FI118973B - Menetelmä adheesion hallitsemiseksi paperi- tai pahvisubstraatissa - Google Patents

Description

118973

Menetelmä adheesion hallitsemiseksi paperi· tai pahvisubstraatissa - För-farande för kontrollering av adhesion i ett pappers- eller pappsubstrat

Keksintö koskee menetelmää adheesion hallitsemiseksi paperi- tai pahvisubstraa-5 tissa levittämällä hivenmäärä päällystysainetta mainitun substraatin pinnalle. Keksintö koskee myös paperi- tai pahvisubstraattia, joka on käsitelty mainitun menetelmän mukaisesti, ja päällystysaineiden sähköstaattisen deposition käyttöä adheesion hallitsemiseksi.

Pakkausteollisuudessa eri sovelluksiin tarvittavat ominaisuudet voivat olla monen-10 laisia. Pakkauksen voidaan vaatia muodostavan ilmatiiviin, aseptisen ja mekaanisesti kestävän sulun pakattavan tuotteen suojaamiseksi koko sen matkalla tehtaasta kauppaan. Tämä on elintarvikkeiden kohdalla elintärkeää. Toisaalta saman pakkauksen tulisi olla tavaroiden loppukäyttäjälle helposti käsiteltävä ja avattava. Jokaisen vaatimuksen täyttämiseksi käytetään usein koostumuksia, joissa on usei-15 ta kerroksia samaa tai erilaisia materiaaleja. Eri kerrokset palvelevat eri tarkoituk sia, esimerkiksi ulkonäköä, sulkua, kantajana olemista, repimistä, saumausta jne. Sellaisten monikerroskoostumusten valmistamiseksi tyypillisiä prosesseja ovat päällystys, laminointi, ekstruusiopäällystys ja koekstruusio.

Jonkin substraatin, ts. paperi- tai pahvirainan, päällystys jollakin päällystysaineella 20 on ollut tyypillinen viimeistelykäsittely korkealaatuisten pintojen tuottamiseksi.

. Päällystysprosessi suoritetaan joko paperikoneen yhteydessä on-line-prosessina • « * [·'··' tai erillisenä off-line-prosessina. On-line-prosessissa paperikoneella valmistettava- : na ollut jatkuva raina menee suoraan päällystyskoneelle ja raina rullataan vasta • · : '·· päällystysprosessivaiheiden jälkeen. Off-line-päällystyksessä raina rullataan pape- • · · 25 rikoneen jälkeen ja tämä raina päällystetään erillisellä päällystyskoneella liittämällä uusi rulla kunkin edelliseltä rullalta auki rullatun rainan perään.

* # · • · • · Päällystysyksikköön on saatavilla koko joukko eri mahdollisuuksia: teräpäällysti- .. met, liimapuristinpäällystimet, sumutinpäällystimet, verhopäällystimet, sähköstaat- • · : tiset päällystysmenetelmät jne. Yhteinen piirre kaikille näille pääIlystysyksiköiIle on 30 vesipitoisen päällystyspastan levittäminen kuivan rainan koko leveydelle, sen jäi- ·“*: keinen päällystyspastan ja osittain kastuneen rainan kuivaaminen kuivauslaittei- • · · den, kuten infrapunasäteilijöiden, puhalluskuivaajien tai sylinterikuivurien, avulla. Päällystyspastan kiintoainepitoisuus on tyypillisesti 40-60 %:n luokkaa. Tyypillisiä • * φ *·* | kiintoaineita ovat esimerkiksi kaoliini ja kalsiumkarbonaatti. Päällystysprosessi voi- • ♦ 2 118973 daan toistaa muutamia kertoja erinomaisen suorituskykyisen pinnan aikaansaamiseksi. Sellainen yhdistelmä voi käsittää esimerkiksi rainan molempien puolien päällystämisen, ensiksi liimapuristinpäällystyslaitteella ja sen jälkeen molempien puolien päällystämisen jollakin teräpäällystyslaitteella. Päällystämistä seuraa taval-5 lisesti kalanterointi sopivan kiillon ja sileyden saamiseksi pintaan. Sitten raina muovataan "konerullaksi", joka vuorostaan jaetaan pituusleikkurilla rulliksi, jotka ovat kapeampia ja joiden rainanpituus soveltuu painokoneeseen.

Painamiseen tarkoitettujen tuotteiden kohdalla päällysteille asetetut vaatimukset liittyvät tasaisuuteen, sileyteen, kiiltoon, väriin, opasiteettiin, hyvään adheesioon, 10 hyvään retentioon, hyvään värin adsorptiokykyyn, jne. Päällystysmenetelmien ja -aineiden alalla pyrkimyksenä on perinteisesti ollut parantaa adheesiota. Mainittuja menetelmiä voivat olla pintakäsittely, mekaaninen karhennus, heikkojen raja-kerrosten poistaminen, jännitteiden minimointi, adheesiota parantavien aineiden käyttö, sopivien happo-emäsvuorovaikutusten käyttö sekä suotuisan termodyna-15 miikan aikaansaaminen ja kostutuksen käyttö. Tyypillisiä käsittelymenetelmiä ovat kemikaalien, kuten pohjustusaineiden ja liuottimien, lämmön ja liekin käyttö, mekaaniset menetelmät, plasma, koronakäsittely ja säteilytys. Kukin menetelmä voi parantaa adheesiota eri vaikutusten kautta. Haluttuja ilmiöitä ovat adheesion paraneminen substraatin ja päällysteen välillä lisäämällä pintojen vapaata energiaa 20 (kostuvuutta), mikä aikaansaa niiden välillä kemiallisia reaktioita, ja poistamalla niistä sidosta heikentäviä epäpuhtauksia.

Kun adheesio on liian voimakasta, tavallisia ovat erilaiset voiteluaineet ja toisaalta jauheet, kuten talkki. Vaikka kaikki nämä aineet helpottavat käsittelyä, niiden läs- näolo lopputuotteen pinnassa tai pinnalla saattaa olla epäsuotavaa, jopa kiellettyä, 25 kuten elintarvikkeiden ollessa kysymyksessä. Ongelmia perinteisissä päällystys- .·1·; menetelmissä syntyy pinnoille asetetuista eri vaatimuksista pakkauksen elinkaaren • · · . .·. eri vaiheissa. Tuotannon aikana, tuotantolinjalla, yksikköjen tulisi solua liukkaasti, .··, mutta kuljetuksen aikana liian liukkaat pinnat saattavat aiheuttaa kuorman liuku- • · mistä ja pakkausten törmäyksiä ja rikkoutumista.

j1··· 30 Keksinnön tärkeimpänä tavoitteena on menetelmä tuotteen pinnan adheesion hal- litsemiseksi.

• · ·

• M

Keksinnön tarkoituksena on myös parantaa pakkausten materiaalitehokkuutta, niin *:1" että saadaan hyvä laatu vähemmillä resursseilla: pienempi materiaalin kulutus ja .···. alhaisemmat energiakustannukset kuin aikaisemmin. Mahdollisuus levittää pääl- • · · · 3 118973 lystettä hallitusti, pelkästään haluttuihin kohtiin ja säädeltyinä määrinä, johtaa pääl-lystysaineen minimaaliseen kulutukseen.

Tämän keksinnön toinen tarkoitus on saada aikaan tehokkaampi ja taloudellisempi menetelmä kestävien ja luotettavien pakkausten, jotka voidaan avata hallitusti, 5 tuottamiseksi.

Vielä eräs tarkoitus on käyttää jonkin päällystysaineen hivenmäärän levittämistä sähköstaattisesti jonkin substraatin pintaan mainitun substraatin mainitun pinnan adheesion hallitsemiseksi.

Nämä tarkoitukset on nyt saavutettu olennaisesti seuraavalla tavalla. Substraatti-10 pinnan adheesiota hallitaan päällystysaineen depositiolla substraatin pinnalle määränä, joka on 0,0001 - noin 0,1 g/m2. Depositio voi tapahtua suoraan tai epäsuorasti, levittämällä päällystysaine ensin jollekin kantajalle, kuten telalle, ja siirtämällä se sitten substraatin pinnalle.

Sähköstaattiset päällystysmenetelmät voidaan jakaa kolmeen menetelmään: säh-15 köstaattinen sumutus (electrostatic spraying) ja sähkökehräys (electrospinning), tyypillisesti liuoksesta tasavirtakentän alla, sekä kuivapäällystys jauheista vaihto-virtakenttiä käyttäen. Sähköstaattista päällystystä käyttäen päästään helposti oikeaan päällysteen painoon. Lisäksi sähköstaattisilla päällystysmenetelmillä päästään kätevästi huonommin saavutettavissa oleviin kohteisiin epätasaisilla sub-20 straattipinnoilla.

• :.j.: Sähkökehräys- tai sähköstaattisissa sumutussovelluksissa liuotin usein haihtuu, ennen kuin päällystysaine saavuttaa päällystettävän substraattipinnan. Päällystys- aine ei muodosta pinnalle sileää ja tasaista kerrosta, vaan pikemminkin agglome- :***· roituu muodostaen mikropartikkeleita, joilla on pieni kosketuspinta substraattipin- ··· . .·. 25 nan kanssa.

• · · • · · :···: Tätä piirrettä voidaan odottamattomalla tavalla käyttää adheesion säätämiseen, erityisesti silloin, kun adheesiota on määrä heikentää paikallisesti. Yksi käytännön • * • '·· sovellus on saumauksen lujuuden hallinta, kun mainittu saumaus on tarkoitus reti": vetä tai palstautua auki. Sähköstaattisesti sumutettujen tai sähkökehrättyjen pääl- 30 lystyskemikaalien välisten heikkojen sidosten uskotaan rikkovan adheesiota halli- • · tulla tavalla ja sauma on helpompi repiä auki. Eräs toinen sovellus on adheesion, joka muodostuu puristusmuovattujen paperikuppien valmistuksessa, heikentämi-v : nen. Tässä sovelluksessa sähköstaattiset päällystysmenetelmät ovat keino levittää ·:·*: päällystysaineita hivenmäärinä, jotka ovat hyväksyttäviä jopa elintarvikepakkaus- 4 118973 ten yhteydessä. Lisäksi keksinnön mukaan levitetty päällystys voidaan levittää paikallisesti, vain sinne, missä sitä tarvitaan, parhaan adheesion vapautumisen ja prosessoitavuuden aikaansaamiseksi, mikä vähentää edelleen päällysteen kokonaismäärää substraatin pinnalla. On myös havaittu, että jopa näinkin pienet mää-5 rät voivat suojata pakkausainearkeista valmistettujen aihioiden raakareunoja, jotka saattavat altistua kontaminaatioille tai kosteudelle ja absorboida nesteitä ennen niiden tulemista loppukäyttäjälle.

Kuten edellä sanottiin, keksinnön mukaisessa menetelmässä substraatin adheesiota pintaan hallitaan levittämällä substraatin pinnalle sähköstaattisesti päällys-10 tysainetta paksuutena, joka on noin 0,0001 - noin 0,1 g/m2. Tällä tavalla suoritettuna pinta saadaan tuotetuksi huomattavan tehokkaasti ja taloudellisesti ja turvaten säädellyn adheesion päällystysaineen ja substraattipinnan välille.

Sumutusprosessissa nesteen pintaan kohdistettu suurjännitekenttä aiheuttaa pienien varauksellisten pisaroiden emittoitumista. Prosessi on riippuvainen muun mu-15 assa massasta, varauksesta ja liikemäärän säilymisestä. On siis useita parametreja, jotka vaikuttavat prosessiin. Kaikkein tärkeimmät parametrit ovat nesteen fysikaaliset ominaisuudet, nesteen virtausnopeus, käytetty jännite, järjestelmässä käytetty geometria ja ympäristön eristelujuus. Nesteen tärkeitä fysikaalisia ominaisuuksia ovat sen sähkönjohtavuus, pintajännitys ja viskositeetti. Sähkösumutuslai-20 te muodostuu tyypillisesti kapillaarista, painesuuttimesta, pyörivästä suuttimesta tai sumuttimesta, joka syöttää päällystysnestettä, ja levykokoojasta, joka kannattaa päällystettävää substraattia. Kapillaarisuuttimen ja levyn väliin on kytketty jän-nite-ero.

« · • · · • · · ··· * Jännite-ero levyn ja päällystysnestettä syöttävän kapillaarin kärjen välillä on useita I···. 25 tuhansia voltteja, tyypillisesti kymmeniä kilovoltteja. Emittoituvat pisarat ovat va- m · rautuneita ja ne voidaan neutraloida tarpeen vaatiessa eri menetelmillä. Niiden ko- *:"* ko vaihtelee käytetyistä olosuhteista riippuen.

• · « ·

«•I

Sähkökehräyksessä, samoin kuin sähkösumutuksessa, käytetään suurjännite-·*·.. sähkökenttää. Toisin kuin sähkösumutuksessa, jossa muodostuu jähmettyneitä pi- .·*·. 30 saroita, tässä muodostuu kiinteitä kuituja polymeerisulasta tai -liuoksesta, joka [·[ syötetään millimetrimittakaavaisen suuttimen läpi. Muodostuvat kuidut kootaan :···: maadoitetulle tai vastakkaisen varauksen omaavalle levylle. Sähkökehräyksessä voidaan tuottaa kuituja yksittäisistä polymeereistä tai polymeeriseoksista.

• · ·

I I I

• · 5 118973 Sähkökehräystä voidaan käyttää ultraohuiden jatkuvien kuitujen, joiden läpimitat ovat nanometreistä muutamiin mikrometreihin, tuottamiseen. Pieni läpimitta tuottaa pienen huokoskoon, suuren huokoisuuden ja suuren pinta-ala-alueen ja suuren pituusiläpimittasuhteen. Saatavat tuotteet ovat tavallisesti kuitukankaan muo-5 dossa. Tämä pieni koko ja kuitukangasmuoto tekee sähkökehrätyistä kuiduista käyttökelpoisia erilaisiin sovelluksiin.

Kehruuprosessissa erilaiset parametrit vaikuttavat saatuihin kuituihin. Nämä parametrit voidaan luokitella kolmeen päätyyppiin, jotka ovat liuokseen, prosessiin ja ympäristöön liittyviä parametreja. Liuoksen ominaisuuksia ovat pitoisuus, viskosi-10 teetti, pintajännitys, johtavuus ja polymeerin moolimassa, moolimassan jakauma ja arkkitehtuuri. Prosessiparametreja ovat sähkökenttä, suuttimen ja kokoojan välinen etäisyys ja syöttönopeus. Ympäristöparametreja ovat lämpötila, kosteus ja ilman nopeus kehruutilassa.

Seuraavassa kuvataan keksinnön tärkeimmät tekniset tunnusmerkit. Patenttivaati-15 musten mukainen prosessi koskee menetelmää jonkin substraatin pinnan adheesion hallitsemiseksi päällystysaineen hivenmäärän depositiolla mainitun substraatin mainitulle pinnalle. Erityisen suotavaa on vähentää adheesiota ja heikentää harkitusti sidoksia monikerroksisten paperi- tai kartonkituotteiden kerrosten välissä, vähentää kitkaa tai muuten estää pintoja tarttumasta toisiinsa.

20 Depositio voi tapahtua suoraan tai epäsuorasti. Suorassa depositiossa päällystys- aine lähtee sumutussuuttimesta, kohtaa päällystettävän substraattipinnan ja aset- : :*· tuu sille. Epäsuorassa menetelmässä päällystysaine levitetään ensin jollekin kan- *· » : tajalle ja siirretään sitten substraatin pintaan mainitulta kantajalta.

i·· · ·· • · : ” Hivenmäärän päällystysainetta depositio sähköstaattisesti mainitun substraatin 25 pinnalle tuottaa halutun tuloksen, erityisesti silloin, kun aine on rajavoiteluainetta ;.:,i (boundary lubricant). Näitä yhdisteisiin kuuluvat jotkin luonnon tai synteettiset voi- teluaineet, vahat, liima-aineet ja muut sellaiset. Mainittu hivenmäärä, joka levitetään substraatille, voi vaihdella 0,0001-0,2 g/m2, edullisesti 0,001-0,01 g/m2. Vielä ·*·.. pienempiin kokonaismääriin päästään, kun vain osa mitatusta alueesta päällyste- « ,···. 30 tään, ts. päällystettä säädetään paikallisesti. Tämä voidaan toteuttaa vaihtelemalla jännitettä tai suojaamalla osittain substraatin pintaa.

• i • · ··· ·:··· Kuten tässä on kuvattu, edullinen substraatti on edullisesti aihio tai valmis paperi tai pahvi tai niistä valmistettu tuote. Edullinen substraattityyppi on selluloosa tai • · · *·* | puu, joka sisältää < 300 g/mz päällystämätöntä tai päällystettyä lajia, joka on tuo- >···· • · 6 118973 tettu tavallisilla märkäpaperimenetelmillä. Sovellukset edellyttävät tyypillisesti monikerroksista substraattia, jossa on suositettavasi ulkopintana kosteudenkestävä kerros, kuten muovi. Paperilla tarkoitetaan mitä tahansa huovutettua tai himmeä-pintaista arkkia, joka sisältää olennaisena aineosana selluloosakuituja. Siitä edel-5 leenkäsitellyt tuotteet voivat olla rainoja tai arkkeja, jotka on leikattu erityiseen käyttöön soveltuviksi, tai mitä tahansa edellä mainituista materiaaleista valmistettuja kolmiulotteisia tuotteita.

Monikerroksinen substraatti, joka on päällystetty tämän keksinnön mukaisesti, voidaan valinnaisesti muodostaa hivenmäärän päällystysainetta depositiolla ensin va-10 litulle kerrokselle tai kerrosyhdistelmälle, joka sitten liitetään toiseen tai toisiin kerroksiin alalla tunnetuilla menetelmillä. Tämän keksinnön mukaisesti levitetty pääl-lystysaine voi jäädä yhdelle valmiin substraatin kerroksista tai prosessoituna kerrosten väliin.

Kun kysymyksessä ovat paperisubstraatit, päällyste voitaisiin levittää on-line-me-15 netelmällä paperikoneessa tai joko osana jotakin erillistä offi-line-prosessia tai erillisenä off-line-prosessina. Mahdolliset on-line-osaprosessit, joissa levittäminen voisi tapahtua, ovat kalanteroinnin jälkeen ja ennen rullausta. Off-line-prosesseis-sa sopivia kohtia ovat aukirullaus, aihioiden leikkaus, ennen painamista tai sen jälkeen ja juuri ennen muovausta.

20 Keksinnön mukaisessa menetelmässä sähköstaattinen depositio voi olla sähköstaattista sumutusta, jolloin päällystysaineet ovat nestepisaroiden tai kaasufaasiin : dispergoitujen partikkeleiden muodossa. Silloin nestepisarat muodostavat päällys- ··· : tysaineen liuoksen, emulsion tai dispersion jossakin liuottimessa tai emulgointiai- :·. neessa.

• ·· i·· 25 Toinen mahdollisuus on, että sähköstaattinen depositio suoritetaan sähkökehräyk- senä, jolloin ainakin osa pohjustusaineesta on kaasufaasiin dispergoituneiden kui- tujen muodossa. Kuidut muodostetaan alkuperäisen materiaalin liuoksesta tai emulsiosta tai dispersiosta jossakin liuottimessa tai emulgointiaineessa. Liuotin va-

Iitaan vesi/liuotinsysteemeistä ja se sisältää edullisesti vettä tai seosta, joka sisäl- .···. 30 tää vettä ja jotakin alkoholia.

··* •

Keksinnön tarkoituksissa käytetään sähköstaattista jännitettä 10-50 kV, edullisesti ····· 20-40 kV, ja pohjustusainelähteen ja substraatin välinen etäisyys on 100 - 1 000 mm, edullisesti 200-500 mm, edullisimmin sellainen, että sähkökenttä on 1-4 kV/cm.

• * 7 118973

Edellä kuvatulla menetelmällä käsitellyllä paperi- tai pahvisubstraatilia on useita arvokkaita ominaisuuksia. Päällystysaineen määrä on räätälöity sopimaan sekä prosessointiin että loppukäyttöön. Vaikka substraatti on käsitelty keksinnön mukaisesti, siinä saattaa olla segmenttejä, joissa ei ole lainkaan päällystettä, ja toisaalta 5 segmenttejä, joissa on räätälöityjä hivenmääriä valittua päällystettä. Sen pinnalla tai kerrosten välissä saattaa jopa olla erilaisia päällysteitä, jotka on levitetty erityisesti eri segmentteihin.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää hivenmäärän päällystysainetta levittämiseen sähköstaattisesti substraatin pinnalle mainitun substraatin mainitun 10 pinnan adheesion hallitsemiseksi. Käytön tarkoituksena on edullisesti adheesion vähentäminen. Käytetty päällystysaine on edullisesti jotakin rajavoiteluainetta.

Keksinnön erään toteutusmuodon mukaan substraatti on pakkaus, jossa on sulku, joka on sovitettu aukaistavaksi repimällä. Pakkauksessa, jossa on tällainen sulku, voi olla yksi tai useita samanlaisia osia, jotka on liitetty toisiinsa yhdellä tai kahdel-15 la tai useammalla erillisellä saumalla. Se voisi sisältää myös erilaisia elementtejä, joissa on toisiinsa sopivia yhteen saumattavia pintoja. Tyypillisiä esimerkkejä ovat kuluttajille tarkoitetut elintarvike- tai maustepakkaukset, jotka revitään auki käytettäessä. Näihin kuuluvat, rajoittumatta kuitenkaan näihin, jogurttikupit, maitokah-viannospakkaukset, suklaapatukoiden kääreet jne. Tätä toteutusmuotoa voidaan 20 kehittää edelleen säätelemällä päällystysainetta paikallisesti. Kohdennettu päällyste voidaan levittää säätämällä sähkökenttää vaihtelevaksi kohdan mukaan. Toinen mahdollisuus on suojata suurin osa substraatista, jolloin päällyste pääsee koske- 0 •\:V tukseen substraatin valittujen kohdealueiden kanssa. Tässä käytettävä suoja on j(f: levy materiaalista, jota päällystysaine ei läpäise.

·· • * • ** *... 25 Yksi keksinnön toteutusmuoto on levittää rajavoiteluaineita paperia tai pahvia ole- '*"* ville substraattipinnoille. Nämä yhdisteet ovat jauheina hyvin tunnettuja ja laajalti • · · käytettyjä monilla aloilla. Yhdisteitä ovat esimerkiksi kalsiumstearaatti, mag-*···* nesiumstearaatti ja talkki. Keksinnön mukaisen menetelmän ja käytön mukaan nämä yhdisteet levitetään kohdepinnalle liuotettuina johonkin sopivaan liuottimeen 00 *·· 30 perinteisen hienojakoisen jauheen asemesta. Substraatille jäävä voiteluainepitoi- suus on huomattavasti pienempi ja levitystä voidaan säätää vain ja tarkasti valit-tuihin kohteisiin.

«•I

Rajavoiteluaineilla tarkoitetaan tässä pinta-aktiivisia molekyylejä, jotka muodosta-vat pystysuoraan suuntautuneita monokerroksia substraatin pinnoille ja kantavat 35 kuormitusta kahden tällaisen pinnan välillä niiden liukuessa. Kitkan määrittävät sil- • · 8 118973 loin monokerrosten väliset vuorovaikutukset, jotka ovat heikompia kuin vuorovaikutukset substraattipintojen välillä ja heikentävät näin kitkaa. Tämä tarkoittaa, että pinta-aktiivisen aineen kyky vähentää kitkaa riippuu sen molekyylien suuntauksesta pinnalla. Pyrkimys muodostaa pystysuoraan suuntautuneita monokerroksia pa-5 ranee pinta-aineen ketjujen pidentyessä ketjujen välisen voimakkaamman koheesion ansiosta. Monokerroksen kulumisenkestävyys riippuu pinta-aktiivisen aineen yksittäisten molekyylien pakkautumistiheydestä ja tämä myös lisääntyy hiili-vetyketjun (18-20) pidentymisen myötä. Rakenteelliset epäsäännöllisyydet pinta-aktiivisen aineen hiilivetyketjussa, kuten kaksoissidoksista tyydyttymättömissä ras-10 vahapoissa johtuvat taiveet, häiritsevät kerroksen järjestystä ja huonontavat sen stabiiliutta. Rajavoiteluaine on edullisesti valittu tyydyttymättömistä C15-C21-rasvahapoista. Teoreettinen lähestymistapa on esitetty Anne Kuusisto-Rajalan lisensiaattityössä, Jyväskylän yliopisto 2003.

Tutkijoiden Garoff et ai. (viitejulkaisu) mukaan pitkäketjuiset lineaariset hiilivedyt, 15 joissa on polaarinen pääteryhmä, kuten pitkäketjuiset tyydyttyneet rasvahapot ja pitkäketjuiset rasva-alkoholit, joiden hiiliketjussa on enemmän kuin 15 hiiliatomia ja puusta peräisin olevat sterolit ovat tehokkaita paperipintojen voiteluaineita, koska ne voivat muodostaa pinnoille taipuisia molekyylikalvoja ja toimivat siten rajavoite-luaineina. Esimerkkejä sopivista rajavoiteluaineista ovat, rajoittumatta kuitenkaan 20 näihin, nnnn. Erityisen edullisia rajavoiteluaineita paperien välisen kitkan vähentämiseen ovat pienimoolimassaiset lipofiiliset yhdisteet (LLC), joita esiintyy puussa, sellussa ja paperissa.

Tämän toteutusmuodon käytännön esimerkkejä ovat paperi- tai pahviaihion muo- • · : vaaminen vuokakaksi. Tässä muovaustehoa parantaa juuri valituissa kohteissa j'1·· 25 heikennetty kitka. Vastaava vaikutus on yhtälailla käyttökelpoinen prosessoitaessa nestepakkauskartonkeja, kuten maitotölkkejä, haluttuja pakkausmuotoja muodos- : :'· tettaessa. Tässä toteutusmuodossa substraatti on muovausaihio, jossa päällys- ··« tysaineen levittäminen heikentää kitkaa, kun mainittua elintarvikepakkauksena käyttökelpoista aihiota muovataan mainitussa muotissa. Edullisesti se levitetään 30 muottiaihion leikattuun raakareunaan, jossa päällyste estää nesteiden absorboi- :.,Γ tumisen pakkausmateriaaliin.

• · • · ·♦· .···. Keksinnön eräs erityinen toteutusmuoto on hallita adheesiota irrakepapereissa (re- • 1 lease paper), joita voidaan kuvata seuraavasti. Irrokepaperien tarkoituksena on pi- • e . tää liima-aine tai tahmea materiaali vapaana liasta ja muista epäpuhtauksista. Ir- ··· : 35 rokepapereita käytetään tarraetikettien taustapaperina. Näitä paperilajeja käyte- · 118973 g tään myös tahmeiden materiaalien pakkaamisessa ja valupapereina. Tällöin substraattina voi olla irrokepaperi tai etikettipaperi.

Erityisesti tahmeiden materiaalien ja jopa elintarvikkeiden pakkaamiseen keksinnöstä on selvää hyötyä, koska se vähentää kitkaa ja tarttumista, jolloin saadaan 5 paremmat irtoamisominaisuudet.

Etikettipaperilla tarkoitetaan tässä paperia, joka on suunniteltu kiinnitettäväksi toiseen paperikappaleeseen tai muuhun kappaleeseen tyypillisesti etiketin tarttuvan taustakerroksen avulla.

Keksintöä havainnollistetaan seuraavilla kuvioilla.

10 Kuvio 1 esittää SEM-kuvia pinnoista, joihin on sumutettu sähköstaattisesti kaisium-stearaattia. Pienet partikkelit, joiden läpimitta on noin 2-5 mikronia, edustavat tässä kalsiumstearaattia. Suurennos on x3500 ja päällysteen vahvuus on 0,1 g/m2 (kuvio 1A) ja 0,01 g/m2 (kuvio 1B).

Kuvio 2 esittää SEM-kuvia pinnoista, joille on sumutettu sähköstaattisesti AKD-15 vahaa. Suurennos on x1500. Päällystepainot ovat jälleen 0,1 g/m2 (kuvio 2A) ja 0,01 g/m2 (kuvio 2B).

Kuvio 3 esittää SEM-kuvia pahvipinnoista, joille on sumutettu sähköstaattisesti AKD/PCC-seosta. Suurennos on tässä x1500. Päällystysainetta on levitetty substraatille päällystepainona 0,1 g/m2 (kuvio 3A) ja 0,01 g/m2 (kuvio 3B).

• · « .*** 20 Kokeellinen osa • · · • e e ··· · e· • *·· Polymeeripintaisia papereita (PE, PP, PET) päällystettiin eri kemikaaleilla sähköin": kehräys-, sähkösumutus- ja sumutusmenetelmillä. Käytetyt päällystysaineet olivat s s*: tärkkelys, styreeni/akrylaatti, styreeni/butadieeni, styreeni/akryylinitriili tai liima- ····. aineet, kuten AKD (alkyyliketeenidimeeri), ASAS, hartsiliima tai erilaiset voiteluai- ··· 25 neet, kuten kalsiumstearaatti, orgaaniset triglyseridit, polyetyleeniglykoli, polyety- :·, leenioksidi, polyetyleeni ja eri pigmentit, kuten kalsiumkarbonaatti, kaoliini, tärkke- • ·« \..e lys, piidioksidi, bentoniitti, jne., optiset kirkasteet ja väriaineet ja niiden seokset.

**:** Päällyste levitettiin substraatin polymeeripinnalle tai sen vastakkaiselle puolelle määränä, joka oli 0,0001-1,0 g/m2.

• · . 30 Tyypillisiä parametreja sähköstaattisen sumutuksen kohdalla on esitetty taulukos- V ! sa 1. Niitä ovat Brookfield-viskositeetti [cPa], sähkökenttä [kV] ja suuttimen ja pääl- lystetyn näytteen välinen etäisyys.

Taulukko 1. Sähköstaattisen sumutuksen parametrit 10 1 1 8973 Päällystysaine Viskositeetti Kenttä + Etäisyys __[cP]__[kVI [mml

Kalsiumstearaatti / PEO-seos__170__20__400 AKD-vaha, johon oli sekoitettu etanolia noin 600__30__300 AKD/PCC (50/50) noin 500 40 400 Sähköstaattisella sumutuksella päällystetyt pinnat on kuvattu kuvioissa. Heikko adheesio on nähtävissä, kun päällystysainepartikkeleilla on suhteellisen heikko 5 kosketus substraattiin. Päällystysaine on agglomeroitunut nanorakeiksi eikä muodosta kalvoja tai yhtenäisiä kerroksia päällystetylle pinnalle. Sähköstaattisen sumutuksen ja sähkökehräyksen tulokset olivat suhteellisen samanlaisia.

Kalsiumstearaattidispersio siirrettiin onnistuneesti substraattiin eri menetelmiä käyttäen. Matalat käsittelylämpötilat vähensivät hilsehtimistä ja partikkelien sula-10 mistä, koska substraateilla voitiin hallita tarkasti edullisia alueita.

Sovellusesimerkki: Muovatut pahvivuokat

Elintarvikepakkauksiksi tarkoitettuja vuokia valmistettiin polymeerikerroksella varustetusta pahvista leikkaamalla ensiksi aihioita ja puristamalla ne sitten muottien välissä kuppien muodostamiseksi. Neljästä päällystysaineesta testattiin niiden ky-15 ky vähentää muotin ja aihion välistä kitkaa. Kitkan vähentämisessä onnistuttiin ja . .·. sen myötä tuloksena oli parempi muovaus, tuotantonopeuden kasvu, vähemmän repeytymistä ja täysin rikkoutuneiden vuokien lukumäärän vähentyminen. Tässä • · · j" * kokeessa voiteluainetta levitettiin keksinnön mukaisesti valmiiksi leikattujen aihioi- den nurkkien pintaan tai sekä nurkkien että reunojen pintaan. Kitkaa vähentävä ai- • » *···/ 20 ne oli liuotettu. Levitys suoritettiin sähkökehräyslaitteella.

♦ * · • · · ··· *«· • · • · ·*· ·· • · 9 99 9 999 9 9 9 9 999 9 999 9 9 9 9 '999 9 9 9 9 999 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

Taulukko 2: Vuokien muovaustulokset „ 118973 11

Koe Käsittelyalue Pahasti rikkoutu- Osaksi rikkoutu- ___neita vuokia__neita vuokia

Ilman käsittelyä__11 %__89 %_

Ca-stearaatti Nurkat ja 0 % 0 % 0,01 g/m2__reunat___

Ca-stearaatti Nurkat 50 % 50 % 0,1 g/m2____

Ca-stearaatti Nurkat ja 0% 0% 0,1 g/m2 reunat___ AKD 0,01 g/m1 Nurkat__0_%__23% AKD 0,01 g/m2 Nurkat ja 0 % 6 % ___reunat____ AKD 0,1 g/m2 Nurkat__0_%__23% AKD 0,1 g/m1 Nurkat ja 0% 8% __reunat___ AKD+PCC 0,01 Nurkat 0 % 24 % g/m2____ AKD+PCC 0,01 Nurkat ja 0% 12,5% g/m2__reunat___ AKD+PCC 0,1 Nurkat 6% 24% g/m2____ AKD+PCC 0,1 Nurkat ja 8% 17% g/m2_reunat___

Tulokset osoittavat muovauksen paranemista kalsiumstearaattia tai AKD-vahaa käyttäen päällystettyjen vuokien osalta. Tämän kokeen tulokset kannustavat myös . ,·. 5 lisäämään kitkaa vähentävää ainetta myös aihion reunoihin nurkkien lisäksi halu- * · · .3 tun muovautumisen turvaamiseksi.

* · · • · · ··♦ ♦ j 1·· Ainoastaan AKD-vahan ja talkin seos ei käyttäytynyt halutulla tavalla, kun päällys- f teen levittämiseen käytettiin sähkökehräystä. Mainittu seos jätti erittäin epätasai- : ·2: sen pinnan ja sen vuoksi se ei soveltunut päällystykseen. Kalsiumstearaatti lisäsi .3. 10 aihion hyd rofi il isyyttä. Sitä vastoin AKD-vaha edisti voitelua samoin kuin teki myös AKD/PCC-seos. Viimeksi mainitun kohdalla päällystepainolla 0,01 g/m2 ei ollut ... käytännöllisesti katsoen mitään vaikutusta kosketuskulmaan veden kanssa. Mita- *... tut kosketuskulmat eri päällysteistä ja eri päällystyspainoista on esitetty taulukossa

SS A

“1 3.

*·· t · • · ··1 «·»«1 • « • · »· 2 • · · 3 • · ·

Taulukko 3: Vaikutus pinnan reaktiivisuuteen 12 1 1 8973 Päällystepaino Kosketuskulma veden __[g/m2]__kanssa [°]_

Verrokki (Ilman käsittelyä)__3__89,68_

Ca-stearaatti__0,01__86,95_

Ca-stearaatti__0,10__85,01_ AKD-vaha__O01__93,38_ AKD-vaha__OIO__100,18 AKD/PCC__O01__89,54_ AKD/PCC T 0 10 _97,69_ • e * • · · • •e • · « · · • · t • ·· * ·· • · • ·· 9 *·* 9 « 9 9 999 9 9 9 9 9 9 9 999 999 • · • · 99 9 99 9 9 9 99 9 9 99 • · • · ··· 999 9 9 9 9 9 99 9 ' 9 9 9 9 99 9 9 9 9 9 9 9 ' 9 9 9

Claims (13)

13 1 1 8973

1. Menetelmä substraatin pinnan adheesion hallitsemiseksi päällystysaineen hi-venmäärän sähköstaattisella depositiolla mainitun substraatin mainitulle pinnalle määränä, joka on 0,00001-0,5 g/m2.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että päällystys- aine on rajavoiteluainetta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että depositio tapahtuu suoraan mainitulle substraattipinnalle tai epäsuorasti, jolloin päällys-tysaine levitetään ensiksi jollekin kantajalle, joka on valittu telan ja hihnan joukosta, 10 ja toiseksi mainittu päällystysaine siirretään mainitulle substraattipinnalle.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että substraatti on paperi- tai pahviaihio tai valmis paperi tai pahvi tai niistä valmistettu tuote.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähköstaat-15 tinen depositio on valittu sähkökehräyksen ja sähköstaattisen sumutuksen joukosta.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, jossa adheesiota heikennetään.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että päällystysaine on valittu ryhmästä, jonka muodostavat luonnon- tai synteetti- 20 set vahat, liima-aineet, saippuat tai voiteluaineet.

8. Paperi- tai pahvisubstraatti, joka on käsitelty jonkin patenttivaatimuksen 1-7 • « · mukaisella menetelmällä. ·· • *

9. Jonkin päällystysaineen hivenmäärän sähköstaattisen deposition jonkin sub- **··* straatin pinnalle käyttö substraatin mainitun pinnan adheesion hallitsemiseksi. • · · • e · ,·*··. 25

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että mainittu hallinta sisältää adheesion heikentämisen.

·*·,. 11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että mainittu .···. päällystysaine on rajavoiteluainetta.

··· .··*. 12. Jonkin patenttivaatimuksen 9-11 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että sub- 30 straatti on pakkaus, jossa sulku on sovitettu avattavaksi repimällä. • · ·*· • · · • · · • · 118973

13. Patenttivaatimuksen 9 tai 12 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että mainittu päällystysaineen depositio tehdään muovatun aihion leikatulle raakareunalle, jolloin päällyste estää nesteiden absorboitumisen pakkausmateriaaliin. S Patentkrav