FI120486B - Menetelmä kartonkituotteen valmistamiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä kartonkituotteen valmistamiseksi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä 5 monikerroskartonkituotteen valmistamiseksi.

Kartonkia käytetään painopintana ja erittäin paljon erilaisissa pakkauksissa. Pakkauskartongeissa on tärkeää materiaalin lujuus ja jäykkyys sekä jos pakkauksen pintaan painetaan tekstiä tai kuvioita, riittävän hyvä painopinnan laatu. Kartongissa on 10 usein myös läpäisyä estäviä kerroksia jos niitä käytetään esimerkiksi nesteiden tai sellaisten tuotteiden pakkaukseen, jotka käsittävät haihtuvia aineita, kuten esimerkiksi kahvi tai muut nautintoaineet. Tarkoitukseen sopiva painopinta määräytyy sen mukaan kuinka laadukasta painojälkeä tuotteen pakkauksessa tarvitaan, onhan selvää, että ylellisyystuotteiden pakkauksissa käytetään erilaista materiaalia kuin massatuotteiden 15 kulj etus- j a kuluttaj apakkauksissa.

Jotta kartonkiin saadaan aikaan riittävä jäykkyys, sen on oltava tarpeeksi paksua, joten kartongin valmistamiseen kuluu paljon raaka-ainekuitua. Toisaalta mitä parempaa painopintaa vaaditaan, sitä kalliimpaa raaka-ainetta on käytettävä muun muassa tuotteen 2 0 riittävän valkoisuuden saavuttamiseksi. Koska kartongin jäykkyys riippuu eniten sen paksuudesta, materiaalin kulutus ja raaka-ainekustannukset kasvavat lähes suoraan tuotteen paksuuden ja massan funktiona. Niinpä olisikin edullista, että kartongin pinta olisi lujaa ja tiheää materiaalia, jonka painatusominaisuudet ovat riittävän hyvät ja sisäosalla olisi alhainen tiheys. Kartonkirainan tiheys on tavallisesti lähes sama koko sen 2 5 poikkileikkauksessa, koska paksuussuunnassa oleellisesti tiheydeltään muuttuvaa rainaa ei pystytä valmistamaan. Taivekartonkien tiheys on erilainen kartongin pinnassa kuin keskellä, mutta niissäkin tiheysero on niin pieni, ettei paksun kartongin materiaalinkulutusta pystytä vähentämään yhtä tehokkaasti kuin aaltopahveilla käyttämällä välikerrosta. Tästä syystä jäykkyysvaatimukscn kasvaessa pakkausten 3 o valmistamiseen käytetään usein mieluummin aaltopahvia.

2

Aaltopahvi on kerrostettu tuote, joka koostuu kahdesta pintakerroksesta eli linerista ja niiden välissä olevasta aallotetusta kerroksesta, flutingista. Monikerrospahveissa aallotettuja välikerroksia on useampia ja välikerros on erotettu pintakerroksia vastaavilla 5 suorilla kartonkiseinillä. Aaltojen muoto, aallonpituus ja -korkeus voivat vaihdella, mutta aaltojen harjat ovat aina poikittain raaka-ainerainan pituussuuntaan nähden. Koko välikerroksen raina aallotetaan rainan pintojen säilyessä tasaisena, jolloin aallotuskuvio liimattavalla pinnalla on viivamainen ja jatkuva. Siten välikerroksen lujuus on erilainen rainan poikittaissuunnassa ja pituussuunnassa. Kartonkirainoissa kuidut asettuvat 10 valmistuksen aikana pääosin koneensuuntaisesti, eli rainan pituussuuntaan. Tästä johtuen rainan lujuusominaisuudet ovat erilaiset poikittaissuunnassa ja pituussuunnassa. Aaltopahvilla tätä ominaisuutta tasaa välikerroksen suurempi jäykkyys aaltojen suunnassa. Tässä aaltojen suunnalla tarkoitetaan aaltojen harjojen ja laaksojen suuntaa.

15 Vaikka aaltopahvi onkin edullinen pakkausmateriaali, sillä on kuitenkin useita heikkouksia. Pahvin puristuslujuus vaihtelee paljon riippuen siitä, osuuko puristus aallon harjan kohdalle vai laaksoon, ja samaten pintakerrokset eivät aina ole tasomaisia, vaan niissä voi olla muodonmuutoksia, jotka johtuvat vaikkapa liimauksen jälkeisestä pienestä kutistumasta. Pahvin pintakerroksen ominaisuudet riippuvat tietenkin pintakartongin 2 o paksuudesta ja laadusta, mutta yleisesti aaltopahvin ei katsota soveltuvan erityisen hyvin kontaktipainomenetelmillä käsiteltäväksi, mikä rajoittaa sen käyttöä laadukkaimmissa pakkauksissa. Aaltopahvit ovat tavallisesti myös varsin paksuja, joskin markkinoille on jo tullut ohuempia ja kevyempiä aaltopahvilaatuja. Materiaalin liian suuri paksuus rajoittaa sen käyttöä sekä painettavissa tuotteissa että pienpakkauksissa, joissa pakkauksen mitat 2 5 eivät saa kasvaa liian suuriksi. Niinpä aaltopahvilla ei tavallisesti voida korvata pakkauskartonkia ainakaan laadukkaammissa pakkauksissa.

Yhdysvaltalaisessa patentissa 5 374 468 on kuvattu kartonki tuote, jossa kolmesta kerroksesta muodostuvan tuotteen keskikerrokseen tehdään kaksipuoleisesti kohoumia 3 0 viemällä märkä raina imutelan yli. Märkä raina painuu imutelassa oleviin reikiin ja siihen 3 muodostuu kuppimaisia syvennyksiä tai vastakkaiselta puolelta katsottuna kohoumia. Koska rainaa muokataan alipaineella, sitä on käsiteltävä märkänä ja muokkauksen jälkeen tarvitaan jälkikuivausta. Toisaalta kohoumien on oltava varsin laajoja ja korkeita, joten tällä menetelmällä on vaikeaa valmistaa ohutta ja painokelpoista kartonkia.

5

Erilaisia kartonkituotteita, joissa käytetään useista rainoista kerrostettuja rakenteita ja ainakin yhtä muokattua rainaa, tunnetaan muun muassa julkaisuista: US 6 186 394, US 6 139 938, US 6 186 394, FI20001799 ja FI 974025.

l o Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, jonka avulla voidaan valmistaa kartonkituote, joka käsittää tietynlaisen välikerroksen jolloin kartongille saavutetaan hyvä jäykkyys ja tuotteen materiaalin tarve jäykkyyteen verrattuna on aikaisempia kartonkilaatuja alhaisempi.

15 Keksintö perustuu siihen, että kartonki muodostetaan ainakin kahdesta, edullisesti kolmesta, toisiinsa liimattavasta kerroksesta ja välikerroksen materiaaliin muodostetaan kuivana ennen liimausta pysyviä muodonmuutoksia, jotka ulkonevat rainan pinnasta siten, että välikerroksen paksuus on korkeintaan 3 mm.

20 Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön avulla voidaan tuottaa korkealaatuista painokelpoista pakkauskartonkia, jolla jäykkyyden suhde raaka-aineen ja erityisesti kuituraaka-aineen kulutuksen on huomattavasti aikaisemmin tunnettuja kartonkilaatuja parempi. Kartongin ominaisuuksia 25 on helppo muunnella ja siitä voidaan valmistaa erittäin kevyitäkin kartonkilaatuja.

Tuotteen bulkki on suuri, kuten lujuus ja jäykkyyskin neliöpainoon verrattuna. Tuotteen jäykkyys on jopa parempi kuin aaltopahvin. Toisaalta verrattaessa yhtä jäykkään ja lujaan tuotteeseen, keksinnön mukaisen kartongin valmistamiseen tarvitaan vähemmän kuitumassaa. Tästä syystä kartongin valmistaminen on edullisempaa ja sen 30 ympäristörasite on pienempi kuin tavallisen tasa-aineisen kartongin. Tuote on 4 täydellisesti ja helposti kierrätettävissä jos kaikki tuotteen kerrokset valmistetaan kasvikuitumateriaalista. Jos tuotteessa tarvitaan neste- tai kaasusulkuja, ne voidaan toteuttaa helposti yleisesti käytössä olevien kalvojen avulla. Tällöin tuotteen kierrätettävyyden määrää käytettävät kaivotyypit, joten kierrätettävyyden kannalta on 5 edullista suosia materiaaleja, jotka ovat kierrätettävissä yhdessä kuitumassan kanssa.

Kartongin ominaisuuksia voidaan muunnella monella tavalla. Välikerroksen muodostettavien kuvioiden muodon ja mitoituksen avulla voidaan vaikuttaa lopputuotteen paksuuden lisäksi sen lujuusominaisuuksiin eri suunnissa ja pintakartongin 1 o ominaisuuksilla voidaan saada aikaan halutut painatusominaisuudet. Pintakerroksen kartonkina voidaan esimerkiksi käyttää päällystettyä ja kalanteroitua materiaalia, jolloin painatusominaisuudet ovat hyvät. Koska materiaalin paksuus kalibroidaan tasaiseksi ja sen pintaa vasten kohtisuora lujuus on tasainen, kartonkia voidaan painaa laadukkaasti nykyisillä kosketuspainomenetelmillä, kuten esimerkiksi offset-, flexo- tai digitaalipaino-15 menetelmällä.

Kuvioiden muotoa muuntelemalla voidaan vaikuttaa rainan ominaisuuksiin. Koska paperi- ja kartonkirainoista muodostuu valmistustekniikan takia usein hieman toispuoleisia, voidaan näitä ominaisuuksia tasata tai korostaa valitsemalla yksipuoleinen 2 o tai kaksipuoleinen kuvio. Kuviot ovat suljettuja ja siten sijoiteltuja, ettei niistä muodostu jatkuvia säännöllisiä hiloja tai suoria linjoja, joita pitkin tuote pääsee lommahtamaan kuormitettaessa. Kuvioiden muoto on edullista valita siten, että niiden kärjet ja reunat pysyvät mahdollisimman hyvin ehjinä, jolloin keskikerroksen lujuus säilyy hyvänä. Toisaalta eri kerrosten kiinnittämiseen käytettävä liima koijaa mahdollisia repeämiä 2 5 erityisesti kuvioiden kärjissä. Kuvioiden ehjänä pysymisen kannalta pyöreät ja kaarevat muodot ovat edullisempia kuin kulmikkaat. Edullisin on pyöreä muoto, koska se antaa hyvän lujuuden ja rasittaa vähän rainaa.

Keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin oheisten esimerkkien avulla.

30 5

Suomalaisessa patenttihakemuksessa 20001799 on kuvattu välirainasta ja pintarainoista koostuva kartonkituote ja menetelmä sen valmistamiseksi. Tässä menetelmässä välirainaan muodostetaan puristamalla kohoumia ja rainat liimataan sitten yhteen. Keksintö liittyy edellä mainitussa patentissa kuvattuun menetelmään ja tuotteeseen ja 5 seuraavassa on lyhyt kuvaus tästä menetelmästä. Tarkempien tietojen osalta viittaamme edellä mainittuun hakemukseen, joka sisällytetään tähän liitteenä.

Kolmikerroksisen tuotteen valmistamiseen tarvitaan kolme rainaa, jotka on tuotu valmistusprosessiin rullilla. Rainat voivat olla varsin ohuita jotta menetelmällä voitaisiin 1 o valmistaa ohutta painettavaa kartonkia. Siten osarainat ovat pikemminkin paperia kuin kartonkia. Rullilta rullataan auki rainaa tarvittava määrä ja ne johdetaan kahdesta telasta koostuvaan liitos- ja kalibrointinippiin. Rainat yhdistetään tässä nipissä. Keskimmäiseen rainaan muodostetaan teloilla puristamalla pintakuvio siten, että rainaa puristetaan kuivana siten, että siihen muodostuu pysyviä muodonmuutoksia. Kuivalla rainalla 15 tarkoitetaan tässä varasto- tai tuotantorullalta tulevan rainan normaalia kosteutta eli rainan toimituskosteutta, joka on tavallisesti alle 10%, ja yleensä välillä 3 - 12%. Kuvioinnissa ei välttämättä käytetä rainan lämmittämistä tai kuumentamista. Pintakuvio on edullisimmin kolmiulotteinen kuvio, esimerkiksi katkaistuista kartioista, puolipalloista tai mehiläiskennomuodosta koostuva kuvio, jolloin rainan lujuus kuitujen suunnassa ja 2 o poikittaissuunnassa on kuvioinnin osalta yhtä hyvä päinvastoin kuin esimerkiksi aaltopahvin kaksiulotteisessa poimukuviossa. Pintarainat viedään liimausteloille. Näistä teloista pintarainan ulkopuolinen tela on vastatela ja liima applikoidaan applikointitelan pinnalla pintarainojen sisäpinnoille. Liima voidaan levittää myös väliraiuan kuvioiden huippuihin, jolloin liimausjärjestely on erilainen ja voi koostua vaikka edellä kuvatun 2 5 kaltaisesta välirainan yhteyteen sovitetusta liimausnipistä. Liimalla käsitellyt rainat viedään nyt muotoillun keskimmäisen rainan kanssa liitosnippiin, jossa ne kiinnittyvät toisiinsa ja samalla kartongin paksuus kalibroidaan teloilla puristamalla. Tällä tavalla tuotteen muodostus ja rainojen liittäminen voidaan tehdä yhdessä vaiheessa kartongin paksuuden kalibroinnin kanssa. Liitosnippi toimii samalla rainojen vetonippinä. Liitoksen 30 jälkeen tuote voidaan tarvittaessa kuivata, mikäli käytettävä liima sitä vaatii. Liiman 6 kovettamiseen voidaan tietenkin käyttää muitakin reagoimistapoja käytettävän liimatyypin mukaan.

Keksinnön avulla on tarkoitus valmistaa kartonkia niukkaresurssisia kuluttajapakkauksia 5 varten eli keksinnön mukaisen kartonkituotteen avulla pyritään säästämään pakkaukseen kuluvan raaka-aineen määrää. Tämä kartonkituote on kerrosrakenteinen kotelokartonki, jonka kokonaisneliöpaino on tyypillisesti 100 - 500 g/m2. Tuotteen paksuus on tyypillisesti 0,5-1,5 mm, joten se on helposti painettavissa erilaisilla painomenetelmillä. Paksumpaa tuotetta, jollainen saadaan esimerkiksi 3 mm korkuisella välikerroksella, 1 o voidaan käyttää sellaisissa painomenetelmissä, missä painettavan arkin tai rainan paksuus ei aseta rajoituksia.

Keksinnön mukaisen tuotteen välikerroksen edullisuus perustuu siihen ajatukseen, että välikerroksessa on runsaasti pientä kuviointia ja kuvion korkeus on suhteellisen pieni.

15 Oleellisin tekijä kuvioinnissa on kuvion korkeus, jonka tulee olla sellainen että välikerroksen korkeudeksi tulee korkeintaan 3 mm. Kuvioinnin ei tarvitse kattaa suurta pinta-alaa keskikerroksen pinnasta, kunhan pintakerrosta tukevia pisteitä tai alueita on riittävästi. Muokatun pinnan osuus voi olla välillä 5 - 70% välikerroksen pinta-alasta. Tässä välikerroksen pinta-ala määritetään muokkaamattoman rainan pinta-alana ja 2 o muokatun alan pinta-ala kuvioiden projektiona rainan tasossa. Jos rainan molemmat pinnat muokataan, on selvää, että kummankin puolen yhteenlaskettu muokattu pinta-ala ei voi ylittää välikerroksen kokonaispinta-alaa. Kuvioiden lukumäärä pinta-alayksikköä kohti riippuu tietenkin niiden koosta ja muodosta. Keksinnön mukaan kuvioita tulee olla 0 < kuvioiden lkm < 50 kpl/cm2. Koska avoimen kuvion, kuten erilaisten käyrien, alue 2 5 voi ulottua useamman neliösentin alueelle, katsotaan tällaisessa tapauksessa jokainen näytealueelle osuva kuvion osa yhdeksi kuvioksi. Kuvioiden seinämien välimatkan ei tulisi olla liian suuri, koska tällöin seinämien välisen osan kantavuus heikkenee. Tämänhetkisen käsityksen mukaan kuvion vastakkaisten seinämien keskimääräinen etäisyys ei saisi missään kuvion kohdassa ylittää 3 mm. Keskimääräinen etäisyys 30 tarkoittaa eri korkeuksilla rainan tason suunnassa mitattujen etäisyyksien keskiarvoa.

7

Ympyränmuotoisella tai kartiomaisella kuviolla tämä tarkoittaa 3 mm halkaisijaa. Suorasta tai kaarevasta tai polvittelevasta urasta vastakkaisten osien etäisyys katsotaan uran reunoista. Edellä mainittu mitta katsotaan rainan kuvion aukeamispuolen pinnan tasosta. Kuvion seinämien nousukulma rainan peruspinnasta voi vaihdella varsin laajoissa 5 rajoissa mutta sen olisi pysyttävä alueella 20 - 90°. Tämä kulma määritetään asettamalla kuvitteellinen suora kulkemaan rainan sille pinnalle, josta sisäänpäin kuvio on muokattu, ja toinen suora kulkemaan kuvion sisäpintaa pitkin. Pallomaisille tai muuten kaareville muodoille käytetään keskimääräistä nousukulmaa. Jotta tuotteesta saataisiin riittävän ohut painokoneessa käsiteltäväksi ja samalla tuotteen materiaalikulutus alhaisiksi, 1 o välikerroksen materiaali ei saa olla liian paksua. Tämän keksinnön puitteissa on havaittu edulliseksi käyttää materiaalia, jonka paksuus on alle 200 pm. Näihin mittoihin vaikuttaa muokkauksen jälkeinen palautuma, joten mitat koskevatkin muokattua ja levännyttä tuotetta.

15 Vaikka välikerroksen muokkauksen puoleiseen pintaan ympyränmuotoisen jäljen jättävä pallomainen tai katkaistua kartiota muistuttava muoto onkin edullisin, koska se rasittaa kuituja vähiten ja vaara materiaalin repeämisestä on pienempi, voidaan keksinnön puitteissa ajatella käytettävän mitä tahansa mielivaltaista kuviota, kuten ympyrää, soikiota, monikulmiota tai mitä tahansa mielivaltaista kuviota. Kuitenkin mitä 2 o monimutkaisempi kuvion muoto on, sitä kalliimpaa on valmistaa kuvion muokkaava puristava työkalu. Rainaa on edullisinta muokata telalla, mutta keksinnön piiriin kuuluvat kaikki mekaaniset puristavat työtavat yksittäisillä tai useilla työkaluilla. Työkalun tai sen liikeradan on edullista olla sellainen, että ainakin koneensuuntaiset ja poikittaissuuntaiset suorat linjat kuvioiden välissä vältetään. Jos kuvioiden painaminen tehdään suoriin 2 5 riveihin sovitetuilla tuumilla, tuumarivit on sijoitettava konesuunnasta poikkeavaan linjaan ja noin -45 - +45° kulmaan poikittaissuuntaan nähden.

Edellä esitettyjen lisäksi tällä keksinnöllä on muitakin suoritusmuotoja.

30 Välikerrosta käsitellään kuivana. Muokkautuvuuden parantamiseksi rainaa voidaan 8 lämmittää telojen, säteilylämmittimien tai ilmapuhalluksen avulla tai lämmittää ja kostuttaa höyrypuhalluksella. Käytettävän höyryn määrä on edullisinta pitää sellaisena, että rainana joutunut kosteus haihtuu kuumasta rainasta ilman jälkikuivatusta. Jos tarvitaan suurempaa kostutusta tai mahdollisesti jopa kostutusta vedellä, jälkikuivatus on 5 usein tarpeen. Tämä lisää investointikustannuksia ja energian kulutusta. Välikerros valmistetaan ainakin suurimmaksi osaksi kasvikuiduista koostuvasta rainasta. Raina voidaan toki pinnoittaa, kalanteroida tai käsitellä lisäaineilla, mutta nämä käsittelyt antavat paremman lopputuloksen, jos ne tehdään pintakerroksille. Pintaliimaus tai liiman lisääminen välikerroksen massaan on kuitenkin tehokkaampi keino lujuuden lisäämiseksi.

10 Välikerroksen massassa voidaan käyttää kaikkia käytössä olevia täyte- ja lisäaineita j a rainan kuitumassa voi koostua yhdestä tai useammasta massatyypistä, jotka voivat olla peräisin eri kuitulähteistä tai valmistettu erityyppisillä prosesseilla. Tällä tavoin voidaan vaikuttaa rainan lujuuteen esimerkiksi sekoittamalla lyhyempiä ja pidempiä kuituja.

15 Ainakin välikerroksesta j a yhdestä pintakerroksesta koostuvia kerrosrakenteita voidaan liittää halutun paksuiseksi monikerrosrakenteeksi.

Claims (6)

1. Menetelmä ainakin kahdesta kerroksesta koostuvan kosketuksellisilla painomenetelmillä painokelpoisen rainamaisen kartonkituotteen valmistamiseksi, jossa 5 menetelmässä: - kerroksien muodostamat paperi- tai kartonkirainat liitetään yhteen liimaamalla, ja - ainakin yhtä rainoista käsitellään mekaanisesti puristamalla siten, että rainan pintaan muodostuu ainakin rainan toisesta pinnasta ulkonevia pysyviä suljettuja 10 muodonmuutoksia siten, että rainan paksuudeksi tulee korkeintaan 3 mm ja yksittäisen kuvion seinämän keskimääräinen nousukulma rainan pinnasta on 20 -90°, tunnettu siitä, että - mekaanisesti käsiteltävää rainaa käsitellään kuivana, jolloin sen vesipitoisuus on 15 edullisesti alle 12%, ja - kalibroidaan rainamaisen kartonkituotteen paksuus kerroksittain muodostettua tuotetta puristamalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodonmuutosten 2 o muodostamia kuvioita on 0 < kpl/cm2 < 50.

3. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että liimaa levitetään muokatun rainan muokkauskohtien kärkiin.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että yksittäisen muokatun kuvion vastakkaisten seinämien välinen keskimääräinen etäisyys on korkeintaan 3 mm.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mekaanisesti 30 muokatun rainan materiaalipaksuus on korkeintaan 200 μπι.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että liitetään ainakin mekaanisesti muokatusta kerroksesta ja yhdestä pintakerroksesta koostuvia kerrosrakenteita halutun paksuiseksi monikerrosrakenteeksi. 5