ВЫСОКОРАСТЯЖИМАЯ МЕШОЧНАЯ БУМАГА
HIGH-EXPANDABLE SACHET PAPER

Область техники
Настоящее изобретение относится к области высокорастяжимой мешочной бумаги. Уровень техники
В ходе заполнения и транспортировки порошкообразного материала, такого как цемент, бумажные мешки должны удовлетворять высоким стандартам.
Во-первых, бумажные мешки должны выдерживать материал значительной массы, т.е. иметь высокую прочность. Крафт-бумага представляет собой подходящий для этой цели материал для стенок мешка. Мешки обычно имеют две или более стенок, т.е. слоев бумажного материала, для дополнительного упрочнения конструкции мешка. Слой стенки мешка часто называют термином «слой». Получение многослойного материала (т.е. мешочной бумаги) раскрыто, например, в международной патентной заявке №WO 99/02772.
Во-вторых, в ходе наполнения бумажного мешка из него должен выходить воздух. В частности, воздух, который сопровождает порошкообразный материал, должен эффективно выходить из мешка, поскольку упаковочные машины, которые подают материал, работают с высокой производительностью. Зачастую возможность выпуска воздуха из мешка представляет собой существенное ограничение для скорости его наполнения. Эффективный выпуск воздуха также предотвращает задержку воздуха в мешке. В противном случае такая задержка воздуха может создавать неполновесные упаковки, разрывы мешка и проблемы при укладке мешков для транспортировки. «Выпуск воздуха» также называют термином «деаэрация».
В ходе процесса заполнения единственный путь для выпуска воздуха изнутри мешка для многих конструкций мешка проходит через стенки мешка. Крафт-бумагу высокой пористости часто используют в стенках для улучшения воздухопроницаемости. Однако повышение пористости бумаги обычно приводит к снижению общей прочности. В частности, прочность может значительно уменьшаться, если бумажный материал подвергают механической перфорации для достижения достаточной воздухопроницаемости.
Сущность изобретения
Для предотвращения разрыва мешка, например, когда мешок падает, высокая прочность при растяжении не является единственным желательным свойством мешочной бумаги. Показано, что высокая растяжимость имеет такое же значение для предотвращения разрыва мешка. Посредством точной настройки процесса крепирования/уплотнения с применением устройства Клупак авторы настоящего изобретения смогли получить мешочную бумагу, которая проявляет исключительную растяжимость и сохраняет на приемлемых уровнях другие свойства, такие как прочность при растяжении и пористость (измеряемую в ходе испытания по Герли). Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет схематическую иллюстрацию прессовальной секции и части сушильной секции, содержащей устройство Клупак.
Фиг. 2 представляет более подробную схематическую иллюстрацию устройства Клупак.
Таблица на фиг. 3 относится к приведенному ниже разделу «Примеры» и представляет скорость бумажного полотна в различных положениях на бумагоделательной машине от прессовальной секции до наката Попе, сматывающего бумагу в бумажный рулон.
Подробное описание
2
2
2
2
2
2
2
2
В качестве первого аспекта настоящего описания предложена мешочная бумага. Мешочная бумага обычно имеет поверхностную плотность (согласно ISO 536) от 50 до 140 г/м. Как обсуждается ниже, растяжимость мешочной бумаги согласно первому аспекту является исключительно высокой. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что, как правило, повышенная растяжимость может быть достигнута для мешочной бумаги, имеющей повышенную поверхностную плотность. Соответственно, поверхностная плотность мешочной бумаги согласно первому аспекту предпочтительно составляет от 70 до 140 г/м, например, от 80 до 140 г/м, например, от 90 до 140 г/м. Поверхностные плотности выше 130 г/м являются относительно редкими. Соответственно, поверхностная плотность мешочной бумаги согласно первому аспекту может составлять от 70 до 130 г/м, например, от 80 до 130 г/м, например, от 90 до 130 г/м.
Воздухопроницаемость по Герли (ISO 5636-5) представляет собой продолжительность времени (с), требуемого для пропускания 100 мл воздуха через заданную площадь бумажного листа. Короткое время означает высокую пористость бумаги. Как обсуждается выше, высокопористая бумага обеспечивает высокие скорости заполнения.
При уплотнении бумаги в устройстве Клупак можно было бы ожидать, что увеличение растяжимости согласно настоящему описанию происходит за счет неприемлемого уменьшения пористости. Однако авторы настоящего изобретения показали, что такое значительное уменьшение пористости не происходит. Соответственно, мешочная бумага согласно настоящему описанию имеет воздухопроницаемость по Герли (ISO 5636-5), составляющую 15 с или менее. Она предпочтительно составляет 13 с или менее, например, 12 с или менее. Мешочная бумага, имеющая воздухопроницаемость по Герли ниже 3 с, часто имеет недостаточную прочность. Таким образом, типичная воздухопроницаемость по Герли согласно настоящему описанию составляет от 3 до 15 с, предпочтительно от 3 до 13 с, например, от 3 до 12 с.
Авторы настоящего изобретения поняли, что существует потребность в улучшенной растяжимости в машинном направлении (МН). В результате усилий авторов получена мешочная бумага согласно первому аспекту, которую характеризует растяжимость (согласно ISO 1924-3) в машинном направлении, превышающая 10%, предпочтительно превышающая 11%, предпочтительнее превышающая 12%. Способ получения такой растяжимой бумаги описан ниже в сочетании со вторым аспектом и в разделе «Примеры».
Растяжимость (согласно ISO 1924-3) в поперечном направлении (ПН) мешочной бумаги первого аспекта, как правило, превышает 6%, предпочтительно превышает 7%, предпочтительнее превышает 8% или 9%. Типичный (практический) верхний предел растяжимости в ПН составляет 11%. Как представлено ниже в разделе «Примеры», обработка, существенно увеличивающая растяжимость в МН, также приводит к небольшому увеличению растяжимости в ПН.
Поглощение энергии при растяжении (ПЭР) часто рассматривают в качестве свойства бумаги, которое наилучшим образом представляет собой соответствующую прочность стенки бумажного мешка. Это подтверждает корреляция между ПЭР и испытаниями при падении. Когда мешок падает, заполняющий его продукт перемещается внутри мешка при его ударе о пол. Это перемещение деформирует стенку мешка. Для противодействия деформации требуется высокое значение ПЭР; энергия поглощается за счет сочетания высокой прочности при растяжении и хорошей растяжимости бумаги.
Прочность при растяжении представляет собой максимальную силу, которую выдерживает бумага перед разрывом. В стандартном испытании согласно ISO 1924-3 используют полоску, имеющую ширину 15 мм и длину 100 мм, при постоянной скорости растяжения.
Как указано выше, прочность при растяжении представляет собой один параметр при измерении ПЭР, а другой параметр представляет собой растяжимость. Прочность при растяжении, растяжимость и значение ПЭР получают в ходе одного испытания. Индекс ПЭР представляет собой значение ПЭР, деленное на поверхностную плотность. Таким же образом индекс прочности при растяжении получают в результате деления прочности при растяжении на поверхностную плотность.
Для обеспечения высокой прочности при растяжении мешочная бумага согласно первому аспекту предпочтительно представляет собой крафт-бумагу, и это означает, что она получена из целлюлозы, полученной согласно крафт-процессу. По той же причине исходный материал, используемый для получения целлюлозы, которую применяют для изготовления мешочной бумаги, предпочтительно содержит хвойную древесину (которая имеет длинные волокна и образует прочную бумагу). Соответственно, мешочную бумагу предпочтительно получают из бумажной массы, содержащей по меньшей мере 50% хвойной целлюлозы, предпочтительно по меньшей мере 75% хвойной целлюлозы и предпочтительнее по меньшей мере 90% хвойной целлюлозы. Процентные величины приведены по отношению к сухой массе целлюлозы.
Кроме того, мешочная бумага может содержать по меньшей мере одно сухое упрочняющее вещество для улучшения прочности при растяжении. По меньшей мере одно сухое упрочняющее вещество предпочтительно содержит крахмал, предпочтительно катионный крахмал. Помимо катионного крахмала, мешочная бумага может содержать анионный и/или амфотерный крахмал. Например, добавляемое количество крахмала может составлять от 2 до 15 кг на тонну бумаги, например, от 3 до 14 кг на тонну бумаги.
Индекс прочности при растяжении мешочной бумаги согласно первому аспекту предпочтительно составляет по меньшей мере 50 кНм/кг, например, по меньшей мере 55 кНм/кг, в МН и по меньшей мере 40 кН⋅м/кг, например, по меньшей мере 45 кН⋅м/кг, в МН.
2
2
2
Исключительная растяжимость мешочной бумаги согласно первому аспекту приводит к высоким значениям ПЭР. ПЭР согласно ISO 1924-3 в МН мешочной бумаги первого аспекта может составлять, например, по меньшей мере 300 Дж/м, например, по меньшей мере 330 Дж/м, например, по меньшей мере 350 Дж/м. Кроме того, индекс ПЭР согласно ISO 1924-3 в МН мешочной бумаги первого аспекта может составлять, например, по меньшей мере 3,4 Дж/г, например, по меньшей мере 3,5 Дж/г.
Индекс ПЭР согласно ISO 1924-3 в ПН мешочной бумаги первого аспекта может составлять, например, по меньшей мере 2,4 Дж/г, например, по меньшей мере 2,6 Дж/г.
Мешочная бумага первого аспекта может быть беленой, и это означает, что ее яркость может составлять по меньшей мере 78% или по меньшей мере 80% согласно ISO 2470-1. Предпочтительно яркость беленой мешочной бумаги первого аспекта составляет по меньшей мере 83%.
Мешочная бумага обычно содержит печатное изображение. Соответственно, мешочная бумага первого аспекта предпочтительно обеспечивает удовлетворительную поверхность для печати. Удовлетворительные свойства печати отражает, например, относительно низкая поверхностная шероховатость. Можно было бы предполагать, что высокая степень крепирования/уплотнения в описанном ниже устройстве Клупак значительно увеличивает поверхностную шероховатость, но авторы настоящего изобретения продемонстрировали, что дело обстоит не так. Фактически поверхностная шероховатость сеточной стороны (особенно подходящей для печати) увеличивалась только на 7% (от 895 мл/мин до 957 мл/мин), когда растяжимость в МН увеличивалась более чем вдвое (см. таблицу 1 в разделе «Примеры»).
Таким образом, шероховатость по Бендтсену согласно ISO 8791-2 по меньшей мере одной стороны мешочной бумаги первого аспекта может составлять менее 1200 мл/мин, предпочтительно менее 1100 мл/мин, например, менее 1000 мл/мин.
В одном варианте реализации мешочная бумага первого аспекта может быть обработана с образованием изоляции, например, на поверхности бумаги. Изоляция предпочтительно обеспечивает влагонепроницаемость и/или водонепроницаемость. Изоляция может также обеспечивать маслонепроницаемость. При такой обработке изолирующее химическое вещество или изолирующую композицию наносят, например, посредством шаберного мелования, покрытия поливом или распыления. Кроме того, образующее изоляцию вещество может быть добавлено в целлюлозу.
В качестве второго аспекта настоящего описания предложен способ получения мешочной бумаги согласно первому аспекту. Способ включает высушивание бумажного полотна в сушильной секции, содержащей устройство Клупак и сушильную группу, расположенную ниже по потоку относительно устройства Клупак.
Сушильная группа означает сушильное устройство, содержащее по меньшей мере одно сушильное сито и по меньшей мере один сушильный цилиндр, к которому сушильным ситом (ситами) прижато бумажное полотно, проходящее через сушильную группу. Компоненты сушильной группы соединены или расположены таким образом, что бумажное полотно перемещается с практически постоянной скоростью через сушильную группу.
Как правило, множество сушильных групп располагают последовательно выше по потоку относительно устройства Клупак согласно второму аспекту. Второй аспект не ограничен какой-либо конкретной конструкцией таких сушильных групп, при том условии, что влагосодержание бумажного полотна, поступающего в устройство Клупак, составляет от 30 до 40%.
В одном варианте реализации второго аспекта множество сушильных групп располагают последовательно ниже по потоку относительно устройства Клупак.
Сушильная секция обычно расположена ниже по потоку относительно прессовальной секции. Фиг. 1 иллюстрирует прессовальную секцию 100, содержащую два прижимных пресса 101 и 102. Кроме того, фиг. 1 иллюстрирует часть 103 сушильной секции, содержащую первую сушильную группу 104, расположенную непосредственно выше по потоку относительно устройства Клупак 105, и вторую сушильную группу 106, расположенную непосредственно ниже по потоку относительно устройства Клупак 105.
Как упомянуто выше, влагосодержание бумажного полотна, поступающего в устройство Клупак, составляет от 30 до 40% согласно способу второго аспекта. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что такие относительно высокие уровни влагосодержания упрощают увеличение растяжимости. Предпочтительно влагосодержание бумажного полотна, поступающего в устройство Клупак, составляет от 32 до 40%. Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что увеличение растяжимости упрощает относительно высокая линейная нагрузка прижимного валика, составляющая по меньшей мере, 20 кН/м, в устройстве Клупак. Предпочтительно линейная нагрузка прижимного валика составляет по меньшей мере 21 кН/м или по меньшей мере 22 кН/м. Если линейная нагрузка является чрезмерно высокой, воздухопроницаемость по Герли чрезмерно увеличивается (т.е. пористость чрезмерно уменьшается). Типичный верхний предел может составлять 30 кН/м или 28 кН/м. В устройстве Клупак линейную нагрузку прижимного валика определяет регулируемое давление гидравлического цилиндра, действующее на прижимной валик. Прижимной валик иногда называют термином «прижимной ролик».
Авторы настоящего изобретения показали, что растяжимость в машинном направлении в значительной степени зависит от относительного изменения скорости при прохождении через устройство Клупак. В частности, авторы обнаружили, что скорость бумажного полотна в сушильной группе, расположенной ниже по потоку относительно устройства Клупак, должна быть на 8-14% ниже, чем скорость бумажного полотна, поступающего в устройство Клупак. Предпочтительно скорость бумажного полотна в сушильной группе, расположенной ниже по потоку относительно устройства Клупак, на 9-14% ниже, например, на 9-13% ниже, чем скорость бумажного полотна, поступающего в устройство Клупак.
В одном варианте реализации натяжение резиновой ленты в устройстве Клупак составляет по меньшей мере 5 кН/м (например, от 5 до 9 кН/м), предпочтительно по меньшей мере 6 кН/м (например, от 6 до 9 кН/м), например, приблизительно 7 кН/м. В устройстве Клупак натяжение резиновой ленты определено регулируемым давлением гидравлического цилиндра, действующим на натяжной ролик, растягивающий резиновую ленту.
Устройство Клупак обычно содержит стальной цилиндр. Когда бумажное полотно уплотняют посредством сокращения/сжатия резиновой ленты в устройстве Клупак, оно перемещается относительно стального цилиндра. Для уменьшения трения между бумажным полотном и стальным цилиндром оказывается предпочтительным добавление смазочной жидкости. Смазочная жидкость может представлять собой воду или иметь водную основу. Смазочная жидкость на водной основе может содержать снижающее трение вещество, такое как полиэтиленгликоль или вещество на кремнийорганической основе. В одном варианте реализации смазочная жидкость представляет собой воду, содержащую по меньшей мере 0,5%, предпочтительно по меньшей мере 1%, например, от 1 до 4% полиэтиленгликоля.
Фиг. 2 иллюстрирует устройство Клупак 205, содержащее бесконечную резиновую ленту 207 (иногда называемую термином «резиновое полотно»), с которым находятся в контакте два разгонных валика 208, 209, направляющий валик 210, натяжной валик 211 и прижимной валик 212. Первое гидравлическое устройство 213 прилагает давление к натяжному валику 211 для растяжения резиновой ленты 207. Второе гидравлическое устройство 214 прилагает давление к прижимному валику 212 для прижатия резиновой ленты 207, которая, в свою очередь, прижимает бумажное полотно 217 к стальному цилиндру 215. Распыляющее смазочную жидкость сопло 216 предназначено для нанесения смазочной жидкости на стальной цилиндр 215.
В качестве третьего аспекта настоящего описания предложен мешок, содержащий слой, состоящий из мешочной бумаги согласно первому аспекту.
Мешок согласно третьему аспекту может содержать гидравлическое связующее вещество, такое как гидравлическое связующее вещество, для получения цементного раствора, строительной растворной смеси, бетона, гипсового теста или суспензии гидравлической извести.
Кроме того, мешок согласно третьему аспекту может содержать химический продукт, минерал или смесь минералов, садовое удобрение, пищевой продукт, корм для сельскохозяйственных животных или корм для домашних животных.
Мешок согласно третьему аспекту может представлять собой, например, многослойный мешок. Предпочтительно по меньшей мере два, например, все из слоев такого многослойного мешка могут состоять из мешочной бумаги согласно первому аспекту.
2
2
2
В одном варианте реализации третьего аспекта мешок представляет собой однослойный мешок, в котором единственный слой состоит из мешочной бумаги согласно первому аспекту, имеющей поверхностную плотность от 90 до 140 г/м, например, от 95 до 130 г/м. Такой однослойный мешок мог бы заменить мешки предшествующего уровня техники, имеющие два слоя мешочной бумаги с поверхностной плотностью от 70 до 80 г/м и, таким образом, снижать расходы.
2
2
2
2
В другом варианте реализации третьего аспекта мешок представляет собой двухслойный мешок, в котором слои состоят из мешочной бумаги по любому из предшествующих пунктов, имеющей поверхностную плотность от 70 до 130 г/м, например, от 70 до 110 г/м, например, от 80 до 110 г/м, например, от 80 до 100 г/м. Такой двухслойный мешок должен быть прочнее (например, иметь более высокое значение ПЭР), чем соответствующие мешки предшествующего уровня техники.
Размеры мешка согласно третьему аспекту могут быть, например, такими, что в наполненной конфигурации его объем составляет от 8 до 45 литров, предпочтительно от 12 до 45 литров.
Когда мешок согласно настоящему описанию содержит гидравлическое связующее вещество, такое как цемент, количество гидравлического связующего вещества может составлять, например, от 17 до 60 кг, например, от 40 до 60 кг. Мешки, вмещающие 25 кг, 35 кг и 50 кг, пользуются рыночным спросом и, таким образом, могут быть получены согласно настоящему описанию. Размеры наполненного мешка, вмещающего 25 кг, могут составлять, например, 400×450×110 мм. Как правило, «вмещающий 25 кг мешок» могут наполнять приблизительно 17,4 литров материала, в то время как «вмещающий 50 кг мешок» могут наполнять приблизительно 35 литров материала.
Примеры
Проводили пять полномасштабных экспериментов для получения мешочной бумаги с различной растяжимостью в машинном направлении.
Во всех пяти экспериментах мешочную бумагу получали, как описано ниже.
Получали беленую хвойную крафт-целлюлозу. Целлюлозу подвергали рафинированию при высокой консистенции (ВК, 180 кВт⋅ч на тонну бумаги), составляющей приблизительно 35%, и рафинированию при низкой консистенции (НК, 20 кВт⋅ч на тонну бумаги), составляющей приблизительно 4%. В целлюлозу добавляли катионный крахмал (7 кг на тонну бумаги), анионный крахмал (3 кг на тонну бумаги), канифольный клей (2,2 кг на тонну бумаги) и алюмокалиевые квасцы (3,5 кг на тонну бумаги). В напорном ящике значение рН целлюлозы/композиции бумажной массы составляло приблизительно 6,0, и консистенция целлюлозы/композиции бумажной массы составляла приблизительно 0,2%. Формование бумажного полотна осуществляли в сеточной секции. Содержание сухого вещества в бумажном полотне, выходящем из сеточной секции, составляло приблизительно 20%. Бумажное полотно обезвоживали в прессовальной секции, имеющей два пресса, с получением содержания сухого вещества, составляющего приблизительно 40%. Обезвоженное бумажное полотно затем сушили в последующей сушильной секции, имеющей 9 сушильных групп и одно устройство Клупак в последовательном расположении. Устройство Клупак находилось между шестой сушильной группой и седьмой сушильной группой. При введении в устройство Клупак влагосодержание бумажного полотна составляло 33%. Давление гидравлического цилиндра, действующее на прижимной валик, устанавливали на уровне 20 бар, получая в результате линейную нагрузку, составляющую 22 кН/м. Давление гидравлического цилиндра для растяжения резиновой ленты устанавливали на уровне 31 бар, получая в результате натяжение ленты, составляющее 7 кН/м. Для уменьшения трения между бумажным полотном и стальным цилиндром в устройстве Клупак смазочную жидкость (1% полиэтиленгликоль) добавляли в количестве 250 л/час.
Проводили пять экспериментов для получения мешочной бумаги, имеющей различную растяжимость в машинном направлении (растяжимость МН). В первом, втором, третьем, четвертом и пятом эксперименте целевая растяжимость МН составляла 6%, 8%, 10%, 12% и 14%, соответственно. Для достижения соответствующего значения растяжимости МН регулировали скорость бумажного полотна в прессовальной секции и сушильной секции (см. фиг. 3). В частности, в экспериментах изменяли скорость бумажного полотна в сушильной группе, расположенной непосредственно ниже по потоку относительно устройства Клупак, по отношению к скорости бумажного полотна, поступающего в устройство Клупак. В первом эксперименте (для достижения 6% растяжимости МН) относительная скорость составляла -4,4%, в то время как в пятом эксперименте (для достижения 14% растяжимости МН) относительная скорость составляла -11,0%.
Свойства мешочной бумаги, полученной в экспериментах 1-5, представлены ниже в таблице 1.
Таблица 1 представляет значительное увеличение растяжимости МН при снижении относительной скорости. Значения воздухопроницаемости по Герли в таблице 1 показывают, что уплотнение в результате снижения относительной скорости не закрывало поры мешочной бумаги (обнаружено лишь умеренное увеличение воздухопроницаемости по Герли). Кроме того, уплотнение лишь незначительно увеличивало поверхностную шероховатость сеточной стороны мешочной бумаги (которая предназначена для печати).