CN114717871A - 具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其实质是该纸含有0.1％‑40％重量份的生物聚合物淀粉，该生物聚合物淀粉的初级颗粒的尺寸是1‑750纳米。

Description

具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸
本申请是2015年5月21日提交的国际申请号为PCT/CZ2015/000048，中国国家申请号为201580028415.2，发明名称为“具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明包括纸组合物，其解决了与增强的强度和增强的纸耐油脂性相关的问题。
背景技术
对于将要用作包装材料的纸来说，重要的是该纸足够结实。目前，实现增强的纸强度的一种方法是通过将聚合物物质施加到纸结构中，来增强纤维间结合。淀粉也包括在这个类别中；通常使用阳离子淀粉，其提供了作为天然物质的优点，天然物质的应用被认为是环境友好的，因为它在纸的结构中和表面上的应用保持了因此改性的纸的容易的生物降解性；同时，淀粉应用对于使用这样的纸生产打算与食物接触的包装材料的可能性没有限制。在纸生产中，淀粉可以在造纸机入口之前作为溶液施加到纸质中，作为悬浮液注射到湿纸张上，或者通过涂覆或者浸渍系统来铺展到最终纸的表面上。淀粉溶液的加入量和在造纸机中应用来增加强度是基于所生产的纸的类型和所需效果变化的。但是，通常适用下述规则，即向纸质中加入高于1.5％的淀粉仅提供了稍微改进的强度性能，这是由于纸质中有限的淀粉保持性。因此，加入纸质中的淀粉的浓度通常不超过2％。通过浸渍加入淀粉的主要缺点是它的初级颗粒的尺寸在1-60微米的范围内，并且当转移到浸渍这些颗粒所必需的液相中时，尺寸甚至由于溶胀而进一步增大，并且在浸渍过程中，它们不能渗入纸结构中，并且保留在其表面上。由于纸质内纤维间结合力并未增强，所得到的强度增加是低的。
不透油的纸的生产是基于使纸结构中的孔最小化，并且封闭纸表面上的孔，目的是防止油脂渗入纸的表面和结构中。目前，使用几种生产方法，其基于高水平的木浆纤维研磨和/或使用纸表面的化学涂层。常规的“天然”类型(没有施加化学产品来确保其不透油特性)的不透油的纸的生产是基于亚硫酸盐木浆的高研磨水平的高品质纤维材料。具有高研磨水平的纸受限于在KIT 1-12范围内实现KIT 2-4水平的不透油特性等级。
木浆研磨的高电耗和用过的输入原料的低挠性是给定纸类型的另一缺点。“天然”类型的不透油纸的高不透油特性水平可以仅仅通过浸渍方法来实现。浸渍是基于使用硫酸来蚀刻和凝胶化纸纤维；这种方法导致了纸的孔封闭并确保油脂不能渗入其结构中。该方法在浸渍机的能耗方面要求是苛刻的。由于使用硫酸，该方法对于环境是苛刻的。在涂料混合物中使用氟碳化合物是不透油纸生产的下一开发阶段。由于它们的性能，这些化合物确保了纸表面上的斥油性，这意味着这种处理是通过涂覆纸表面来施加的。在KIT 2-12范围内的不透油特性水平是通过涂料的载体介质中氟碳化合物的含量来调控的；涂料的这种载体介质是具有成膜效果的典型的淀粉衍生物。氟碳链C8由于它们的可疑的致癌性而具有健康风险。该风险是由潜在形成的全氟辛酸来限定的。这就是为什么开始使用C6来代替高风险的链C8；但是，链C6也存在着高的潜在的健康和环境风险。
为了生产用氟碳化合物和成膜淀粉的混合物涂覆的不透油纸，使用纸基用于涂覆，其包含长纤维硫酸盐漂白的木浆30％、长纤维亚硫酸盐漂白的木浆20％，和短纤维硫酸盐漂白的木浆50％，并且平方质量(克重)是15g/m2-350g/m2。使用长纤维硫酸盐木浆、长纤维亚硫酸盐木浆和短纤维硫酸盐木浆来设计纸的纤维组成的目的是使用纤维的相互连接来在纸结构中产生网，从而得到纸强度，并且尽可能多地减小纸的孔隙率和涂料浸泡到用于涂覆的纸基结构中，这确保了，基于涂料组合物，纸的不透油特性范围为KIT 1-12。
考虑到需要产生网来得到纸强度和减小用于涂覆的纸基的孔隙率，并减小不透油的涂料浸泡穿过用于涂覆的纸基，前述所用的纤维组合物的任何改变都是非常有限的。
基于木浆纤维的品质纤维长度(其影响在纸结构中产生网的能力和品质)，废纸中木浆纤维的份额不均匀，因此，废纸可以在非常有限的程度上用于制造不透油纸。通常，仅仅可以使用高品质种类的分拣的废纸的混合物，即，这样的纸，其中可以限定高份额的初级的和尚未再循环的木浆纤维。使用较低品质种类的废纸来制造结实的纸是实际上不可能的，这是由于高份额的多次再循环的，在每个再循环周期中逐渐变短的降解的木浆纤维。该技术方案的缺点在于变短的和强度降低的木浆纤维，其在纸结构中形成网络的能力是有限的；这在实现纸强度中是明显不利的。用于涂覆的由废纸制成的纸基的内部结构是高多孔性的，并且限制了在用于涂覆的纸基的整个表面上产生均匀不透油的涂层的可能性，这导致了非常低的不透油特性水平。
发明内容
通过根据本发明的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸明显克服了已知技术方案的前述缺点，本发明的实质是该纸含有0.1％-40％重量份的生物聚合物淀粉，该生物聚合物淀粉的初级颗粒尺寸是1-750纳米。
根据本发明的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸的主要优点在于通过将基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体施加到纸质中而实现的干纸的强度增加，和通过使用前述的基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体(部分或者完全用氟碳化合物代替)，消除或者降低了与现有的用于生产不透油纸的涂料混合物相关的健康风险。
由于它们的粒度处于几百纳米的量级(通常小于150纳米)，基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体与纸中木浆纤维之间的纤维-粘结元素的大小相当，它们容易渗入纸结构中并增加了整个纸张体积中的纤维间结合的空间密度，导致它在干燥条件下增强，同时保持了所述纸的环境友好性。
将基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体施加至纸结构中允许使用宽范围的废纸品质种类，例如报纸和杂志，包括低品质种类的仅仅含有降解的和数次再循环的木浆纤维的废纸例如纸盒，同时实现了高强度参数。将淀粉生物聚合物施加至纸结构中和在干燥条件下增加纸的强度提供了这样的优点，即，降低了用于制造包装的纸的平方质量，同时保持了该包装所需的强度，其降低了用于生产包装的材料的消耗，并且其还降低了不利的环境影响(其形式是降低了在减少数量的运输框架内所释放的排放气体的量)。在由废纸生产纸的情况中，与由初级的、非再循环木浆纤维生产纸相比，通过降低水、能量消耗和通过降低CO2排放物来增加所述纸的环境友好性。
基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料(它的初级颗粒尺寸是1-750纳米)渗入纸结构中的能力和它在涂料干燥后形成压实的不透油膜的能力，允许使用基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体，而没有在不透油的纸的生产中的任何混合和/或与其他材料的混合，其中氟碳化合物、成膜淀粉和基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体的性能支持互混和形成新类型的混合物，其协同结合了用于生产不透油纸的单个材料的性能的单个优点，包括在潮湿条件下实质性增加不透油涂层的耐受性。这样设计的涂层使得产生压实的，不透油的膜成为可能，其确保了通过膜将纸基与包装的食品分离，防止了纤维和矿物颗粒释放到食品中，由此能够生产和使用基于不同品质和种类的废纸的再循环的不透油纸。同时，将基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体施加至纸结构中来增加干燥条件下的纸强度有助于封闭纸的内部结构和降低不透油涂料浸泡到所述结构中，其增加了表面涂层的品质和不透油特性水平，同时保持了所述纸的高强度，具有这样的可能性，即，使用甚至低品质的原料的挠性组合物来实现包装所需的定性参数。将基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体(它本身或者它与其他材料的混合物)用于所述纸的内部结构中和表面上可以使用通常用于造纸工业的技术来进行(刮墨刀、膜压机、栅辊、施胶压机、喷涂和浸渍等)，包括用于调节涂料悬浮液的性能的产品(调节流变性和使用保水产品)。
可以针对纤维组成以不同方式改变所述纸，并且在施加基于淀粉的纳米颗粒生物聚合物材料的分散体中使用其他化学添加剂，来实现干燥条件下的纸强度，增大潮湿条件下的强度，并实现不同水平的不透油特性和改进纸表面上涂层的印刷适性。
出于适当功能的目的，有利的是所述纸至少在一侧上装备有0.1％-30％重量份的生物聚合物淀粉的沉积物，其初级颗粒的尺寸是1-750纳米，此外，该纸表面含有0.1％-15％重量份的成膜淀粉和/或0.01％-2％重量份的全氟辛酸，所述纸还含有0.05％-0.4％重量份量的基于聚酰胺胺-表氯醇(polyamidoamine-epichlorohydrin)树脂的物质，并且所述纸至少在一侧上覆盖有1％-30％重量份的基于碳酸钙的物质的沉积物等。
发明的实施例
实施例1
本发明的具有增强的强度和/或增强的耐油脂性的纸，其是通过浸渍由废纸纤维制成的纸制备的。用于浸渍的纸的平方质量是91g/m2。该浸渍是通过浸入纳米颗粒生物聚合物淀粉的分散体中来实现的，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒尺寸是50-90纳米。所述浸渍分散体由水和纳米颗粒生物聚合物淀粉组成，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉在基于浸渍水的分散体中的浓度是19.8％重量份。浸渍纸中纳米颗粒生物聚合物淀粉的含量是20.6％重量份。将纳米颗粒生物聚合物淀粉供入纸结构中是通过增加它的强度性能来表现的，所述强度性能通过如下的平均撕裂长度(
Figure BDA0003591123280000051
EN ISO 1924-2)来表达。非浸渍纸的平均断裂长度是2.4km；该纸在浸渍后的平均断裂长度是4.3km。
实施例2
本发明的具有增强的强度和/或增强的耐油脂性的纸，其是由非漂白硫酸盐木浆制成的浸渍纸制备的。用于浸渍的纸的平方质量是67g/m2。所述浸渍是使用纳米颗粒生物聚合物淀粉分散体进行的，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒尺寸是50-90纳米。所述浸渍分散体由水和纳米颗粒生物聚合物淀粉组成，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉在基于浸渍水的分散体中的浓度是10.3％重量份。浸渍纸中纳米颗粒淀粉的含量是10％重量份。将纳米颗粒生物聚合物淀粉供入纸结构中是通过它的强度性能的增加来表现的，所述强度性能通过如下的平均断裂长度(
Figure BDA0003591123280000052
EN ISO 1924-2)来表达。非浸渍纸的平均断裂长度是3.7km；该纸在浸渍后的平均断裂长度是4.9km。如果没有进行喷涂，则这种纸由平均断裂长度表达的强度是2.3km。
实施例3
本发明的具有增强的强度和/或增强的耐油脂性的纸，其是通过在喷雾中施加纳米颗粒生物聚合物淀粉制备的。所述喷雾施加在造纸机筛子上的木浆纤维的悬浮液上。用于喷涂的纳米颗粒生物聚合物淀粉的分散体的浓度是21.1％重量份，并且淀粉的初级颗粒尺寸是50-90纳米。所生产的纸中纳米颗粒生物聚合物淀粉的含量是8.5％重量份，并且这种纸以平均断裂长度表达的强度(
Figure BDA0003591123280000061
EN ISO 1924-2)是4.9km。
实施例4
本发明的具有增强的强度和/或增强的耐油脂性的纸，其是通过浸渍平方质量是86g/m2且平均断裂长度(
Figure BDA0003591123280000062
EN ISO1924-2)是5.0km的废硫酸盐纸制备的。所述浸渍是使用纳米颗粒生物聚合物淀粉分散体进行的，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒尺寸是50-90纳米。所述浸渍分散体由水和纳米颗粒淀粉组成，所述纳米颗粒淀粉在基于浸渍水的分散体中的浓度是9.8％。浸渍纸中纳米颗粒淀粉的含量是8.6％重量份。该纸在纳米颗粒生物聚合物淀粉浸渍后的平均断裂长度是6.0km。此外，使用涂料分散体在这样调节的纸上进行了双面涂覆。涂料分散体由水和纳米颗粒生物聚合物淀粉组成，并且纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒尺寸优选是50-90纳米，其在涂料水基分散体中的含量是15.8％重量份。这种双面涂层在干燥后的重量是5g/m2。这种浸渍的和涂覆的纸含有总共13.1％重量份的纳米颗粒生物聚合物淀粉，并且提供了KIT 4的耐油脂性(使用方法TAPPI T 559cm-02测定)。
实施例5
本发明的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其是使用纸，优选废纸制备的，平方质量是86g/m2，平均断裂长度(
Figure BDA0003591123280000063
EN ISO 1924-2)是5km，其是使用纳米颗粒生物聚合物淀粉的水基分散体浸渍的，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒的尺寸优选是50-90纳米。所述浸渍分散体由水和纳米颗粒淀粉组成，所述纳米颗粒淀粉在基于浸渍水的分散体中的浓度是17.8％重量份。干燥后该纸中纳米颗粒淀粉含量是10.6％重量份，平方质量是96g/m2。该纸在使用纳米颗粒生物聚合物淀粉分散体进行所述浸渍之后的平均断裂长度是6.2km。
将涂料混合物施加到这种浸渍纸上；在它的水相中，该混合物含有5％重量份的纳米颗粒生物聚合物淀粉，其初级颗粒尺寸优选是50-90纳米，7％重量份的成膜淀粉，和0.15％重量份的三氟乙酸衍生物。该施加是使用Mayer绕线棒，通过双面涂覆来进行的。相对于涂覆纸的重量，在干燥后，该涂层含有2.05％重量份的纳米颗粒生物聚合物淀粉、2.88％重量份的成膜淀粉和0.06％重量份的三氟乙酸衍生物。在涂覆后，该纸的平均断裂长度是6.3km且耐油脂性(TAPPI T 559cm-02)等于KIT 5。
实施例6
本发明的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其是使用纸，优选废纸制备的，其中将阳离子聚酰胺胺-表氯醇树脂在潮湿条件下，以所述纸的0.14％重量份的量施加到纸结构中，在潮湿条件下实现了干燥条件下强度的20％的强度。将这种平方质量88g/m2且平均断裂长度(
Figure BDA0003591123280000071
EN ISO 1924-2)5.0km的纸使用纳米颗粒生物聚合物淀粉分散体进行浸渍，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒尺寸优选是50-90纳米。所述浸渍分散体由水和纳米颗粒淀粉组成，所述纳米颗粒淀粉在基于浸渍水的分散体中的浓度是17.8％重量份。该纸在它干燥后的纳米颗粒生物聚合物淀粉的含量是10.6％重量份，且该纸的平方质量是96g/m2。该纸在使用纳米颗粒生物聚合物淀粉分散体进行所述浸渍之后的平均断裂长度是6.2km。
此外，使用涂料分散体将双面涂料施加到该浸渍纸。该涂料分散体由水和纳米颗粒生物聚合物淀粉组成，所述纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒尺寸优选是50-90纳米，其在涂料水基分散体中的含量是16.7％重量份。涂覆后，该纸含有总共15.7％重量份的纳米颗粒生物聚合物淀粉，并且它的平均断裂长度是6.3km且耐油脂性是KIT 5(使用方法TAPPI T 559cm-02测定)。
实施例7
本发明的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其是使用纸，优选废纸制备的，平方质量是86g/m2，其中将阳离子聚酰胺胺-表氯醇树脂在潮湿条件下，以所述纸的0.14％重量份的量施加到纸结构中，由此实现了潮湿条件下的强度是干燥条件下强度值的20％。这种纸表面的耐油脂性是通过使用涂料混合物进行双面施加来实现的，该涂料混合物由水和纳米颗粒生物聚合物淀粉组成，并且所述纳米颗粒生物聚合物淀粉的初级颗粒的尺寸优选是50-90纳米，其在涂料混合物中的含量是5.5％重量份。在将这种涂料混合物施加到纸表面之后，该纸含有总共5.7％重量份的纳米颗粒生物聚合物淀粉，并且该纸表面的耐油脂性(使用方法TAPPI T 559cm-02测定)是KIT 2。
实施例8
本发明的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，根据实施例6，其中在一侧上的涂料除了纳米颗粒生物聚合物淀粉分散体之外，还含有基于碳酸钙的颜料，其改进了纸上的印刷能力。相对于纸重量，这种颜料的含量是5％重量份。
前述实施例仅仅是说明性的，并且没有表达可能的实施方案的全部范围。
工业适用性
具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸提供了在纸商品生产领域的工业应用，特别是用于产品例如打算用于包装食品和含有不同量的油脂和水的宽范围的工业材料的包装纸，用于打算用于商店和消费者的纸袋、广告袋或者设计用于废物箱的可再循环袋等。

Claims (5)

1.具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其特征在于该纸结构含有8.5％-40％重量份的生物聚合物淀粉，该生物聚合物淀粉的初级颗粒的尺寸在1-150纳米的范围内。
2.根据权利要求1的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其特征在于在表面上，该纸至少在一侧上覆盖有0.1％-30％重量份的生物聚合物淀粉的沉积物，所述生物聚合物淀粉的初级颗粒的尺寸在1-750纳米的范围内。
3.根据权利要求2的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其特征在于所述纸的表面还含有0.1％-15％重量份的成膜淀粉和/或0.01％-2％重量份的三氟乙酸衍生物。
4.根据权利要求1-3的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其特征在于该纸还含有0.05％-0.4％重量份的基于聚酰胺胺-表氯醇树脂的物质。
5.根据权利要求1-4的具有增强的强度和增强的耐油脂性的纸，其特征在于在表面上，该纸至少在一侧上具有1％-30％重量份的基于碳酸钙的物质的沉积物。
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