ЛИСТ С УЛУЧШЕННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ СОХРАНЯТЬ НЕСМИНАЕМЫЕ СКЛАДКИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к тонкому листу с улучшенной способностью сохранять несминаемые складки. Лист может быть полупрозрачным или прозрачным.

Уровень техники

На данный момент существует несколько областей применения (в основном связанных с упаковкой), где необходимо преобразовывать упаковочные пленки. Во многих случаях такая гофрированная упаковка должна быть стабильной и не допускать возврата к своей первоначальной форме. Упомянутый тип складки и характер ее поведения называется "несминаемой складкой". Такой характер поведения несминаемых складок требуется во многих областях применения, включая внутренний (гофрированный) вкладыш для сигаретных упаковок, обертки для конфет вперекрутку, контейнеры с гибкими стенками, обертки для пищевых продуктов и т.д.

Кроме того, полимерные пленки, как правило, не обладают хорошей способностью сохранять несминаемые складки, и было сделано несколько попыток для улучшения способности таких пленок сохранять несминаемые складки, как описано, например, в патенте США № 4786533; EP0148567; в патенте США № 4965135.

Например, в случае оберток для конфет такую "несминаемую складку" получают путем оптимизации ориентации волокон в машинном направлении. Однако такое решение не дает удовлетворительного результата и зачастую несминаемая складка обеспечивается только в одном направлении.

Существуют также другие способы достижения или регулирования несминаемой складки. Например, на многих внутренних вкладышах несминаемые складки обеспечивают посредством процесса металлизации, где мелованную бумагу подвергают металлизации в условиях вакуума. Металлизация представляет собой решение, дающее относительно хороший характер поведения несминаемой складки в обоих направлениях. Способ имеет некоторые недостатки, связанные с тем, что в некоторых случаях некоторые из металлизированных покрытий не полностью сцепляются с мелованной бумагой, а это означает, что некоторые металлы могут мигрировать. Из-за растущей осведомленности покупателей о потенциальных негативных последствиях использования алюминия в упаковках для продуктов питания, из-за экологических причин, таких как объем выбросов CO₂ или пригодность для рециклинга, такое решение в настоящее время не пользуется растущей популярностью. К тому же во многих случаях металлизированная бумага была заменена пластиком. Еще одна проблема, связанная с металлизацией, заключается в затратах, поскольку металлизация представляет собой медленный процесс и часто требует специальных сортов бумаги. В опубликованной патентной заявке WO2015032432A1 описана тонкая (25,5-34 г/м²) оберточная бумага для пищевых продуктов с повышенной жесткостью несминаемых складок, однако такое решение основано на обработке поверхности.

Следовательно, необходимо найти более экологически безопасные решения по сравнению с традиционными способами. Поэтому необходимо найти полупрозрачную/прозрачную тонкую пленку или бумагу с высокой способностью сохранять несминаемые складки, которую можно производить на бумагоделательной машине.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание листа с улучшенной способностью сохранять несминаемые складки, например, такого как тонкий лист бумаги/пленки, который может быть полупрозрачным или прозрачным.

Изобретение определяется независимыми пунктами прилагаемой формулы изобретения. Варианты осуществления изобретения изложены в зависимых пунктах прилагаемой формулы изобретения и в следующем описании.

Согласно первому аспекту предлагается лист со способностью сохранять несминаемые складки, причем упомянутый лист содержит целлюлозные волокна, из которых, по меньшей мере, 75%, предпочтительно, по меньшей мере, 90% или более предпочтительно, по меньшей мере, 95% упомянутых целлюлозных волокон имеет длину волокна менее 1 мм; и у которого отношение пределов прочности при растяжении (MD/CD) пленки превышает 1,4, предпочтительно превышает 1,6 и наиболее предпочтительно превышает 1,8.

Отношение пределов прочности при растяжении определяет ориентацию волокон листа, и таким образом обеспечивает лист с высокой жесткостью несминаемых складок в обоих направлениях листа. Лист может быть изготовлен с высокой жесткостью несминаемых складок или жестким характером несминаемых складок без применения каких-либо способов обработки поверхности, таких как проклеивание поверхности, импрегнирование или металлизация или ламинирование. Благодаря такому листу также может быть улучшена способность пластиковых пленок сохранять несминаемые складки при их использовании в виде многослойной структуры с упомянутым листом.

Лист может представлять собой любую из тонких бумажных подложек, пленок, нанобумаг или аналогичных подложек.

Остальные 0-25% целлюлозных волокон могут содержать целлюлозные волокна длиной > 1 мм, причем упомянутые более длинные целлюлозные волокна имеют длину, по меньшей мере, 2 мм или, по меньшей мере, 2,5 мм или, по меньшей мере, 3 мм.

Целлюлозные волокна длиной < 1 мм можно получать с помощью любого способа нарезки и фибриллиляции или с помощью комбинации таких способов.

Содержание влаги в листе может составлять менее 8 масс.%, предпочтительно менее 6 масс.%, и наиболее предпочтительно менее 4 масс.%.

Чем ниже конечная влажность, то есть влажность конечного продукта, тем лучшую способность сохранять несминаемые складки можно получить.

Целлюлозные волокна с длиной волокна менее 1 мм могут представлять собой нанофибриллированный полисахарид, причем упомянутым нанофибриллированным полисахаридом является любая из микрофибриллированной целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы.

Лист дополнительно может содержать наполнители в количестве более 3 масс.% от массы листа, предпочтительно более 7 масс.%; и упомянутым наполнителем может являться любой из осажденного карбоната кальция(PCC), молотого карбоната кальция (GCC), каолина, бентонита и талька или их комбинация или их смесь.

Лист может дополнительно содержать краситель.

Масса 1 м² листа может составлять менее 50 г/м² или предпочтительно менее 25 г/м².

Упомянутые целлюлозные волокна длиной < 1 мм могут представлять собой волокна высоко облагороженной целлюлозы с величиной градуса помола по Шоппер-Риглеру (SR), превышающей 70, более предпочтительно превышающей 90 или даже превышающей 92.

Лист может быть прозрачным или полупрозрачным.

Согласно второму аспекту предлагается способ производства листа со способностью сохранять несминаемые складки согласно первому аспекту, в котором упомянутый лист содержит целлюлозные волокна, из которых, по меньшей мере, 75% или предпочтительно, по меньшей мере, 90% или даже более предпочтительно, по меньшей мере, 95% упомянутых целлюлозных волокон имеет длину волокна менее 1 мм; и в котором отношение пределов прочности при растяжении (MD/CD) пленки превышает 1,4, предпочтительно превышает 1,6 и наиболее предпочтительно превышает 1,8; в котором величина градуса помола по Шоппер-Риглеру (SR) упомянутых целлюлозных волокон с длиной волокна менее 1 мм в бумагоделательной машине составляет более 70; причем упомянутый способ содержит следующие стадии: стадию обеспечения суспензии, содержащей смесь целлюлозных волокон длиной менее 1 мм и целлюлозных волокон длиной более 2 мм; стадию формирования полотна или пленки из упомянутого раствора; стадию сушки или обезвоживания упомянутой сформированной пленки или полотна; причем сформированный при этом упомянутый лист обладает способностью сохранять несминаемые складки.

Стадия формирования полотна может представлять собой любой способ, обеспечивающий упомянутую суспензию на сетке упомянутой бумагоделательной машины, и способ, обеспечивающий упомянутую суспензию на подложке в результате операции нанесения покрытия поливом.

После стадии сушки или обезвоживания содержание влаги в листе может составлять менее 10%, предпочтительно менее 8% или даже более предпочтительно менее 4%.

Масса 1 м² листа может составлять менее 50 г/м² или предпочтительно менее 25 г/м².

Способ может дополнительно содержать стадию каландрирования упомянутой сформированной пленки или полотна, причем стадию каландрирования осуществляют до, после или одновременно со стадией сушки.

Согласно второму аспекту способ может включать в себя получение желательной ориентации волокон в упомянутом листе с помощью любого способа регулирования отношения скорость струи/скорость сетки, регулирования ламинарного сдвигового течения на сетке, регулирования натяжения мокрого полотна и/или сухого полотна, создания турбулентности путем вибрации во время формирования упомянутого полотна или пленки и регулирования состава волокон в суспензии, содержащей целлюлозные волокна, или с помощью комбинации таких способов.

Согласно третьему аспекту предлагается лист со способностью сохранять несминаемые складки, получаемый с помощью способа согласно второму аспекту.

Согласно четвертому аспекту предлагается ламинат, содержащий лист согласно первому аспекту или третьему аспекту и, по меньшей мере, один второй слой, причем упомянутый второй слой может содержать один из полимера, воска и минерала.

Полимер может представлять собой, например, полиэтилен (PE). Согласно одной из альтернатив лист можно отливать непосредственно на полимерный слой (например PE), формируя при этом упомянутый ламинат. Альтернативно дополнительный слой можно наносить или ламинировать на первый лист.

Согласно пятому аспекту предлагается применение листа по первому или третьему аспекту в качестве внутреннего вкладыша для сигаретной упаковки, оберточной бумаги для конфет или оберточной бумаги для пищевых продуктов.

Согласно шестому аспекту предлагается внутренний вкладыш для сигаретной упаковки, причем внутренний вкладыш содержит лист по первому или третьему аспектам.

Согласно седьмому аспекту предлагается внутренний вкладыш для сигаретной упаковки, причем внутренний вкладыш состоит из листа по первому и третьему аспектам.

Согласно восьмому аспекту предлагается обертка для конфет или для пищевых продуктов, содержащая или состоящая из листа по первому и третьему аспектам или из ламината по четвертому аспекту.

Согласно девятому аспекту предлагается применение листа по первому или третьему аспектам или ламината по четвертому аспекту в качестве заготовки для областей применения, связанных с фальцовкой и сохранением несминаемых складок. Такое применение, связанное с фальцовкой и сохранением несминаемых складок, может включать в себя не только упаковку и области применения, связанные с пищевыми продуктами, но также применение в электронике, для экранов и т.д.

Описание вариантов осуществления изобретения

Согласно изобретению лист со способностью сохранять несминаемые складки формируют из суспензии, содержащей целлюлозные волокна. Лист основан, главным образом, на высокорафинированных волокнах с величиной градуса помола по Шоппер-Риглеру (SR) > 70 или более предпочтительно > 90 и наиболее предпочтительно > 92, причем длина таких волокон составляет менее 1 мм. Лист содержит, по меньшей мере, 75 масс.% таких целлюлозных волокон длиной менее 1 мм в расчете на общее количество волокон в листе. Предпочтительно количество таких волокон длиной менее 1 мм составляет более 80 масс.% или более 90 масс.% или даже более предпочтительно - более 95 масс.%.

Такие целлюлозные волокна длиной менее 1 мм могут представлять собой нанофибриллированный полисахарид или наноцеллюлозу, причем упомянутым нанофибриллированным полисахаридом или наноцеллюлозой является любая из микрофибриллированной целлюлозы и нанокристаллической целлюлозы.

Неожиданно было обнаружено, что бумага/пленка на основе таких высокорафинированных и коротких волокон (SR > 70 или более предпочтительно > 90, наиболее предпочтительно > 92) имеет отношение пределов прочности при растяжении (MD/CD) выше 1,4, предпочтительно выше 1,6 и наиболее предпочтительно выше 1,8 и обладает улучшенной способностью сохранять несминаемые складки. Лист может быть полупрозрачным или прозрачным. Это означает, что лист может быть изготовлен с высокожесткой несминаемой складкой или высокожестким характером несминаемой складки без применения какого-либо способа обработки поверхности, такого как проклеивание поверхности, импрегнирование или металлизация или ламинирование.

Термин "лист" означает, что в него включены тонкие бумажные подложки, пленки, нанобумаги или аналогичные подложки. Таким образом, под термином "лист" подразумевается сформированное полотно или изделие, полученное методом полива, например, такое как пленка.

Лист может быть изготовлен на бумагоделательной машине, такой как столовая плоскосеточная бумагоделательная машина (Fourdrinier). Таким образом, лист может быть изготовлен путем применения технологий мокрой укладки, например, путем применения сетки или пропускающей жидкость подложки-носителя. Альтернативно лист может быть изготовлен с помощью способов нанесения литого покрытия, например, путем покрытия подложки-носителя и последующего удаления сформированного листа/пленки с подложки-носителя.

Тонкая бумага или пленка, получаемые согласно изобретению, демонстрируют дополнительные признаки, такие как жиронепроницаемые свойства (без нанесения воска или полимерного покрытия), газонепроницаемые свойства или свойства непроницаемости для запаха, непроницаемости для минерального масла, пригодности для печати, применимости в технике обнаружения подделок и фальсификаций (например, применимости для маркировки маркерами или лазерной маркировки), эффект полупрозрачности или оптические эффекты, барьерные свойства в видимой части спектра, например, барьерные свойства в отношении УФ-излучения и т.д.

Скорость кислородопроницаемости (OTR) листа предпочтительно может составлять менее 1000 см³/м²_*день при 23°C и относительной влажности 50% (RH) и более предпочтительно менее 750 см³/м²_*день при 23°C и относительной влажности 50% (RH) и даже более предпочтительно менее 100 см³/м²_*день при 23°C и относительной влажности 50% (RH). Одной из характеристик листа является то, что он содержит небольшие количества длинных волокон. Более низкое количество грубых волокон улучшает несминаемую складку, и количество длинных или грубых волокон предпочтительно должно составлять менее 25%, более предпочтительно менее 15%, наиболее предпочтительно менее 10%. Количество длинных волокон, например идентифицируют путем фракционирования с применением устройства DDJ или, например, с помощью седиментационных способов. Предварительные данные также можно получать путем простого подсчета волокон с применением микроскопа или оптического анализатора волокон.

Под длинным волокном понимают, например, крафт-волокно из лиственных пород древесины или хвойных пород древесины, (синтетическое волокно), багассу, растворимую целлюлозу, или включают все целлюлозные волокна обычно длиной больше 1 мм, имеющие диаметр волокна > 20 мкм.

Длинные волокна дополнительно имеют длину, по меньшей мере, 2 мм или, по меньшей мере, 2,5 мм или даже, по меньшей мере, 3 мм.

Длинные волокна могут происходить от источника хвойных пород древесины, например, от сосны или ели. По сравнению с более короткими волокнами длинные волокна также могут способствовать улучшению прочности листа на разрыв. Альтернативно длинные волокна можно изготавливать из лиственных пород древесины, например, из березы.

Ориентация волокон в листе и/или (микро)волокон характеризуется отношением пределов прочности при растяжении (MD/CD) листа, превышающим 1,4, предпочтительно превышающим 1,6 и наиболее предпочтительно превышающим 1,8. Отношение пределов прочности при растяжении (MD/CD) измеряют с помощью обычных стандартных методов, которые описаны в стандартах EN ISO 5270, EN ISO 1924, SCAN-P 67.

Лист предпочтительно имеет низкий граммаж или массу 1 м². Масса 1 м² предпочтительно составляет менее 50 г/м² и наиболее предпочтительно менее 25 г/м².

Согласно одной из альтернатив лист может быть каландрирован, что еще больше улучшает несминаемые складки.

Согласно одной из альтернатив лист может содержать краситель. Краситель может представлять собой красящее вещество или краситель на основе пигмента. Упомянутый краситель необязательно можно добавлять в конце мокрой части процесса изготовления бумаги или альтернативно включать во время производства микрофибриллированной целлюлозы (MFC). Краситель также может быть флуоресцентным или представлять собой другие типы "невидимых" красителей.

Общее количество целлюлозных волокон в листе может составлять, по меньшей мере, 80 масс.% в расчете на общую массу листа. Остальные 0-20% могут содержать любые обычные добавки и химикаты для производства бумаги.

Типичный состав бумажной массы, применяемой для изготовления листа, может включать в себя 95% MFC (SR > 90), 5% крафт-волокна+технологические добавки, такие как удерживающие добавки. Альтернативно бумажная масса содержит 100% MFC+технологические добавки, наполнители или другие химические реагенты.

Предпочтительно содержание влаги в листе конечного продукта составляет менее 8% и наиболее предпочтительно менее 4%.

Более высокое содержание наполнителя улучшает несминаемые складки. Предпочтительно содержание наполнителя превышает 3% и наиболее предпочтительно превышает 7%.

Лист может быть изготовлен из высокорафинированных волокон или MFC, имеющих величину градуса помола по Шоппер-Риглеру (SR) выше 70, более предпочтительно выше 90 или даже выше 92. Упомянутая величина градуса помола SR определяет величину SR, измеренную для целлюлозы без добавленных химических реагентов. У окончательного состава бумажной массы, содержащей дополнительные добавки, может быть другая величина SR. Фибриллиляцию волокон можно измерять путем определения величины градуса помола по Шоппер-Риглеру (SR) или степени помола по канадскому стандару (CSF). Стандартные способы измерения величины SR приведены в стандартах ISO 5267-1:1999, SS-EN ISO 5267-1:2000; и способы измерения значений CSF приведены ISO 5267-2:2001.

Лист предпочтительно представляет собой двусторонний лист, что означает, что характеристики верхней и оборотной стороны отличаются, например, в отношении концентрации коротких волокон или шероховатости поверхности. Это, как было показано, оказывает благотворное влияние на способность сохранять несминаемые складки. Двусторонность является особенностью, по меньшей мере, бумаг, сформированных на машинах типа Fourdrinier, где двусторонность обеспечивается автоматически.

Предпочтительную ориентацию волокон (то есть предпочтительное отношение пределов прочности при растяжении) можно получать, например, путем регулирования отношения скорость струи/скорость сетки. Регулирование отношения скорость струи/скорость сетки позволяет изменять прочностные характеристики бумаги. Отношение скорости струи (скорости потока, выходящего из напорного ящика) к скорости сетки (скорости движения сетки) будет зависеть от нескольких разных факторов, таких как тип машины, тип напорного ящика, применяемые волокна, консистенция раствора волокна, встряхивание массы на сетке и средняя скорость движения сетки. При нанесении покрытия методом полива скорость ленты транспортера или полотна, на которое делается полив, будет одним из определяющих факторов.

Другой способ получения предпочтительной ориентации волокон заключается в обеспечении ламинарного сдвигового течения на сетке. Это можно осуществлять, например, путем встряхивания массы на сетке бумагоделательной машины типа Fourdrinier.

Еще одним способом получения предпочтительный ориентации волокон может быть корректировка и регулирование натяжения мокрого полотна и/или натяжения сухого полотна.

Предпочтительная ориентация волокон также может быть получена путем корректировки состава волокон. Корректировка состава волокон бумажной массы будет влиять на гидродинамические свойства и трение.

Состав волокон может быть проанализирован, например, с помощью работающих в режиме онлайн анализаторов волокон, которые основаны на оптических устройствах.

Желательная ориентация волокон также может быть получена путем регулирования характера поведения потока, например, создавая турбулентность путем вибрации, можно вызывать менее значительные ориентационные эффекты и т.д. Это можно осуществлять во время формирования бумажного полотна на этапе от напорного ящика к сетке.

Также можно комбинировать разные способы для получения желательной ориентации волокон и, следовательно, желательного отношения пределов прочности при растяжении (MD/CD) листа.

Ориентацию волокон в листе можно измерять и характеризовать разными способами.

Одним из способов является измерение ориентации краев сегментов волокна (Erkkilä, A-L., Pakarinen, P., Odell, M., Pulp Pap. Can. 99(1):81 (1998). Другие способы включают в себя анализ изображений, например, окрашенных или меченых волокон. Также можно измерять отношение MD/CD (R) пределов прочности и отношение MD/CD модулей упругости.

Диэлектрическую проницаемость, коэффициент пропускания ультразвуковых или микроволн также можно применять для определения модуля упругости и в дальнейшем также для ориентации волокон в листе.

Для определения ориентации волокон также можно применять оптическте измерения, например, измерение дифракции света.

Не ограничиваясь какой-либо теорией, можно полагать, что такой феномен "несминаемой складки" связан со свойствами индивидуальных волокон. Поскольку волокна образуют плотную структуру с ориентированными микрофибриллами, они способны очень сильно сопротивляться изгибающей силе и возвращаться в свое исходное состояние (отскакивать) после изгиба. Если такую структуру волокон разрушить до индивидуальных микроволокон, а затем из этого материала образовать пленку/бумагу, то после образования складки сформированная пленка потеряет "упругий отскок".

Структуры вощеных пакетов имеют дополнительную жесткость и обладают характеристиками несминаемых складок, которые позволяют образованному пустому пакету оставаться открытым и удерживать свою форму, когда пакет транспотируют на большие расстояния к агрегату для розлива и закупорки.

Способность сохранять несминаемую складку относится к оценке способности упаковочного материала сохранять складку или сгиб. Простое испытание на способность сохранять несминаемую складку может включать в себя штамповку в месте сгиба сложенного под углом 180° упаковочного материала при температуре окружающей среды и последующее измерение угла, на который откроется сгиб после этого. Желательны более низкие или меньшие углы возврата в исходное состояние, поскольку они указывают на большую степень "сохранения" несминаемой складки.

В контексте настоящей заявки и прилагаемой патентной формулы под термином "длина волокна" понимается средняя арифметическая длина волокна, которая может быть измерена, например согласно стандарту TAPPI (оптический анализатор волокна Kajaani FS5, Metso Automation).

Согласно одной из альтернатив с применением листа можно формировать ламинат, по меньшей мере, с одним вторым слоем. Согласно одной из альтернатив лист может быть снабжен вторым слоем, представляющим собой любой из слоя полимера, такого как слой покрытия из полиэтилена (PE), или слоя воска. Слой полимера или слой воска может быть нанесен на пленку или подложку с помощью любых обычных способов, таких как нанесение покрытия валиком, нанесение покрытия распылением, ламинирование и экструзия. Это может быть сделано на отдельной стадии преобразования, в режиме онлайн или офлайн. Лист также может быть получен методом полива непосредственно на пластиковой подложке, где подложка затем образует второй слой.

Толщина слоя воска или слоя полимера может находиться в диапазоне от 5 до 30 мкм и предпочтительно составляет около 20 мкм.

Обеспечивая упомянутый выше лист, например, слоем PE-покрытия, можно достичь значения OTR ламинированного листа менее 100 см³/м²_*день, определенного при 23°C и относительной влажности 50%.

Испытания

Волокно из крафт-целлюлозы очищали до величины градуса помола по Шоппер-Риглеру >96 (94-100). Для формирования полотна, имеющего граммаж около 30 г/м², применяли способ мокрой укладки или способ изготовления бумаги, аналогичный способу Fourdrinier. В качестве фракции длинного волокна в бумажной массе применяли разное количество целлюлозы из лиственных пород древесины (береза, низкое значение SR, ниже 25). В добавление к волокнистой бумажной массе применяли технологические химические добавки, такие как катионный крахмал (4 кг/т), гидрофобные химикаты нейтральной проклейки (1,5 кг/т).

Мокрое полотно пропускали через прессовую часть (бумагоделательной машины) и затем сушили до содержания влаги около 6 масс.%.

Слой полиэтиленового покрытия экструдировали на пленки или подложки на отдельной стадии преобразования. Толщина PE-слоя составляла около 20 мкм.

Измерения в отношении сохранности несминаемой складки осуществляли на образцах (не покрытых полиэтиленом) (W=55 мм, L= 155 мм) путем образования сгиба на расстоянии 55 мм от края исследуемой стороны.

Ниже образца помещали всасывающий картон, чтобы поддерживать подложку во время сгибания. Образец сгибали на 180 градусов на верхнюю или нижнюю сторону и затем на согнутый образец ставили груз 0,957 кг или груз 5,5 кг в течение 5 секунд.

Затем спустя 1 час измеряли угол. Описанные здесь пленочные MFC-материалы существенно не разгибались (например, максимально не более, чем на 150 градусов при грузе 0,957 кг, и максимально не более, чем на 170 градусов при грузе 5,5 кг) после сгибания.

Таблица. 1 Результаты испытаний несминаемых складок

В еще одном испытании MFC-пленку (около 40 г/м²) получали путем нанесения покрытия из суспензии, содержащеей MFC и 30% сорбитола, методом полива. Такая пленка имела угол возврата, равный 0 градусов.