CN109963983A - 耐油耐脂纸板 - Google Patents

Abstract

公开了一种涂布纸板，其包括基本上不含氟化物或蜡的屏障涂层，表现出对油、脂和水分的良好抗性并且没有粘连倾向。

Description

耐油耐脂纸板

相关申请的引用

根据35 U.S.C. §119(e)，本申请要求2016年11月17日提交的美国临时申请序列号62/423,217的优先权权益，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及纸板衬底，其具有耐油耐脂性且同时保持高度可再浆化并且没有粘连倾向。

背景技术

使用可再生、可回收和/或可堆肥材料的可持续包装越来越强烈地需要用于食品服务和食品包装。纸或纸板本身是包装应用最可持续的材料之一；然而，纸或纸板通常被涂布或层压有屏障材料以满足包装要求。这些额外的屏障涂层或膜通常使成品包装不再可再浆化或可堆肥。例如，广泛使用的聚乙烯涂布纸板在典型条件下既不可堆肥也不可回收。聚交酯涂布纸板可在工业条件下堆肥，但不可回收。

耐油耐脂性是食品和食品服务行业中纸板包装的最大需求之一。已经采用了若干技术，包括特种化学品（蜡、氟化物、淀粉、聚乙烯醇（PVOH）、海藻酸钠等）处理、聚合物挤出涂层（聚乙烯等）来提供纸板包装的耐油耐脂性。然而，目前用于耐油耐脂包装的用蜡处理或用聚乙烯涂布的纸或纸板难以再浆化。使用特种化学品（诸如氟化物）处理的纸或纸板具有潜在的健康、安全和环境问题，并且科学家们呼吁停止在包含包装材料的普通消费品中非必要地使用氟化物。

需要没有环境或安全问题的耐油耐脂纸板。水性涂层是实现这些目标的有前途的解决方案之一，特别是如果涂布纸板是高度可再浆化的。

发明内容

本发明的一般目的是通过涂覆两层无氟化物或蜡的水性涂层来在纸板上提供油和脂屏障。涂层可以在造纸机上涂覆或通过离线涂布机涂覆。根据本发明的涂布纸板提供对油、脂和水分的抗性，不具有任何粘连倾向，符合安全和环境法规，具有良好的再浆化性，并且能够以低成本生产。

在一个实施例中，公开了一种涂布纸板，其包括：具有第一侧和第二侧的纸板衬底；与第一侧接触的第一涂层，第一涂层具有从8.1至9.5 g/cm²（5至12 lbs每3000 ft²）的涂层重量并且包含粘合剂和涂料，第一涂层基本上不含氟化物或蜡；涂覆在第一涂层上的第二涂层，第二涂层也基本上不含氟化物或蜡，其中涂布纸板提供对油、脂和水分中的至少一者的屏障特性；并且其中涂布纸板是至少98.5％可再浆化的。

附图说明

图1示出了在纸板机上生产基础原料的方法。

图2示出了用于通过在纸板机上向一侧涂覆涂层处理来自图1的基础原料的方法。

图3示出了用于通过在机外涂布机上向一侧涂覆涂层处理来自图1的基础原料的方法。

图4是耐油/脂性（3M试剂盒水平）与涂层重量的关系图表。

图5A和5B可视地示出了若干涂层的耐油性。

图6示出了用于测量粘连的装置和方法。

具体实施方式

图1和图2示出了用两层水性涂层涂布纸板幅材的一侧的示例性造纸机上方法。环形带形式的成形线110在靠近流浆箱120旋转的胸辊115上经过。流浆箱在水中提供具有相当低的稠度（例如，约0.5％固体）的纤维浆料，其传递到运动的成形线110上。在第一距离230期间，水从浆料中排出并通过成形线110，形成湿纤维的幅材300。距离130期间的浆料可能还具有湿润外观，因为其表面上存在游离水。在某些时候，随着排水继续，游离水可能从表面消失，并且在距离231上，尽管表面看起来没有水，但水可继续排出。

最后，所述幅材由转移毡或压毡运送通过一个或多个压制装置（例如压辊130），所述压制装置通常通过施加压力、真空且有时加热来帮助进一步使所述幅材脱水。在压制之后，仍然相对湿润的幅材300例如使用干燥器或干燥部段401、402来干燥，以产生干燥幅材（“生原料”）310，其然后可以行进通过施胶压机510，该施胶压机实施表面施胶以产生施胶的“基础原料”320，其然后可以行进通过附加的干燥器部段403和（在图2中）平滑步骤，例如砑光机520。

然后可以使基础原料320行进通过一个或多个涂布机。例如，涂布机530可以将第一涂层（“BC”）涂覆到幅材的第一侧（“C1”），并且第一涂层可以在一个或多个干燥部段404中干燥。涂布机540可以将第二涂层（“TC”）涂覆到幅材的第一侧，并且第二涂层可以在一个或多个干燥部段405中干燥。

代替如图2所示通过机上涂布机涂覆涂层，涂层可以通过机外涂布机涂覆，如图3所示。在这种情况下，已经在造纸机上生产并缠绕在卷轴572上的纸板可以随后被运输（作为卷轴或较小的卷）到机外涂布机600，在此处，纸板从卷轴572展开，通过涂布机610赋予第一涂层，在干燥器601中干燥，通过涂布机620赋予任选的第二涂层，在干燥器602中干燥，任选地被赋予进一步处理（诸如光泽压延），然后缠绕到卷轴573上。机外涂布机可以向纸板的一侧涂覆单一涂层，或者可以向每一侧涂覆单一涂层，或者可以向任一侧或两侧涂覆多于一个的涂层。替代地，可以在造纸机上完成一些涂布，在机外涂布机上完成另外的涂布。

可以使用各种类型的涂布装置。图2-图3中所示的涂布机是如下所述的装置：在其中，涂层被保持在盘中，通过辊转移到幅材的下表面（根据幅材路径可以是第一侧或第二侧），然后当幅材部分地缠绕支承辊时，用刀片刮掉多余的涂层。然而，可替代地使用其他涂布机类型，包括但不限于帘式涂布机、气刀涂布机、棒式涂布机、膜式涂布机、短驻留涂布机、喷洒涂布机和计量膜施胶压机。

在涂布机之后，可以存在用于进一步加工的附加设备，例如附加的平滑，例如光泽压延。最后，将幅材紧紧地卷绕到卷轴570上。

在前面的描述和图1-图3中已经高度概述了造纸和涂布的一般过程，现在我们转向本发明的涂层。典型的水性屏障涂层通常使用特种聚合物、蜡和/或更高聚合物粘合剂水平（与常规印刷涂层相比）。这些涂层可能引起涂布纸板的再浆化性问题，因为在用再生纤维制造纸板时涂层通常难以分解成可接受的尺寸或倾向于形成“胶粘物”。

此外，许多屏障涂层赋予纸板在卷轴570、571、572、573中或在其卷绕成卷之后“粘连”（层粘在一起）的趋势。特别是在卷轴570中，可能存在来自干燥器的余热，由于卷轴的质量很大，所以该余热可能会非常缓慢地耗散。较高的温度可能增加粘连的趋势。

已知涂有常规可印刷性涂层的纸板通常不会粘连，并且通常是完全可再浆化的。如果非粘连和完全可再浆化的涂层也提供至少一定程度的屏障特性则将是有利的。然而，常规可印刷性涂层不能提供令人满意的屏障特性。它们的配方具有相对低水平的粘合剂以便吸收而不是排斥流体（例如印刷墨）。

常规可印刷性涂层中的粘合剂量的范围可以为：对于基础涂层而言15-25份每100份涂料（按重量计），以及对于顶部涂层而言10-20份每100份涂料（按重量计）。印刷等级会趋向位于这些范围的下半部分中。限制顶部涂层中的粘合剂量可允许印刷墨或粘着剂容易地吸收到可印刷性涂层中。简单地增加粘合剂以改善屏障特性最终会干扰可印刷性并引起附加问题，包括粘连和再浆化性问题。

许多水性屏障涂层存在类似的屏障和再浆化性问题，这些涂层使用特种聚合物和/或更高聚合物粘合剂水平（与可印刷性涂层相比），具有有害影响，即：涂布纸板不能完全回收且趋于在高温或高压下粘连。

相比之下，本申请中公开的本发明的涂层提供了容易的再浆化，在高温和高压下不会粘连，并且显示出良好的屏障特性，同时使用低成本且易于可用作纸或纸板行业的涂层材料的常规涂料。

常规涂料用于本发明中，并且可包括但不限于高岭土、碳酸钙等。本文实例中使用的涂料被赋予以下“简写”名称：

“粘土-A”：＃2粘土，常规亮度，颗粒尺寸80-94％<2微米

“粘土-B”：＃1粘土，高亮度，颗粒尺寸90-100％<2微米

“TiO2”：金红石型二氧化钛，中值颗粒尺寸0.3-0.4微米。

对于此处涂层中的粘合剂，使用SBR胶乳和蛋白质。实例中粘合剂的选择并不意味着以任何方式进行限制。

根据表1中所示的配方制备包括本发明中的对照涂层的涂层，该表提供用于实现耐油耐脂性而没有粘连或再浆化性问题的水性涂层配方的干燥部分中的主要成分的列表。基础涂层总是相同的，而顶部涂层配方是变化的。在涂层中基本上不使用氟化物。“基本上没有氟化物”是指没有故意使用氟化物，并且存在的任何量都是至多痕量的。尽管在实验室实验中可以排除氟化物，但由于制造各种等级的产品，可能在一些造纸机系统中存在痕量的这种材料，或者可能通过回收过程将其引入造纸系统。类似地，在涂层中基本上不使用蜡。

表1. 涂层配方

	BC	TC1	TC2	TC3	TC4	TC5	TC6	TC7	TC8
										粘土-A	100
粘土-B		78	84	89	95	100	84	84	84
										TiO<sub>2</sub>		22	16	11	5	0	16	16	16
SBR乳胶	21	32	32	32	32	32	28	37	40
										蛋白质	2.5	3	3	3	3	3	3	3	3
总粘合剂（每100份涂料的份数）	23.5	35	35	35	35	35	31	40	43

如表1所示，基础涂层（BC）配方的总粘合剂与涂料之比（粘合剂的份数，按重量计，相对于100份涂料）为23.5，并且对于顶部涂层（TCx）配方而言在31至43的范围。这大于典型可印刷性涂层（其中需要快速吸收墨）的粘合剂与涂料之比，并且小于典型屏障涂层的粘合剂与涂料之比。因此，看起来有效的粘合剂与涂料之比可以是从约25至约45份粘合剂每100份涂料（按重量计），或者从30至40份粘合剂每100份涂料。然而，也许可接受的结果（良好的3M试剂盒测试，无粘连且良好的再浆化性）可以在略微更大的范围内实现。

使用未漂白的硫酸盐（牛皮纸）衬底制造纸板样品，其卡尺测量为457 μm（18pt；0.018"）或356 μm（14pt；0.014"）。使用试验刀片涂布机在一侧（此处称为“涂布侧”）涂布样品以涂覆基础涂层，然后涂覆顶部涂层，或者使用机上刀片涂布机涂覆基础涂层，然后使用试验刀片涂布机涂覆顶部涂层。预计试验结果将代表可能在生产造纸机或生产机外涂布机上实现的结果。得到的涂布纸板通常称为涂布天然牛皮纸（CNK）。

测试结果示于表2和表3中。通过3M试剂盒测试（TAPPI标准T559 cm-02）在“涂布侧”上测量样品的耐油耐脂性（OGR）。利用该测试，评级从1（对油和脂的最小抗性）到12（对油和脂渗透的优异抗性）。

表2显示457 μm（18pt）样品的结果，其中与具有小于1的3M试剂盒评级的印刷等级对照相比，使用8种顶部涂层变化的水性屏障涂布样品给出在5至7之间的3M试剂盒水平。（涂层重量在表2中显示为每3000平方英尺的磅数，其中1 lb/ 3000 ft² = 1.62 g/m²。）涂层的耐水性通过在38℃和90％相对湿度下的WVTR（水蒸气透过率）来评估；（TAPPI标准T464OM-12 ）和水Cobb（TAPPI标准T441 om-04）。对于屏障涂布样品，WVTR显着降低，水Cobb评级也是如此。随着粘合剂水平从31份（TC6）增加到35份（TC2）、40份（TC7）、43（TC8），WVTR进一步降低。根据TAPPI标准T452在Technidyne Brightimeter Micro S-5上测量（GE）亮度。具有屏障涂层时的亮度低于印刷等级控制时的亮度；然而，屏障涂层的亮度随着涂层中TiO₂量的增加而增加（例如，TiO₂水平的顺序为TC1> TC2> TC3> TC4>TC5）。在相同的TiO₂水平下，相对较低的粘合剂水平导致相对较高的亮度（例如，粘合剂水平的顺序为TC6 <TC2 <TC7 <TC8）。

表2. 457 μm（18pt）纸板的结果

	印刷等级对照	BC/ TC1	BC/ TC2	BC/ TC3	BC/ TC4	BC/ TC5	BC/ TC6	BC/ TC7	BC/ TC8
										BC 涂层 wt lb/3000 ft<sup>2</sup>	10.5	10.1	10.1	10.1	10.1	10.1	10.1	10.1	10.1
TC 涂层 wt lb/3000 ft<sup>2</sup>	9.9	9.0	9.2	9.4	8.6	9.3	8.9	8.6	9.0
3M试剂盒	<1	5.2	6.0	6.0	6.0	5.2	5.6	5.6	6
										WVTR-38<sup>o</sup>C, 90%RH g/m<sup>2</sup>-d	1095	238	215	212	202	183	497	163	143
水Cobb-2min g/m<sup>2</sup>	68.5	49.2	47.8	47.1	51.8	50.0	60.5	43.6	42.3
										亮度	78.1	70.9	69.0	65.2	61.1	52.0	72.3	67.7	67.4

表3显示356 μm（14pt）样品的结果，其中与具有小于1的3M试剂盒评级的印刷等级对照相比，使用2种顶部涂层变化的水性屏障涂布样品给出在5至7之间的3M试剂盒水平。（涂层重量在表3中显示为每3000平方英尺的磅数，其中1 lb/3000 ft² = 1.62 g/m²。）如图4所示，在每种TC2或TC5涂层的更高涂层重量时获得更高的3M试剂盒值。油Cobb（30分钟暴露）的屏障涂布结果比印刷等级对照低20倍。（涂层重量在图4中显示为每3000平方英尺的磅数，其中1 lb/3000 ft² = 1.62 g/m²。）对于屏障涂布样品，水蒸气透过率（WVTR）显着降低，水Cobb评级也是如此。屏障涂布样品没有粘连，并且再浆化性为98.5％接受率或更好。

表3. 356 μm（14pt）纸板的结果

	印刷等级对照	BC/TC2	BC/TC5
				BC涂层 wt lb/3000 ft<sup>2</sup>	10.8	8.5	10.2
TC涂层wt lb/3000 ft<sup>2</sup>	10.5	10.4	11.8
3M试剂盒	<1	7.0	5.4
				WVTR-38<sup>o</sup>C, 90% RH g/m<sup>2</sup>-d	1098	234	193
水Cobb-2 min g/m<sup>2</sup>	50.3	32.8	28.3
				油Cobb-30 min g/m<sup>2</sup>	9.4	0.56	0.49
再浆化性%接受物	99.5	99.4	98.5
				粘连		0	0

还可视地测试吸油性，如图5A和图5B所示。从选定的457 μm（18pt）涂布纸板切下一侧上的7.6 cm（3英寸）正方形样品。如图5A所示，将内径为约3.8 cm（1.5英寸）的热熔胶环涂覆到每个样品的涂布侧以保留一小滩花生油。使油与阻挡涂层保持接触24小时，然后检查样品的反向（未涂布）侧。如图5B所示，油已渗透了印刷等级对照，但没有渗透通过具有水性屏障涂层的样品中的任一者。

通过评估屏障涂布侧和另一未涂布侧之间的粘附性来测试样品的粘连行为。粘连测试的简化图示于图6中。将纸板切成5.1 cm×5.1 cm（2"×2"）正方形样品。针对每种条件测试了若干复制品，每个复制品评估一对样品752、754之间的粘连。（例如，如果测试四个复制品，则将使用四对-八件。）每一对定位成使得一件752的“屏障涂布”侧与另一件754的未涂布侧接触。将所述对放置成堆叠体750，在相邻对之间具有间隔物756，该间隔物是箔、离型纸或甚至复印纸。将整个样品堆叠体放入图6中所示的测试装置700中。

测试装置700包括框架710。调节旋钮712附接到螺钉714，该螺钉714穿过框架顶部716。螺钉714的下端附接到板718，该板718承载重型螺旋弹簧720。弹簧720的下端支承在板722上，该板722的下表面724具有6.5 cm²（一平方英寸）的面积。标尺726使用户能够读取所施加的力（其等于通过6.5 cm²下表面724施加到样品堆叠体的压力）。

将样品堆叠体750放置在下表面724和框架底部728之间。拧紧旋钮712，直到标尺726显示“100 lbf”（施加到样品的689 kPa（100 psi））的所需力。然后将包括样品的整个装置700置于50℃的烘箱中24小时。然后将装置700从测试环境取出并冷却至室温。然后释放压力并从该装置取出样品。

通过分开每对纸板片来评估样品的粘性和粘连。结果报告如表4所示，“0”评级表明没有粘连倾向。

表4. 粘连评级

当纤维撕裂时，粘连损坏是可见的，如果存在纤维撕裂，则通常在纤维从样品754的无屏障表面向上拉起时发生。如果无屏障表面涂布有印刷涂层，则粘连也可能通过印刷涂层受损而显现。

例如，如图6中象征性地描绘的那样，样品752(0)/754(0)可以代表“0”粘连（无粘连）。样品中的圆形形状表示处于压力下的近似区域，例如总样品的约1平方英寸。样品752(3)/754(3)可以代表“3”粘连评级，在压力下的区域中具有达到25％的纤维撕裂，特别是在样品754(3)的未涂布表面中。样品752(4)/754(4)可以代表具有超过25％纤维撕裂的“4”粘连评级，特别是在样品754(4)的未涂布表面中。图6中的描绘仅仅意味着近似表示对这类测试样品的损害百分比，而不是显示样品的真实外观。

使用AMC Maelstom repulper测试再浆化性。将切成2.5 cm×2.5 cm（1"×1"）正方形的110克涂布纸板添加到含有2895克水（pH值为6.5±0.5，50℃）的再制浆机中浸泡15分钟，然后再浆化30分钟。然后通过振动平筛（0.006"槽尺寸）筛分300 mL再浆化的浆料。收集、干燥并称重拒绝物（由筛捕获）和纤维接受物。根据接受物和拒绝物的重量计算接受物百分比，100％是完全再浆化性。

总之，结果表明通过用常规涂层材料双重涂布获得了具有良好耐油、耐脂和耐水性的纸板。上述测试使用刀片涂布机来涂布涂层。如前所述，可以使用各种类型的涂布装置。

Claims (15)

1.一种涂布纸板，包括：

具有第一侧和第二侧的纸板衬底；

与所述第一侧接触的第一涂层，所述第一涂层具有从8.1至9.5 g/cm²（5至12 lbs每3000 ft²）的涂层重量并且包含粘合剂和涂料，并且基本上不含氟化物或蜡；

涂覆在第一涂层上的第二涂层，所述第二涂层具有从8.1至9.5 g/cm²（5至12 lbs每3000 ft²）的涂层重量并且包含粘合剂和涂料，并且基本上不含氟化物或蜡；

其中所述涂布纸板提供对油、脂和水分中的至少一者的屏障特性；以及

其中所述涂布纸板是可再浆化的，使得在再浆化后接受物百分比为至少98％。

2.根据权利要求1所述的涂布纸板，其中基础涂层中粘合剂与涂料之比为每100份涂料15至30份粘合剂，按重量计。

3.根据权利要求2所述的涂布纸板，其中所述基础涂层中粘合剂与涂料之比为每100份涂料20至25份粘合剂，按重量计。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的涂布纸板，其中顶部涂层中粘合剂与涂料之比为每100份涂料20至40份粘合剂，按重量计。

5.根据权利要求4所述的涂布纸板，其中所述顶部涂层中粘合剂与涂料之比为每100份涂料25至35份粘合剂，按重量计。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的涂布纸板，其中3M试剂盒测试值为至少5。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的涂布纸板，其中所述涂布纸板具有至多2克每平方米的30分钟油Cobb测试。

8.根据权利要求7所述的涂布纸板，其中所述涂布纸板具有至多1克每平方米的30分钟油Cobb测试。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的涂布纸板，其中所述涂布纸板具有小于500克每平方米每天的水蒸气透过率。

10.根据权利要求9所述的涂布纸板，其中所述涂布纸板具有小于300克每平方米每天的水蒸气透过率。

11.根据权利要求10所述的涂布纸板，其中所述涂布纸板具有小于200克每平方米每天的水蒸气透过率。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的涂布纸板，其中所述涂布纸板是可再浆化的，使得在再浆化后所述接受物百分比为至少99％。

13. 根据权利要求1至12中任一项所述的涂布纸板，其在689 kPa（100 psi）的压力下以50℃保持24小时后没有粘连倾向。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的涂布纸板，其中所述粘合剂包含聚乙酸乙烯酯、苯乙烯丙烯酸酯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物和蛋白质中的至少一者。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的涂布纸板，其中所述涂料包含粘土、碳酸钙和氧化钛中的至少一者。