CZ27280U1

CZ27280U1 - Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům

Info

Publication number: CZ27280U1
Application number: CZ2014-29592U
Authority: CZ
Inventors: Jaromír Kelárek
Original assignee: Jaromír Kelárek
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2014-08-28

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká složení papíru, které řeší problémy spojené se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností papíru vůči tukům.

Dosavadní stav techniky

Pro aplikaci papíru jako obalového prostředkuje důležité, aby byl dostatečně pevný. V současné době je jednou z cest jak dosáhnout zvýšení pevnosti papíru posílení mezivlákenných vazeb aplikací polymerních látek do struktury papíru. Do této kategorie patří též škrob, obvykle se jedná o kationický škrob, který má tu přednost, že jde o přírodní látku, jejíž aplikaci považujeme za ekologicky šetrnou, neboť aplikací do struktury a na povrch papíru je zachována snadná biodegradabilita takto upraveného papíru a zároveň aplikace škrobu neomezuje možnost použít takový papír pro výrobu obalů určených pro styk s potravinami. Při výrobě papíru lze škrob aplikovat ve formě roztoku do papírové hmoty před nátokem papírenského stroje, nastřikovat ve formě suspenze na mokrý list papíru nebo nanášet na povrch hotového papíru natíracími nebo impregnačními zařízeními. Přídavek a aplikace roztoku škrobu do papírové hmoty pro zvýšení pevnosti je různý, dle druhu vyráběného papíru a požadovaného účinku. Obecně, ale platí pravidlo, že přídavek škrobu do papírové hmoty nad 1,5 % přináší již jen velmi mírné zlepšení pevnostních vlastností díky omezení retence škrobu v papírové hmotě. Proto koncentrace škrobu přidávaného do papírové hmoty obvykle není vyšší než 2 %. Hlavní nevýhoda aplikace škrobu formou impregnace je spatřována v tom, že velikost jejich primárních částic se pohybuje v rozmezí od 1 do 60 mikrometrů a po převedení do vodné fáze, nutné pro impregnaci, se tyto částice ještě zbobtnáním zvětší a při impregnaci nejsou schopny penetrovat do struktury papíru a zůstávají na jeho povrchu. Protože nedochází k zesílení mezivlákenných vazeb uvnitř hmoty papíru, zpevnění je malé.

Výroba nepromastitelných papírů je založena na minimalizaci pórů ve struktuře papíru a jejich uzavření na povrchu papíru, což má za cíl zabránění prostupu tuku skrze povrch a strukturu papíru. V současné době se používá několik výrobních postupů, které jsou založeny na vysokém stupni mletí vláken buničiny a/nebo chemickým nátěrem povrchu papíru. Výroba nepromastitelného papíru standardního „naturálního“ typu bez aplikace chemických prostředků pro zajištění jeho nepromastitelnosti je založena na vysokém stupni mletí kvalitního vlákenného materiálu ze sulfitové buničiny. Papíry s vysokým stupněm mletí jsou limitovány dosažením stupně KIT 2 až 4 ze stupnice nepromastitelnosti, která má rozsah KIT 1 až 12.

Další nevýhodou daného typu papíru je vysoká spotřeba elektrické energie při mletí buničiny a nízká flexibilita použitých vstupních surovin. Vysoké stupně nepromastitelnosti „naturálního“ typu nepromastitelného papíru lze dosáhnout pouze procesem pergamentace. Pergamentace je založena na naleptání a zgelovatění vláken papíru kyselinou sírovou, čímž jsou uzavřeny póry papíru a zajištěna neprostupnost tuku skrze jeho strukturu. Proces je náročný z hlediska spotřeby energie pergamentovacího stroje. Proces je ekologicky náročný díky použití kyseliny sírové. Další vývojovou etapou výroby nepromastitelných papírů je použití fluorokarbonových sloučenin jako součásti nátěrových směsí. Tyto sloučeniny díky svým vlastnostem zajišťují odpuzování tuku na povrchu papíru, tudíž jeho aplikace je prováděna nátěrem na povrch papíru. Stupeň nepromastitelnosti v rozsahu KIT 2 až 12 je regulován podílem fluorokarbonové sloučeniny v nosném médiu nátěru, kterým je klasický derivát škrobu s filmotvomými účinky. Fluorokarbonové řetězce C8 vykazují zdravotní rizika díky podezření na karcinogennost. Riziko je definováno možným vznikem kyseliny perfluoroktanové. Proto se přechází z vysoce rizikového řetězce C8 na řetězec C6, ovšem i pak existuje vysoký potenciál zdravotního a ekologického rizika.

Pro výrobu nepromastitelného papíru natíraného směsí fluorokarbonové sloučeniny a filmotvorného škrobu se používá papírová podložka k natírání ve složení 30 % dlouhovláknité sulfátové bělené buničiny, 20 % dlouhovláknité sulfitové bělené buničiny a 50 % krátko vláknité sulfátové bělené buničiny o plošné hmotnosti 15 až 350 g/m². Kompozice vlákenného složení papíru

-1 CZ 27280 Ul z dlouhovláknité sulfátové buničiny, dlouhovláknité sulfitové buničiny a krátkovláknité sulfátové buničiny má za cíl vzájemným propojením vláken vytvořit síť ve struktuře papíru pro dosažení pevnosti papíru a v maximální možné míře redukovat porozitu papíru a průsak nátěru do struktury papírové podložky k natírání, což zajišťuje nepromastitelnost papíru v rozsahu a dle složení nátěru KIT 1 až 12.

Změny používané výše uvedené vlákenné kompozice jsou vzhledem k nutnosti vytvoření sítě pro dosažení pevnosti papíru a snížení porozity papírové podložky k natírání a redukci průsaku nepromastitelného nátěru skrze papírovou podložku k natírání velmi omezené.

Díky nerovnoměrnému podílu vláken buničiny ve sběrovém papíru dle jejich kvality a délky vláken ovlivňující schopnost a kvalitu vytváření sítě ve struktuře papíru, lze ve velmi omezené míře pro výrobu nepromastitelného papíru použít sběrový papír. Použít lze zpravidla pouze příměs tříděného sběrového papíru vysokých kvalitativních tříd, u něhož lze definovat vysoký podíl primárních a doposud nerecyklovaných vláken buničiny. Použití sběrových papírů nižších kvalitativních tříd pro výrobu pevných papírů je prakticky znemožněno vysokým podílem již několikanásobně recyklovaných a postupným zkrácením a degradovaných vláken buničiny v každém cyklu recyklace. Nevýhodou tohoto technického řešení jsou zkrácená a pevnostně degradovaná vlákna buničiny, u nichž je redukována schopnost vytváření sítě ve struktuře papíru, což se negativně projevuje v dosahované pevnosti papíru. Vnitřní struktura papírové podložky k natírání vyrobené ze sběrového papíru je vysoce porézní a omezuje možnost vytvoření homogenního nepromastitelného nátěru na celé ploše povrchu papírové podložky k natírání, což způsobuje dosažení velmi nízkého stupně nepromastitelnosti.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky známých řešení do značné míry odstraňuje papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že papír obsahuje 0,1 až 40 % hmotnostního podílu biopolymemího škrobu, jehož primární částice mají velikost 1 až 750 nanometrů.

Hlavní výhoda papíru se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům, podle tohoto technického řešení je spatřována ve zvýšení pevnosti papírů za sucha aplikací do hmoty disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu a odstranění či zmírnění zdravotních rizik existujících nátěrových směsí pro výrobu nepromastitelného papim využitím zmíněné disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu, spočívající v dílčí, či úplné náhradě fluorokarbonových sloučenin.

Disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu díky své velikosti částic řádově stovek nanometrů (obvykle menších než 150 nanometrů) jsou srovnatelné s velikostí fibril - vazebných prvků mezi vlákny buničiny v papim, snadno vnikají do struktury papim a zvyšují prostorovou hustotu mezivlákenných vazeb v celém objemu papírového listu, čímž dochází k jeho zpevnění za sucha při zachování ekologické příznivosti papim.

Aplikace disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu do struktury papim umožňuje využití širokého spektra kvalitativních tříd sběrového papim například novin a časopisů, včetně nízkých kvalitativních tříd sběrového papim obsahujících pouze degradovaná a několikanásobně recyklovaná vlákna buničiny, jakými jsou například papírové krabice, při dosažení vysokých pevnostních parametrů. Výhodou aplikace škrobového biopolymeru do struktury papim a zvýšení pevnosti papim za sucha umožňuje redukovat plošnou hmotnost papim používaného pro výrobu obalů při zachování požadované pevnosti obalů, což snižuje spotřebu materiálu pro výrobu obalů a snižuje negativní ekologický dopad ve formě snížení vypouštění emisních plynů v rámci sníženého počtu přeprav. V případě výroby papim ze sběrového papim dochází ke zvýšení ekologické příznivosti papim snížením spotřeby vody, energie a emisí CO₂ ve srovnání s výrobou papim z primárních, nerecyklovaných vláken buničiny.

Schopnost nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu, jehož primární částice mají velikost 1 až 750 nanometrů vnikat do struktury papim a jeho schopnost vytvářet po usušení

-2CZ 27280 Ul nátěru kompaktní nepromastitelný film, umožňuje použití disperze nanočásticového biopolymerního materiálu na bázi škrobu bez příměsí při výrobě nepromastitelných papírů a/nebo ve směsích s jinými materiály, kdy vlastnosti fluorokarbonových sloučenin, filmotvomého škrobu a disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu umožňují vzájemné míšení a vytváření nových typů směsí, které synergicky spojují individuální výhody vlastností jednotlivých materiálů používaných pro výrobu nepromastitelných papírů, včetně látek zvyšujících odolnost nepromastitelného nátěru za mokra. Takto koncipované nátěry umožňují vytvořit kompaktní nepromastitelný film, který zajišťuje oddělení papírové podložky od balených potravin filmem, který zabraňuje uvolňování vlákenných a minerálních částic do potravin, což umožňuje výrobu a využití nepromastitelného papíru založeného na recyklaci sběrových papírů různých kvalit a tříd. Aplikace disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu do struktury papim pro zvýšení pevnosti papim za sucha zároveň napomáhá k uzavření vnitřní struktury papíru a snižuje průsak nepromastitelného nátěru do struktury, což zvyšuje kvalitu povrchového nátěru a stupeň nepromastitelnosti při zachování vysokých pevností papim s možností využití flexibilního složení surovin i nízké kvality pro dosažení požadovaných kvalitativních parametrů obalu. Aplikace samotné disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu nebo ve směsi s jinými materiály do vnitřní struktury a na povrch papim je možno provést technologií běžně používanou v papírenském průmyslu (klížící lis, tyčový stěrač, film press, gateroll, sizepress, nástřik a impregnace aj.), včetně prostředků používaných na úpravu vlastností nátěrové suspenze (úprava reologických vlastností a aplikace prostředků zadržujících vodu).

Papíry mohou být různě modifikovány v kompozici vlákenného složení a použití pomocných papírenských prostředků při aplikaci disperze nanočásticového biopolymemího materiálu na bázi škrobu pro dosažení pevnosti papíru za sucha, pro zvýšení pevnosti za mokra a pro dosažení různých stupňů nepromastitelnosti a zlepšení potiskovatelnosti v nátěrech na povrchu papim.

Pro správnou funkci je výhodné, že papír je na povrchu alespoň z jedné strany opatřen nánosem 0,1 až 30 % hmotnostního podílu biopolymemího škrobu, jehož primární částice mají velikost 1 až 750 nanometrů a dále povrch papim obsahuje 0,1 až 15 % hmotnostního podílu filmotvorného škrobu a/nebo 0,01 až 2 % hmotnostního podílu derivátu perfluoroctové kyseliny a že papír dále obsahuje látku na bázi polyamidoamin-epichlorhydrinové pryskyřice v množství 0,05 až 0,4 % hmotnostního podílu, a že papír je na povrchu alespoň z jedné strany opatřen nánosem 1 až 30 % hmotnostního podílu látky na bázi uhličitanu vápenatého.

Popis příkladů provedení

Příklad 1

Papír se zvýšenou pevností a/nebo zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, vyrobený impregnací papíru vyrobeného z vláken sběrového papim. Papír použitý k impregnaci má plošnou hmotnost 91 g/m². Impregnace je provedena ponorem do disperze nanočásticového biopolymemího škrobu, jehož velikost primárních částic je v rozmezí 50 až 90 nanometrů. Impregnační disperze je složena z vody a nanočásticového biopolymemího škrobu, jehož koncentrace v impregnační vodné disperzi je 19,8 % hmotnostního podílu. Obsah nanočásticového biopolymemího škrobu v naimpregnovaném papíru je 20,6 % hmotnostního podílu. Dodání nanočásticového biopolymemího škrobu do struktury papim se projeví zvýšením pevnostních vlastností vyjádřených střední tržnou délkou (ČSN EN ISO 1924-2) následovně. Střední tržná délka nenaimpregnovaného papim je 2,4 km, střední tržná délka papim po impregnaci je 4,3 km.

Příklad 2

Papír se zvýšenou pevností a/nebo zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, vyrobený impregnací papim vyrobeného z vláken sulfátové nebělené buničiny. Papír použitý k impregnaci má plošnou hmotnost 67 g/m². Impregnace je provedena disperzí nanočásticového biopolymemího škrobu, jehož velikost primárních částic je v rozmezí 50 až 90 nanometrů. Impregnační disperze je složena z vody a nanočásticového škrobu, jehož koncentrace v impregnační vodné disperzi je 10,3 % hmotnostního podílu. Obsah nanočásticového škrobu

-3CZ 27280 Ul v naimpregno váném papíruje 10 % hmotnostního podílu. Dodání nanočásticového biopolymerního škrobu do struktury papíru se projeví zvýšením pevnostních vlastností vyjádřených střední tržnou délkou (ČSN EN ISO 1924-2) následovně. Střední tržná délka nenaimpregnovaného papíru je 3,7 km, po impregnaci je střední tržná délka papíru 4,9 km. V případě, že nebyl postřik realizován, byla pevnost tohoto papíru vyjádřená střední tržnou délkou 2,3 km.

Příklad 3

Papír se zvýšenou pevností a/nebo zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, vyrobený aplikací nanočásticového biopolymemího škrobu formou postřiku. Postřik je aplikován na suspenzi vláken buničiny na sítě papírenského stroje. Koncentrace disperze nanočásticového biopolymemího škrobu použité k postřiku je 21,1 % hmotnostního podílu a velikost primárních částic škrobu je v rozmezí 50 až 90 nanometrů. Obsah nanočásticového biopolymemího škrobu ve vyrobeném papim je 8,5 % hmotnostního podílu a pevnost tohoto papim vyjádřená střední tržnou délkou (CSN EN ISO 1924-2) je 4,9 km.

Příklad 4

Papír se zvýšenou pevností a/nebo zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, vyrobený impregnací sulfátového sběrového papim o plošné hmotnosti 86g/m² a střední tržné délce (ČSNEN ISO 1924-2) 5,0 km. Impregnace je provedena disperzí nanočásticového biopolymemího škrobu, jehož velikost primárních částic je v rozmezí 50 až 90 nanometrů. Impregnační disperze je složena z vody a nanočásticového škrobu, jehož koncentrace v impregnační vodné disperzi je 9,8 % Obsah nanočásticového škrobu v naimpregnovaném papim je 8,6% hmotnostního podílu. Střední tržná délka papim po impregnaci nanočásticového biopolymemího škrobu je 6,0 km. Na takto upravený papír je dále aplikován dvoustranný nátěr nátěrovou disperzí. Nátěrová disperze je složena z vody a nanočásticového biopolymemího škrobu s velikostí primárních částic v rozmezí s výhodou 50 až 90 nanometrů, jehož obsah v nátěrové vodné disperzi je 15,8 % hmotnostního podílu. Hmotnost tohoto dvoustranného nátěru po usušení je 5g/m². Tento impregnovaný a nátěrem opatřený papír obsahuje celkem 13,1 % hmotnostního podílu nanočásticového biopolymemího škrobu a má tukoodolnost (stanovenou pomocí metody TAPPI T 559 cm-02) ΚΓΓ4.

Příklad 5

Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, vyrobený z papim s výhodou ze sběrového papim o plošné hmotnosti 86 g/m² a střední tržné délce (ČSN EN ISO 1924-2) 5,0 km, který je impregnován vodnou disperzí nanočásticového biopolymemího škrobu, jehož velikost primárních částic je v rozmezí s výhodou 50 až 90 nanometrů. Impregnační disperze je složena z vody a nanočásticového škrobu, jehož koncentrace v impregnační vodné disperzi je 17,8 % hmotnostního podílu. Obsah nanočásticového biopolymemího škrobu v papim je po jeho usušení 10,6 % hmotnostního podílu a plošná hmotnost papim je 96 g/m². Střední tržná délka papíru po zmíněné impregnaci disperzí nanočásticového biopolymemího škrobu je 6,2 km.

Na tento impregnovaný papír je aplikována nátěrová směs obsahující ve vodné fázi 5 % hmotnostního podílu nanočásticového biopolymemího škrobu, jehož velikost primárních částic je v rozmezí s výhodou 50 až 90 nanometrů, 7 % hmotnostního podílu filmotvomého škrobu a 0,15 % hmotnostního podílu derivátu perfluoroctové kyseliny. Aplikace je provedena dvoustranným nátěrem Mayerovou vinutou tyčkou. Vztaženo na hmotnost natřeného papíru, nátěr po usušení obsahuje 2,05 % hmotnostního podílu nanočásticového biopolymemího škrobu, 2,88 % hmotnostního podílu filmotvomého škrobu a 0,06 % hmotnostního podílu derivátu perfluoroctové kyseliny. Po nátěru má papír střední tržnou délku 6,3 km a tukoodolnost (TAPPI T 559 cm-02) KIT 5.

Příklad 6

Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, vyrobený z papíru s výhodou ze sběrového papíru, kde do struktury papíru je za mokra aplikována kationická polyamidoamin-epichlorhydrinová pryskyřice v množství 0,14 % hmotnostního

-4CZ 27280 Ul podílu papíru, čímž je dosaženo pevnosti za mokra 20 % pevnosti za sucha. Tento papír o plošné hmotnosti 88 g/m² a střední tržné délce (ČSNEN ISO 1924-2) 5,0 km je impregnován disperzí nanočásticového biopolymemího škrobu, jehož velikost primárních částic je v rozmezí s výhodou 50 až 90 nanometrů. Impregnační disperze je složena z vody a nanočásticového škrobu, jehož koncentrace v impregnační vodné disperzi je 17,8 % hmotnostního podílu. Obsah nanočásticového biopolymemího škrobu v papíru je po jeho usušení 10,6 % hmotnostního podílu a plošná hmotnost papíru je 96 g/m². Střední tržná délka papíru po zmíněné impregnaci disperzí nanočásticového biopolymemího škrobu je 6,2 km.

Na impregnovaný papír je dále aplikován dvoustranný nátěr nátěrovou disperzí. Nátěrová disperze je složena z vody a nanočásticového biopolymemího škrobu s velikostí primárních částic v rozmezí s výhodou 50 až 90 nanometrů, jehož obsah v nátěrové vodné disperzi je 16,7 % hmotnostního podílu. Po natření papír obsahuje celkem 15,7 % hmotnostního podílu nanočásticového biopolymemího škrobu a má střední tržnou délku 6,3 km a tukoodolnost (stanovenou pomocí metody TAPPIT 559 cm-02) KIT 5.

Příklad 7

Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, vyrobený z papim s výhodou ze sběrového papim o plošné hmotnosti 86 g/m², kde do struktury papim je za mokra aplikována kationická polyamidoamin-epichlorhydrinová pryskyřice v množství v množství 0,14 % hmotnostního podílu papim čímž je dosaženo pevnosti za mokra 20 % hodnoty pevnosti za sucha. Odolnosti povrchu tohoto papim vůči tukům je dosaženo aplikací oboustranného nátěru nátěrovou směsí, která je složena z vody a nanočásticového biopolymemího škrobu s velikostí primárních částic v rozmezí s výhodou 50 až 90 nanometrů, jehož obsah v nátěrové směsi je 5,5 % hmotnostního podílu. Po aplikaci této nátěrové směsi na povrch papim papír obsahuje celkem 5,7 % hmotnostního podílu nanočásticového biopolymemího škrobu a odolnost povrchu papim vůči tukům (stanovená pomocí metody TAPPI T 559 cm-02) je na stupni KIT 2.

Příklad 8

Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle tohoto technického řešení, dle příkladu 6 kde, nátěr na jedné straně kromě disperze nanočásticového biopolymemího škrobu dále obsahuje pigment na bázi uhličitanu vápenatého, který zlepšuje potiskovatelnost papim. Obsah tohoto pigmentuje 5 % hmotnostního podílu vztaženo na hmotnost papim.

Uvedené příklady jsou pouze ilustrativní a nevyjadřují celou škálu možných provedení. Průmyslová využitelnost

Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům je průmyslově využitelný v oblastech výroby papírenského zboží, zejména pro výrobky jako jsou např. balicí papíry určené pro balení potravin a široké škály průmyslových materiálů, které obsahují různá množství tuků a vody, papírové tašky určené do obchodů pro zákazníky, reklamní tašky či recyklovatelné tašky určené do odpadkových košů apod.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům, vyznačující se tí m , že obsahuje 0,1 až 40 % hmotnostního podílu biopolymemího škrobu, jehož primární částice mají velikost 1 až 750 nanometrů.
2. Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle nároku 1, vyznačující se tím, žejena povrchu alespoň z jedné strany opatřen nánosem 0,1 až

-5CZ 27280 Ul

30 % hmotnostního podílu biopolymemího škrobu, jehož primární částice mají velikost 1 až 750 nanometrů.
3. Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle nároku 2, vyznačující se tím, že povrch papíru dále obsahuje 0,1 až 15 % hmotnostního podílu

5 filmotvomého škrobu a/nebo 0,01 až 2 % hmotnostního podílu derivátu perfluoroctové kyseliny.
4. Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům podle nároku 1 až 3, vyznačující se tím, že dále obsahuje látku na bázi polyamidoamin-epichlorhydrinové pryskyřice v množství 0,05 až 0,4 % hmotnostního podílu.
5. Papír se zvýšenou pevností a zvýšenou odolností vůči tukům dle nároku laž4, vyznalo čující se tím, že je na povrchu alespoň z jedné strany opatřen nánosem 1 až 30 % hmotnostního podílu látky na bázi uhličitanu vápenatého.