, предпочтительно в виде AlO, на бумажной или картонной подложке. Слой оксида алюминия придает бумажной или картонной подложке даже лучшие свойства кислородонепроницаемости, а также паронепроницаемости, которые необходимы для некоторых продуктов. Толщина четвертого слоя составляет предпочтительно от 0,1 до 100 нм. Возможность уменьшения толщины слоя алюминия позволит значительно уменьшать выбросы диоксида углерода при производстве подложек, но тем не менее производить бумажные или картонные подложки с превосходными свойствами непроницаемости.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления бумажной или картонной подложки, где подложка имеет свойства непроницаемости, и способ включает стадии изготовления первого слоя на основе волокон, нанесения второго слоя, включающего микрофибриллированную целлюлозу, и нанесения третьего слоя, включающего полимер. Второй слой предпочтительно наносят на первый слой, и третий слой предпочтительно наносят на второй слой.
Предпочтительно, чтобы слой, включающий MFC, наносили предпочтительно путем влажного покрытия на слой на основе волокон, используя любой традиционный способ покрытия. Хотя предпочтительно использовать покрытие на пленочном прессе или прессе для склеивания, но можно также использовать и другие способы покрытия, такие как наносимое поливом покрытие, покрытие с удалением излишков планкой, покрытие распылением, наносимое ракельным ножом покрытие или сухое покрытие. Можно также наносить второй слой, включающий MFC, в виде пленки на первый слой на основе волокон. Пленку, включающую MFC, тогда наносят на первый слой путем ламинирования или экструзионного покрытия.
На первый слой на основе волокон можно наносить традиционный покровный материал, который предпочтительно включает минералы, такие как глина, карбонат кальция или любые другие известные покрытия, до или после нанесения второго слоя, включающего MFC. Покрытие традиционным покровным материалом можно осуществлять любым известным способом нанесения покрытия.
Третий слой, включающий полимер, предпочтительно наносят в виде пленки на бумажную или картонную подложку. Пленку можно наносить на бумажную или картонную подложку путем ламинирования или экструзионного покрытия.
Четвертый слой можно также наносить на подложку. Предпочтительно, чтобы четвертый слой наносили, используя осаждение атомных слоев (ALD). Четвертый слой предпочтительно наносят между вторым и третьим слоями подложки.
Можно также наносить дополнительные слои на бумажную или картонную подложку. Например, дополнительный полимерный слой, пятый слой, можно наносить на третий полимерный слой. Другая возможность заключается в том, чтобы слой сополимера этилена и винилового спирта (EVOH) наносить на подложку между вторым и третьим слоями. Этот слой EVOH предпочтительно должен быть тонким. Таким способом получают подложку с усиленным свойством кислородонепроницаемости.
Настоящее изобретение также относится к упаковке, которую формируют образованием линии сгиба и сгибанием полученной бумажной или картонной подложки. Упаковка будет иметь превосходное сопротивление по отношению к жидкостям, пару и кислороду и, таким образом, будет подходящей в качестве упаковки для продуктов питания и/или жидкостей.
При упоминании в настоящем документе термин «полимер» может быть использован для обозначения гомополимеров, сополимеров, интерполимеров, терполимеров и т.д.
Первый слой на основе волокон может включать целлюлозные волокна любого вида, такие как волокна лиственных или хвойных пород древесины, которые можно обрабатывать химическими, химико-механическими и/или механическими способами. Первый слой может также включать обычные в бумажном производстве добавки, такие как наполнители, чтобы увеличивать, например, работоспособность и экономическую эффективность способа и изготовляемой подложки.
Нанесение второго, третьего и/или четвертого слоя можно осуществлять в процессе изготовления бумаги или картона на соответствующем устройстве или осуществлять независимым образом.
На другую поверхность первого слоя на основе волокон, т.е. поверхность, которая не покрыта слоем, включающим MFC, можно наносить любое подходящее покрытие, или ее можно обрабатывать любым подходящим способом для достижения хороших свойств поверхности, в частности хорошей возможности печати, поскольку эта поверхность будет часто представлять собой внешнюю поверхность изготавливаемой упаковки.
Подложка предпочтительно представляет собой изделие из бумаги или картона. Однако можно также использовать и другие изделия, такие как текстильные материалы, пластмассы и т.д.
Пример
2
Листы Cupforma Classic плотностью 230 г/м, которые представляют собой отбеленный картон SBS для чашек, включающий три слоя отбеленной сульфатной целлюлозы, использовали в качестве слоя на основе волокон.
2
На поверхность одного листа наносили два слоя микрофибриллированной целлюлозы, используя лабораторное устройство для покрытия с удалением излишков планкой. Суммарное количество MFC, нанесенной на картон, составляло 1,2 г/м (в сухом виде).
MFC получали из полностью отбеленной сульфатной целлюлозы из хвойных пород древесины с высоким содержанием целлюлозы, которую подвергали карбоксиметилированию до степени замещения (DS), составляющей от 0,05 до 0,1, и затем ожижению, используя прибор Microfluidizer от фирмы Microfuidics Corp. и пропуская массу с консистенцией 3% через камеру 400 мкм, за которой следовала камера 100 мкм, где получали используемую MFC.
2
2
После этого на поверхность картонных листов, включая листы с покрытием MFC и один необработанный лист, путем ламинирования наносили суммарно 24 г/м PE (11+13 г/м, температура плавления 311/292°C, скорость 310 м/мин, прибор CA 7230 от фирмы Borealis) в масштабном ламинаторе путем накладывания листов на ткань.
Скорость переноса кислорода затем измеряли согласно стандарту ASTM D3985-05 для листа, который был ламинирован PE, и листа, который был покрыт MFC и ламинирован PE согласно настоящему изобретению.
Таблица 1
Определение скорости переноса кислорода
Скорость переноса кислорода, (мл/м<sup>2</sup>·сутки)
Сравнительный образец (картон+PE)
3250
Картон+MFC+PE
45
Как можно видеть из таблицы 1, скорость переноса кислорода значительно уменьшается, показывая, что при сочетании покрытия MFC и PE получается картонная подложка с очень хорошими свойствами кислородонепроницаемости.