ES2886103T3 - Sustratos recubiertos, incluidos recubrimientos compostables y métodos de producción de los mismos - Google Patents

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Abstract

Un sustrato recubierto que comprende: un sustrato que comprende una primera y segunda superficies principales, en el que el sustrato comprende material celulósico; y un recubrimiento compostable que comprende del 60 % en peso al 99 % en peso de al menos un polímero compostable en base al peso seco total del recubrimiento compostable y un dispersante, en el que el dispersante se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, polietilenglicoles, polisacáridos celulósicos, polisacáridos biopoliméricos, y cualquier combinación de los mismos, en los que el polímero compostable comprende poliéster biodegradable, y en el que el recubrimiento compostable está dispuesto sobre al menos una de la primera y segunda superficies principales y tiene un peso de recubrimiento de menos de aproximadamente 20 gramos por metro cuadrado (gsm) en base al peso seco, en el que el sustrato recubierto tiene una resistencia a la grasa que varía desde 4 a 12, medida de acuerdo con la prueba del kit TAPPI 559.

Description

DESCRIPCIÓN
Sustratos recubiertos, incluidos recubrimientos compostables y métodos de producción de los mismos
Campo técnico
Las realizaciones de la presente divulgación se refieren generalmente a sustratos recubiertos compostables y métodos de producción de sustratos recubiertos compostables. Más particularmente, las realizaciones de la presente divulgación se refieren a sustratos recubiertos compostables que comprenden sustratos celulósicos recubiertos con recubrimientos compostables que incluyen al menos un polímero compostable y un dispersante, teniendo los sustratos recubiertos compostables una resistencia a la grasa mejorada.
Antecedentes
Las dispersiones de polímeros de base acuosa se usan en una amplia variedad de aplicaciones técnicas tales como adhesivos, aglutinantes, agentes de encolado, selladores, cebadores, tintas, pinturas, sistemas de recubrimiento de semillas o granos y recubrimientos de papel. Tales dispersiones también se usan en la industria farmacéutica para la administración de fármacos, en kits de pruebas médicas o como aditivos en cosméticos. Un uso de tales dispersiones ha sido para formar recubrimientos de barrera sobre papel, envases de cartón, películas de plástico y recipientes. Sin embargo, los polímeros sintéticos usados para formar tales dispersiones y recubrimientos se obtienen por lo general del petróleo. Esto a veces puede hacer que los polímeros sean difíciles de reciclar o compostar y, como resultado, los polímeros pueden ser problemáticos en los vertederos donde se requiere biodegradabilidad o compostabilidad.
Además, incluso en los casos en los que se usan polímeros compostables o biodegradables, los recubrimientos poliméricos de base acuosa convencionales usan materiales significativos no compostables que evitan que el recubrimiento polimérico resultante sea biodegradable. Específicamente, estos recubrimientos poliméricos de base acuosa implican disolver los polímeros compostables o biodegradables en disolventes orgánicos volátiles, recubrir los materiales disueltos sobre sustratos y luego eliminar los disolventes. Sin embargo, esto genera problemas en la manipulación y eliminación de tales compuestos volátiles. Estos problemas incluían toxicidad, inflamabilidad y contaminación ambiental. Además, tales películas también pueden dejar algo de disolvente residual en el recubrimiento que puede afectar negativamente y prohibir el cumplimiento de las regulaciones de contacto con alimentos.
Los esfuerzos alternativos para fabricar recubrimientos que comprenden polímeros biodegradables implican fundir tales polímeros y luego extruirlos sobre películas. Sin embargo, esto a menudo requiere trabajar los polímeros a altas temperaturas que pueden causar una degradación prematura de los polímeros. Otros métodos emplean técnicas de extrusión y estirado que son intensivas en material y energía, o métodos en los que se aplica una emulsión de plástico biodegradable a una hoja para formar una capa de plástico biodegradable, tal como por ejemplo en el documento JP2001303478. Además, los recubrimientos poliméricos extruidos por fusión producen por lo general pesos de recubrimiento que son indeseables para muchas aplicaciones de recubrimiento, por ejemplo, recubrimientos sobre papel u otros sustratos celulósicos. Dependiendo del sustrato o sustratos implicados, estas limitaciones de los polímeros extruidos por fusión pueden ser prohibitivas.
Sumario
De acuerdo con lo anterior, sigue existiendo la necesidad de procedimientos de recubrimiento de polímeros de base acuosa que logren recubrimientos de polímeros compostables o biodegradables sin disolventes orgánicos volátiles. Además, existen más necesidades de recubrimientos compostables o biodegradables, que logren pesos de recubrimiento más bajos deseables mientras mantienen las propiedades de barrera deseables, por ejemplo, propiedades resistentes al aceite y la grasa. Las realizaciones de la presente divulgación satisfacen estas necesidades y la invención se refiere a un sustrato recubierto, un método de producción de un sustrato recubierto compostable y un paquete del producto, como se define en las reivindicaciones 1-13.
Diversas realizaciones incluyen un sustrato recubierto que incluye un sustrato que tiene una primera y segunda superficies principales y un recubrimiento compostable dispuesto sobre al menos una de la primera y segunda superficies principales del sustrato. El sustrato incluye un material celulósico. El recubrimiento compostable, que tiene un peso de recubrimiento de menos de aproximadamente 20 gramos por metro cuadrado (gsm) en base al peso seco, incluye al menos un polímero compostable y un dispersante. El sustrato recubierto tiene una resistencia a la grasa que varía desde aproximadamente 4 a aproximadamente 12, medida de acuerdo con la prueba del kit TAPPI 559.
Diversas realizaciones descritas en este documento también incluyen un método de producción de un sustrato recubierto compostable que comprende un sustrato y un recubrimiento compostable. El método incluye producir el sustrato recubierto compostable aplicando una dispersión acuosa que comprende al menos un polímero compostable y agua sobre el sustrato. El sustrato incluye un material celulósico y el recubrimiento compostable tiene un peso de recubrimiento menor o igual a aproximadamente 20 gramos por metro cuadrado (gsm) en base al peso seco. Además, el sustrato recubierto compostable exhibe una resistencia a la grasa que varía desde 4 a 12, medida de acuerdo con la prueba del kit TAPPI 559.
De acuerdo con lo anterior, diversas realizaciones proporcionan en este documento procedimientos que son eficaces para aplicar dispersiones acuosas de polímeros compostables a sustratos compostables. Además, diversas realizaciones en este documento proporcionan sustratos recubiertos compostables con propiedades resistentes al aceite y la grasa. Otras características y serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y las reivindicaciones adjuntas.
Descripción detallada
Definiciones
Como se usa en este documento, una sustancia "compostable" es una sustancia que sufre degradación por procedimientos biológicos durante el compostaje para producir CO2, agua, compuestos inorgánicos y biomasa a una velocidad consistente con otros materiales compostables conocidos y no deja visibles, distinguibles, o residuo tóxico. El término "compostaje", como se usa en la presente divulgación, se refiere a un procedimiento controlado que controla la descomposición biológica y la transformación de materiales en humus a través de la degradación aeróbica mesófila y termófila. Esta definición de "compostable" es consistente con los requisitos definidos en ASTM D6868-11 para "plásticos y polímeros como recubrimientos o aditivos con papel y otros sustratos". Los polímeros compostables pueden referirse a materiales poliméricos que son compostables; también se incluyen dentro del alcance de los polímeros compostables los copolímeros y las mezclas de polímeros compostables.
Como se usa en este documento, un "poliéster biodegradable" se refiere a un poliéster que sufre degradación como resultado de la actividad de microorganismos naturales, bacterias, arqueas, hongos, algas o combinaciones de los mismos. Esta definición de "poliéster biodegradable" es consistente con la definición de plástico biodegradable como se define en ASTM D6868-11.
Como se usa en este documento, "disolventes orgánicos volátiles" se refiere a compuestos orgánicos que tienen presiones de vapor a temperatura ambiente, de modo que al menos una porción del compuesto se evapora, sublima o entra en la atmósfera circundante y se puede medir mediante el método 24 de prueba de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.
Como se usa en este documento, una dispersión es "hidrolíticamente estable" si los polímeros en la dispersión retienen sustancialmente su estructura y peso molecular sin degradarse en formas monoméricas u otros materiales de descomposición durante un período de tiempo específico mientras se almacenan a temperaturas específicas. En el contexto de la presente divulgación, una dispersión es hidrolíticamente estable si mantiene una pérdida de sólidos de no más del 10 % durante un período de tiempo de treinta días a un año cuando se almacena a temperaturas que varían entre las condiciones ambientales y 50 °C.
Sustrato recubierto compostable
Las realizaciones de la presente divulgación están dirigidas a un sustrato recubierto que incluye un sustrato celulósico que tiene un recubrimiento compostable dispuesto sobre el mismo. En diversas realizaciones, el recubrimiento compostable incluye al menos un polímero compostable y un dispersante.
En diversas realizaciones, el sustrato incluye una primera y una segunda superficies principales y comprende material celulósico. Los materiales celulósicos pueden incluir, pero no se limitan a, materiales de papel tales como papel celulósico, papel de construcción, papel kraft, papel artístico, cartón, papel recubierto o similares. El material celulósico también puede ser, por ejemplo, un material, tal como un tejido o textil formado a partir de fibras de celulosa. En una o más realizaciones, el sustrato es compostable.
En diversas realizaciones, se dispone un recubrimiento compostable sobre al menos una de las superficies principales primera y segunda del sustrato. En otras realizaciones, el recubrimiento compostable se dispone tanto en la primera como en la segunda superficies principales del sustrato. El recubrimiento compostable de diversas realizaciones se puede aplicar al sustrato como una dispersión de base acuosa de un polímero compostable.
El polímero compostable comprende un poliéster biodegradable. El polímero compostable puede comprender uno o más polímeros seleccionados del grupo que consiste en ácido poliláctico (PLA), polimalato (PMA), polihidroxialcanoato (PHA), policaprolactona (PCL), poliesteramida (PEA), polihidroxivalerato (PHV), polihidroxihexanoato (PHH), copoliésteres alifáticos (PBSA), furanoato de polietileno (PEF), succinato de polibutileno (PBS), ácido poliglicólico, poliurea poliaspártica alifática, polímeros a base de soja, polibutilestireno (PBS) y mezclas y copolímeros de los mismos. En una realización específica, el dispersante comprende poli (alcohol vinílico).
De acuerdo con la invención, el recubrimiento compostable comprende desde aproximadamente 60 % en peso a aproximadamente 99 % en peso de al menos un polímero compostable en base al peso seco total del recubrimiento compostable. En otras realizaciones, el recubrimiento compostable comprende desde aproximadamente 60 % en peso a aproximadamente 95 % en peso, desde aproximadamente 70 % en peso a aproximadamente 99 % en peso, desde aproximadamente 75 % en peso a aproximadamente 95 % en peso, o desde aproximadamente 75 % en peso a aproximadamente 90 % en peso en base al peso seco total del recubrimiento compostable.
Además del polímero compostable, el recubrimiento compostable incluye al menos un dispersante. Sin pretender imponer ninguna teoría, se cree que el dispersante actúa encapsulando al menos parcialmente las partículas de los polímeros compostables para mejorar la estabilidad de dichas partículas en la dispersión para evitar que las partículas se aglomeren y sedimenten o floten fuera de la dispersión. Esta encapsulación puede reducir la tensión interfacial entre el al menos un polímero compostable y la fase continua circundante de la dispersión. En algunos casos, el dispersante puede actuar para formar un recubrimiento sobre la superficie de las partículas de polímero compostables. Además, sin estar ligado a ninguna teoría, el dispersante ayuda a facilitar el recubrimiento de la dispersión acuosa sin otros disolventes orgánicos volátiles.
Según la invención, el dispersante se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, polietilenglicoles, polisacáridos celulósicos, que incluyen carboximetilcelulosa, carboximetil hidroxietilcelulosa, etil hidroxietilcelulosa, hidroxietilcelulosa, hidroxipropilmetilcelulosa y metilcelulosa; polisacáridos biopoliméricos que incluyen goma gellan, goma rhamsan, goma whelan, goma xantano, goma guar, goma guar de hidroxipropilo y alginato de sodio; y cualquier combinación de los mismos. En una realización específica, el dispersante comprende poli(alcohol vinílico).
En diversas realizaciones, el recubrimiento compostable incluye desde aproximadamente 0.1 % en peso a aproximadamente 3.0 % en peso de dispersante en base al peso seco total del recubrimiento compostable. Por ejemplo, el recubrimiento compostable incluye desde aproximadamente 0.5 % en peso a aproximadamente 3.0 % en peso, desde aproximadamente 1.0 % en peso a aproximadamente 3.0 % en peso, o desde aproximadamente 1.5 % en peso a aproximadamente 2.5 % en peso de dispersante en base al peso seco total del recubrimiento compostable.
En realizaciones adicionales, el recubrimiento compostable también puede incluir ceras. La cera puede ser, por ejemplo, una cera animal, vegetal, mineral o de petróleo. Las ceras de ejemplo pueden incluir, a modo de ejemplo y no de limitaciones, una emulsión o cera micronizada que incluye una cera Fischer-Tropsch, una cera de carnauba, una cera de polietileno, una cera de soja, una cera de parafina, una cera de escamas, una cera floja, otras ceras vegetales o mezclas de las mismas. El recubrimiento compostable puede incluir una sola cera o una mezcla de múltiples ceras. Se contemplan diversas cantidades de cera. Por ejemplo, el recubrimiento compostable puede incluir desde 0 a 20 % en peso en base al peso seco del recubrimiento compostable. En una realización adicional, el recubrimiento compostable puede incluir desde 1 a 15 % en peso en base al peso seco del recubrimiento compostable.
En realizaciones opcionales, se pueden agregar otros aditivos al recubrimiento compostable. Según algunas realizaciones, los aditivos son compostables. Sin embargo, en algunas otras realizaciones, se pueden incluir uno o más aditivos no compostables. En tales realizaciones, la cantidad de aditivos no compostables es menos del 5 % en peso en base al peso seco del recubrimiento compostable. Adicionalmente, el recubrimiento compostable comprende no más del 1 % en peso de cualquier aditivo no compostable en base al peso seco. Sin pretender imponer ninguna teoría, se cree que limitar la presencia de aditivos no compostables en el recubrimiento compostable a menos del 5 % en peso en base al peso seco no afectará a las propiedades compostables de los sustratos recubiertos de la realización.
El recubrimiento compostable tiene un peso de recubrimiento menor de aproximadamente 20 gsm, menor o igual a aproximadamente 15 gsm, menor o igual a aproximadamente 10 gsm, desde aproximadamente 1 gsm a aproximadamente 5 gsm, o desde aproximadamente 1 gsm a aproximadamente 20 gsm en base al peso seco. Los pesos de capa más bajos usan menos material y pueden ser más eficientes industrialmente, pero a menudo no logran impartir las propiedades deseadas al sustrato recubierto. Sorprendentemente, usando las dispersiones acuosas de recubrimiento compostables, los sustratos compostables y los métodos descritos en este documento, se pueden impartir las propiedades deseadas al sustrato recubierto con pesos de recubrimiento relativamente bajos inferiores a 20 gsm.
Procedimiento de recubrimiento
En una realización adicional, el recubrimiento compostable se puede aplicar como una dispersión acuosa sobre el celulósico. En algunas realizaciones, la dispersión acuosa puede estar sustancialmente libre de compuestos orgánicos volátiles, fluorocarbonos o ambos. Como se usa en este documento, "sustancialmente libre" significa que la dispersión de base acuosa incluye menos del 0.2 por ciento en peso (% en peso) en base al peso total de la dispersión de base acuosa.
Se contemplan diversas realizaciones para preparar la dispersión de base acuosa. En una realización, el procedimiento comprende emulsionar el polímero compostable a una temperatura de entre aproximadamente 25 °C y aproximadamente 170 °C mezclando el polímero compostable, agua y un dispersante para formar una dispersión de base acuosa hidrolíticamente estable de partículas del polímero compostable. Según una realización, el polímero compostable se calienta a una temperatura por encima de su punto de fusión antes de mezclarlo con agua para formar una dispersión acuosa. Luego se mezcla una solución acuosa del dispersante en la dispersión.
En una o más de tales dispersiones acuosas, el al menos un polímero compostable puede tener un tamaño de partícula desde aproximadamente 0.2 |im a aproximadamente 50 |im. En otras realizaciones, el al menos un polímero compostable de la dispersión acuosa puede tener un tamaño de partícula desde aproximadamente 0.2 |im a aproximadamente 30 |im, desde aproximadamente 0.2 |im a aproximadamente 20 pm, desde aproximadamente 0.2 |im a aproximadamente 10 |im, desde aproximadamente 0.2 |im a aproximadamente 5 |im, o desde aproximadamente 0.2 |im a aproximadamente 1 |im.
Alternativamente, el polímero compostable se puede proporcionar como un polvo micronizado y el procedimiento de mezcla se puede llevar a cabo a una temperatura por debajo del punto de fusión del polímero compostable. Se puede usar cualquier aparato de mezcla apropiado, incluyendo, por ejemplo, molienda en húmedo, un rotor estator, homogeneización a alta presión usando un mezclador de cavitación o mezcla ultrasónica. Alternativamente, se pueden usar otros dispositivos y procedimientos de mezcla.
En una realización, el polímero compostable, el agua y el dispersante se mezclan para formar una dispersión, y luego se mezcla una solución acuosa que contiene opcionalmente un modificador de reología en la dispersión. En una realización, se forma una dispersión del polímero fundido, agua y dispersante y se deja enfriar la dispersión. Se mezcla una solución acuosa de un modificador de reología en la dispersión fría. También se puede agregar un agente regulador de pH opcional a la dispersión para estabilizarla.
El modificador de reología puede incluir diversas composiciones apropiadas para mejorar el flujo y la estabilidad de la dispersión acuosa. En una o más realizaciones, el modificador de reología se selecciona del grupo que consiste en arcillas inorgánicas que incluyen bentonita, carbonato de calcio y sílice pirógena; polisacáridos celulósicos que incluyen carboximetilcelulosa, carboximetil hidroxietilcelulosa, etilhidroxietilcelulosa, hidroxietilcelulosa, hidroxipropilmetilcelulosa, metilcelulosa y celulosa nanocristalina; polímeros de hidrocarburos sintéticos que incluyen poliacrilamida y copolímeros de la misma, poli (óxido de etileno), poli (met) acrilato de hidroxietilo, poli (met) ácido acrílico y copolímeros de los mismos, poliolefínicosulfonato y copolímero del mismo, polivinilpirrolidona, copolímeros de poliestireno y anhídrido maleico, copolímeros de polimetilen éter y anhídrido maleico; polisacáridos biopoliméricos que incluyen goma gellan, goma rhamsan, goma whelan, goma xantano, goma guar, goma guar hidroxipropilo y alginato de sodio
En al menos una realización, la dispersión incluye partículas de ácido poliláctico como polímero compostable, alcohol polivinílico como dispersante y goma de xantano como modificador de la reología. En otras realizaciones, la dispersión incluye partículas de ácido poliláctico como polímero compostable, alcohol polivinílico como dispersante y carboximetilcelulosa como modificador de la reología.
Además, como se indicó anteriormente, la dispersión acuosa puede incluir opcionalmente uno o más agentes reguladores del pH. El agente regulador de pH opcional se puede usar para secuestrar cualquier monómero ácido residual presente en la composición polimérica compostable. También puede ayudar a mantener la estabilidad del pH cerca de un pH neutro de 7.0, minimizando así cualquier inestabilidad hidrolítica, como se describe posteriormente. De acuerdo con las presentes realizaciones, la dispersión es hidrolíticamente estable en un amplio intervalo de pH desde aproximadamente 3.0 a aproximadamente 11.5. Sin pretender imponer ninguna teoría, el agente regulador de pH opcional también puede actuar para crear un efecto de sal, haciendo que el dispersante soluble en agua, el modificador de reología, o ambos, precipiten sobre la superficie de las partículas de polímero compostables, proporcionando protección adicional contra la hidrólisis de las partículas de polímero compostables. En una realización, el agente regulador del pH se selecciona del grupo que consiste en sales de ácidos o bases débiles u otros agentes reguladores conocidos que tienen valores de pKa entre 6 y 8.
En una realización, la dispersión acuosa de recubrimiento compostable puede incluir desde aproximadamente 10 % en peso a aproximadamente 60 % en peso de al menos un polímero compostable, desde aproximadamente 1.0 % en peso a aproximadamente 8.0 % en peso de al menos un dispersante, desde aproximadamente 0.01 % en peso a aproximadamente 1.0 % en peso del modificador de reología, y el resto agua, en base al peso total de la dispersión acuosa. En otra realización, la dispersión acuosa puede incluir desde aproximadamente 21 % en peso a aproximadamente 49 % en peso del polímero compostable, desde aproximadamente 1.0 % en peso a aproximadamente 8.0 % en peso del dispersante, y desde aproximadamente 0.01 % en peso a aproximadamente 1.0 % en peso del modificador de reología, y el resto agua, en base al peso total de la dispersión acuosa. En algunas realizaciones, la dispersión puede incluir además desde aproximadamente 3.0 % en peso a aproximadamente 15.0 % en peso de un agente regulador de pH y desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 2.0 % en peso de una sal, en base al peso total de la dispersión acuosa. En al menos una realización, la dispersión puede incluir desde aproximadamente 3.0 % en peso a aproximadamente 11.5 % en peso de un agente regulador de pH y desde aproximadamente 0.1 % en peso a aproximadamente 0.5 % en peso de sal, en base al peso total de la dispersión acuosa.
En una realización de ejemplo, el procedimiento de preparación de una dispersión hidrolíticamente estable de base acuosa de ácido poliláctico comprende emulsionar el ácido poliláctico, agua, alcohol polivinílico y goma xantana (Keltrol® de CP Keltrol) a una temperatura desde aproximadamente 25 °C a aproximadamente 170 °C y durante un tiempo suficiente para formar una dispersión de base acuosa de partículas de ácido poliláctico. El procedimiento se puede llevar a cabo mezclando primero el polímero de ácido poliláctico con una primera porción de agua y alcohol polivinílico para formar una primera mezcla. A continuación, la primera mezcla se mezcla con una segunda porción de agua y goma xantana para formar la dispersión.
Se contemplan diversos métodos de recubrimiento apropiados para aplicar la dispersión acuosa sobre el sustrato celulósico. La dispersión acuosa se puede aplicar a sustratos celulósicos mediante deposición de varillas de recubrimiento o recubrimiento por pulverización. La dispersión se puede aplicar a un sustrato para proporcionar un sustrato recubierto que incluye un recubrimiento funcional sin sacrificar la reciclabilidad, la repulpabilidad o la capacidad de compostar los sustratos recubiertos.
Propiedades de barrera
Además, en diversas realizaciones, el recubrimiento puede proporcionar resistencia al agua, resistencia al aceite y a la grasa, o ambas, al sustrato. En algunas realizaciones, el recubrimiento puede proporcionar funcionalidad de barrera al sustrato recubierto, y el sustrato recubierto puede exhibir resistencia al agua, barrera de transmisión de oxígeno o propiedades de barrera de transmisión de vapor de humedad. En diversas realizaciones, la funcionalidad de barrera para la resistencia al agua se puede medir mediante la Prueba de dimensionamiento de Cobb, como se define en ASTM D-3285 (TAPPI T-441).
En diversas realizaciones, el sustrato recubierto exhibe un valor de Cobb menor o igual a aproximadamente 30, menor o igual a aproximadamente 20, o menor o igual a aproximadamente 10 después de aproximadamente 2 minutos. En otras realizaciones, el sustrato recubierto tiene una resistencia a la grasa que varía desde 4 a 12 o desde 7 a 12, medida de acuerdo con la prueba del kit TAPPI 559. Por ejemplo, el sustrato recubierto puede tener una calificación de prueba del kit TAPPI 559 mayor o igual a 4, mayor o igual a 5, mayor o igual a 6, mayor o igual a 7, mayor o igual a 8, mayor o igual a aproximadamente 9, mayor o igual a 10, mayor o igual a 11, o 12.
Aplicaciones
Sin estar limitados por la teoría, los paquetes y artículos para el servicio de alimentos hechos de los sustratos recubiertos de diversas realizaciones pueden exhibir una vida útil más larga ya que el recubrimiento puede ayudar a proteger los sustratos y el contenido del paquete de los elementos dentro de los entornos a los que estos los artículos están expuestos. En particular, se cree que al proporcionar propiedades de barrera, el recubrimiento puede resistir la migración de los elementos (incluidos, pero no se limitan a, aceite, grasa y agua) que pueden estar presentes en el medio ambiente y en el contenido de los paquetes o elementos. Por lo general, cuando se exponen a tales elementos, los sustratos usados en la construcción de tales paquetes o artículos pueden degradarse, romperse o cambiar de alguna otra manera de formas no deseadas. Sin embargo, al proteger los sustratos de dicha migración, el recubrimiento puede aumentar la vida útil del paquete o artículo de servicio de alimentos. Además, al proteger el paquete de los elementos ambientales, el recubrimiento no solo puede ayudar a proteger los sustratos, sino que puede ayudar indirectamente a proteger el contenido del paquete, extendiendo así la vida útil del producto.
Métodos de prueba
Prueba de dimensionamiento de Cobb para resistencia al agua
En la prueba de dimensionamiento de Cobb, una muestra de sustrato recubierto que se va a probar se corta aproximadamente 12.5 x 12.5 centímetros (cm) cuadrados. La muestra se pesa y se coloca sobre una estera de neopreno, y se sujeta un cilindro hueco de metal sobre la muestra. El cilindro de metal tiene un área interior de 100 cm2, 25 cm2 o 10 cm2. Si el material de muestra tiene textura, se coloca una junta de neopreno entre la muestra y el cilindro, alineando cuidadosamente los bordes internos de cada uno. Luego se vierte agua en el cilindro de prueba en una cantidad de 100 mL para un cilindro de 100 cm2. Se usa proporcionalmente menos líquido para cilindros más pequeños. Después de verter el líquido, se pone en marcha un temporizador para medir el período de prueba. El período de prueba puede variar dependiendo de la muestra que se esté probando, pero generalmente es de 2 minutos, 15 minutos o 30 minutos. Quince segundos antes de la expiración del período de prueba predeterminado, el agua se vierte rápidamente del cilindro, teniendo cuidado de no dejar caer ningún líquido sobre la porción no tratada (exterior) de la muestra de prueba. El cilindro se retira de la muestra y la muestra se coloca con el lado húmedo hacia arriba sobre una hoja de papel secante. Exactamente al final del período de prueba predeterminado, se coloca una segunda hoja de papel secante encima de la muestra para eliminar el exceso de líquido moviendo un rodillo de acero inoxidable que tiene una cara lisa aproximadamente 20 cm de ancho y que pesa aproximadamente 10 kg una vez hacia adelante y una vez hacia atrás sobre la muestra y el papel secante sin ejercer fuerza hacia abajo sobre el rodillo. Luego, la muestra se dobla después de sacarla de entre las hojas secantes y se vuelve a pesar. El peso inicial de la muestra se resta del peso final de la muestra y la ganancia de peso en gramos se multiplica por 100 para un cilindro de 100 cm2 para obtener el peso del líquido absorbido en gramos por metro cuadrado (g/m2).
Prueba del kit TAPPI 559 para resistencia al aceite/grasa
La resistencia al aceite y la grasa se puede medir según la prueba del kit TAPPI 559, también denominada prueba del kit 3M. En la prueba del kit TAPPI 559, se preparan doce soluciones de aceite cada vez más agresivas usando diferentes cantidades de aceite de ricino, tolueno y n-heptano. Las mezclas de las soluciones del kit se proporcionan en la tabla 1 a continuación. El aceite de ricino usado en la prueba del kit TAPPI 559 tiene una densidad de 0.969 Tabla 1: Composiciones de las soluciones de prueba del kit
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En una prueba del kit TAPPI 559, se libera una gota de la solución 1 del kit sobre la superficie de una muestra del sustrato recubierto desde una altura de aproximadamente 13 milímetros y se limpia después de 15.0 segundos. A continuación, la superficie de la muestra se inspecciona visualmente de inmediato en busca de manchas oscuras. Las manchas oscuras indican la penetración de la solución del kit en el sustrato recubierto de muestra debido a la presencia de poros. La presencia de manchas oscuras y la penetración de la solución del kit en la muestra hace que la muestra no pase la prueba. Si la muestra pasa la prueba con la solución 1 del kit, entonces la prueba se repite con la solución 2 del kit. Cada vez que la muestra pasa la prueba del kit, se usa la siguiente solución numerada del kit. La prueba se repite de la misma manera con una solución de kit con un número más alto, hasta que se identifica el kit con el número más alto que permanece en la superficie de la muestra durante 15 segundos sin causar manchas oscuras en la muestra. El kit con el número más alto que no causa fallas se identifica como la calificación de prueba del kit TAPPI 559. En diversas realizaciones, la prueba se puede repetir 5 veces y los resultados promediados para cada muestra. De acuerdo con lo anterior, las posibles calificaciones de prueba del kit TAPPI 559 pueden variar de 1 a 12, siendo 12 la calificación de prueba del kit TAPPI 559 más alta, lo que indica la resistencia de aceite/grasa a la mezcla de aceite más agresiva.
Ejemplos
Para que las realizaciones se entiendan más fácilmente, se hace referencia a los siguientes ejemplos que pretenden ilustrar las realizaciones divulgadas y descritas en este documento. Estos ejemplos no tienen un alcance limitativo.
Ejemplos 1-5
Se prepararon cinco dispersiones acuosas de recubrimiento compostables mezclando los componentes juntos hasta que sean uniformes en un mezclador de paletas a temperatura ambiente. Se prepararon muestras de sustrato recubierto compostable pasando una varilla Buschman de tamaño 4 recubierta en cada una de las cinco formulaciones diferentes de dispersiones acuosas de recubrimiento compostable sobre un sustrato de papel dos veces, con el fin de aplicar dos capas de la dispersión acuosa. La segunda capa se aplicó antes de dejar secar la primera. Después de que se aplicaron los recubrimientos al sustrato, se colocaron en un horno de aire forzado a 105 °C, durante un minuto. A continuación, las muestras se dejaron enfriar a temperatura ambiente antes de realizar la prueba. La formulación para la dispersión acuosa usada en cada muestra se proporciona en la tabla 2 a continuación. La tabla 2 también detalla las formulaciones en peso seco de los correspondientes recubrimientos curados. El ácido poliláctico usado es un ácido poliláctico disponible comercialmente vendido con el nombre comercial Vercet A1000 de NatureWorks (Minnetonka, Minnesota, Estados Unidos) y el alcohol polivinílico usado es un producto disponible comercialmente vendido con el nombre comercial Selvol 203 de Sekisui Chemical Company (Japón). La cera 1 y cera 2 son emulsiones de cera disponibles comercialmente producidas por Michelman, Inc. (Blue Ash, Ohio, Estados Unidos). La cera 1 se vende con el nombre comercial Michem® Emulsion 77150 y la cera 2 se vende con el nombre comercial Michem® Emulsion 80939M2.
Tabla 2: Formulaciones de recubrimiento compostable
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Ejemplo comparativo A
Se obtuvo el ejemplo comparativo A, un vaso de papel disponible comercialmente recubierto con PLA extruido, para evaluar la eficacia de los sustratos recubiertos compostables de los ejemplos 1-5.
Ejemplo comparativo B
El ejemplo comparativo B se preparó mediante el recubrimiento de un sustrato de papel con un recubrimiento no compostable. El recubrimiento no compostable se preparó como una dispersión acuosa combinando agua, un copolímero de estireno-acrilato, una emulsión de cera y agentes emulsionantes en un mezclador de paletas a temperatura ambiente hasta que sea uniforme. La muestra de sustrato recubierto se preparó luego pasando una varilla Buschman de tamaño 4 recubierta con las dispersiones acuosas preparadas sobre un sustrato de papel dos veces, con el fin de aplicar dos capas de la dispersión acuosa. La segunda capa se aplicó antes de dejar secar la primera. Después de aplicar el recubrimiento al sustrato, se puso en un horno de aire forzado a 105 °C, durante un minuto. A continuación, las muestras se dejaron enfriar a temperatura ambiente antes de realizar la prueba.
Para determinar los pesos de recubrimiento de todas las muestras, primero se pesó el sustrato sin recubrir. Luego, después de aplicar y curar el recubrimiento, se volvieron a pesar los sustratos recubiertos. La diferencia en peso recubierto y sin recubrir del sustrato se calculó en gramos por metro cuadrado (gsm). Luego, todas las muestras se analizaron para determinar la resistencia al aceite y la grasa según la prueba del kit TAPPI 559, como se describió con mayor detalle anteriormente. Las muestras se analizaron adicionalmente para determinar la resistencia al agua usando la prueba de dimensionamiento de Cobb, según ASTM D-3285, también descrita con mayor detalle anteriormente. El intervalo de tiempo para la prueba de dimensionamiento de Cobb fue de dos minutos. El peso de la capa y los resultados de la prueba del kit TAPPI 559 y la prueba de dimensionamiento de Cobb se muestran en la tabla 3 para todas las muestras. También se probó un sustrato sin recubrir como control.
Tabla 3: Peso de la capa, resistencia al aceite y la grasa y resistencia al agua
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Como se demuestra por los datos de la tabla 3, el ejemplo comparativo A, que incluía un recubrimiento de PLA extruido, tenía valores similares de resistencia al aceite y la grasa como lo demuestran los resultados de la prueba del kit TAPPI 559 de los ejemplos 1-5. Sin embargo, sorprendentemente, los ejemplos 1-5 pudieron lograr esta resistencia al aceite y a la grasa con menos del 10 % del peso de recubrimiento como el ejemplo comparativo A. Adicionalmente, los datos en la tabla 3 ilustran que los recubrimientos compostables de los ejemplos 1-5 son capaces de proporcionar una resistencia a aceites y grasas similar a la del recubrimiento no compostable del ejemplo comparativo B.
Los ejemplos 1-5 demuestran que los recubrimientos compostables se pueden aplicar con pesos de recubrimiento menores que los sustratos recubiertos extruidos por fusión y exhiben las mismas propiedades resistentes al aceite y la grasa. Sin embargo, algunas aplicaciones de los sustratos recubiertos compostables descritos en este documento requieren una resistencia ajustada al aceite y la grasa. Las realizaciones de la presente divulgación proporcionan sustratos recubiertos compostables que tienen una resistencia al aceite y la grasa desde 4 a 12, medida de acuerdo con la prueba del kit TAPPi 559. Variando la concentración y el tipo de dispersante y modificador de la reología en la dispersión acuosa de recubrimiento compostable, la resistencia al aceite y la grasa de los sustratos recubiertos compostables de la realización se puede ajustar para exhibir una resistencia particular a la grasa.
Se prepararon cinco dispersiones acuosas de recubrimiento compostables diferentes mezclando los componentes en un mezclador de paletas a temperatura ambiente. El sustrato recubierto compostable de los ejemplos 6-10 se preparó usando el mismo procedimiento de recubrimiento que los ejemplos 1-5. A continuación, las muestras se dejaron enfriar a temperatura ambiente antes de probar su resistencia al aceite y la grasa. Las formulaciones de peso seco para las dispersiones acuosas usadas en cada muestra se proporcionan en la tabla 4 a continuación junto con su resistencia al aceite y la grasa medida de acuerdo con una prueba del kit TAPPI 559. Como se usa en la tabla 4, el alcohol polivinílico 1 es el alcohol polivinílico 203 Selvol™ de Sekisui Specialty Chemicals America, LLC y el alcohol polivinílico 2 es el alcohol polivinílico 523 Selvol™ de Sekisui Specialty Chemicals America, LLC. El ácido poliláctico usado es un ácido poliláctico disponible comercialmente vendido con el nombre comercial Vercet A1000 de NatureWorks (Minnetonka, Minnesota, Estados Unidos). Cera 1 y Cera 2 son emulsiones de cera disponibles comercialmente producidas por Michelman, Inc. (Blue Ash, Ohio, Estados Unidos). La cera 1 se vende con el nombre comercial Michem® Emulsion 77150 y la cera 2 se vende con el nombre comercial Michem® Emulsion 80939M2.
Tabla 4: Resistencia a aceites y grasas de sustratos recubiertos con composición de dispersante variable
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Como se puede ver en la tabla 4, ajustando esta relación de aditivos en la dispersión acuosa, incluyendo el tipo de dispersante usado, la resistencia a aceites y grasas se puede ajustar al nivel apropiado, dependiendo de la aplicación.
Se observa que términos como "preferiblemente", "comúnmente" y "por lo general" no se usan en este documento para limitar el alcance de la materia objeto reivindicada o para implicar que ciertas características son críticas, esenciales o incluso importantes para la estructura o función del objeto reivindicado. Por el contrario, estos términos están destinados simplemente a resaltar características alternativas o adicionales que pueden o no pueden usarse en realizaciones particulares.
Con el fin de describir y definir diversas realizaciones, se observa que el término "dispositivo" se usa en este documento para representar una combinación de componentes y componentes individuales, independientemente de si los componentes se combinan con otros componentes. Con el fin de describir y definir diversas realizaciones, se observa que el término "sustancialmente" se usa en este documento para representar el grado inherente de incertidumbre que se puede atribuir a cualquier comparación cuantitativa, valor, medición u otra representación. A menos que el significado sea claramente lo contrario, se considera que todos los rangos establecidos en este documento incluyen todos los valores dentro del intervalo mencionado así como los puntos finales.
Habiendo descrito diversas realizaciones en detalle y con referencia a realizaciones específicas de las mismas, será evidente que son posibles modificaciones y variaciones sin apartarse del alcance del objeto reivindicado. De este modo, se pretende que la especificación cubra las modificaciones y variaciones de las diversas realizaciones descritas en este documento, siempre que tales modificaciones y variaciones entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un sustrato recubierto que comprende:
un sustrato que comprende una primera y segunda superficies principales, en el que el sustrato comprende material celulósico; y un recubrimiento compostable que comprende del 60 % en peso al 99 % en peso de al menos un polímero compostable en base al peso seco total del recubrimiento compostable y un dispersante, en el que el dispersante se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, polietilenglicoles, polisacáridos celulósicos, polisacáridos biopoliméricos, y cualquier combinación de los mismos, en los que el polímero compostable comprende poliéster biodegradable, y en el que el recubrimiento compostable está dispuesto sobre al menos una de la primera y segunda superficies principales y tiene un peso de recubrimiento de menos de aproximadamente 20 gramos por metro cuadrado (gsm) en base al peso seco,
en el que el sustrato recubierto tiene una resistencia a la grasa que varía desde 4 a 12, medida de acuerdo con la prueba del kit TAPPI 559.
2. Un método de producción de un sustrato recubierto compostable que comprende un sustrato y un recubrimiento compostable, comprendiendo el método:
producir el sustrato recubierto compostable mediante la aplicación de una dispersión acuosa que comprende del 60 % en peso al 99 % en peso de al menos un polímero compostable en base a un peso seco total del recubrimiento compostable, un dispersante, y agua sobre el sustrato que comprende material celulósico, en el que el dispersante se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, polietilenglicoles, polisacáridos celulósicos, polisacáridos biopoliméricos, y cualquier combinación de los mismos,
en el que el polímero compostable comprende poliéster biodegradable,
en el que el recubrimiento compostable comprende un peso de recubrimiento menor o igual a aproximadamente 20 gramos por metro cuadrado (gsm) en base al peso seco, y
en el que el sustrato recubierto compostable tiene una resistencia a la grasa que varía desde 4 a 12, medida de acuerdo con la prueba del kit TAPPI 559.
3. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sustrato recubierto comprende papel.
4. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sustrato recubierto exhibe un Valor Cobb menor o igual a aproximadamente 20 después de aproximadamente 2 minutos cuando se mide según ASTM D-3285.
5. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el recubrimiento compostable tiene un peso de recubrimiento menor o igual a aproximadamente 10 gsm en base al peso seco; preferiblemente un peso de recubrimiento de aproximadamente 1 gsm a aproximadamente 5 gsm en base al peso seco.
6. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el recubrimiento compostable comprende menos del 5 % en peso de aditivos no compostables en base al peso seco.
7. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el recubrimiento compostable comprende no más del 1 % en peso de cualquier aditivo no compostable en base al peso seco.
8. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el poliéster biodegradable comprende un polímero seleccionado del grupo que consiste en ácido poliláctico (PLA), polimalato (PMA), polihidroxialcanoato (PHA), polihidroxibutirato (PHB), polihidroxivalerato (PHV), polihidroxihexanoato (PHH), copoliésteres alifáticos (PBSA), furanoato de polietileno (PEF), succinato de polibutileno (PBS), poli (polisebato) (PPS), y ácido poliglicólico.
9. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el recubrimiento compostable comprende además un modificador de reología.
10. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el modificador de reología se selecciona del grupo que consiste en arcillas inorgánicas, polisacáridos celulósicos, polímeros de hidrocarburos sintéticos, sulfonato poliolefínico y los copolímeros de los mismos, polivinilpirrolidona, copolímeros de poliestireno y anhídrido maleico, copolímeros de polimetilenéter y anhídrido maleico, biopolímeros de polisacáridos, copolímeros acrílicos, sales de poliacrilato de amonio, polímeros de poliéter carboxilato, y copolímeros de etileno ácido acrílico neutralizados con base.
11. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el recubrimiento compostable comprende cera.
12. El sustrato recubierto o el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el sustrato recubierto tiene una resistencia a la grasa que varía desde 7 a 12 según se mide de acuerdo con la prueba del kit TAPPI 559.
13. Un paquete del producto que comprende el sustrato recubierto de cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1, o 3 a 12.
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