KR20180014829A - 판지 패키징에서 비목재 섬유 조성물 및 사용 - Google Patents

판지 패키징에서 비목재 섬유 조성물 및 사용 Download PDF

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KR20180014829A
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마크 엠. 므레지바
리종 주앙
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킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
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Abstract

판지 패키징 재료는 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 비-목재 섬유는 상면층의 5% 내지 100%인, 상면층; 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 비-목재 섬유는 배면층의 5% 내지 100%인, 배면층; 및 상면층과 배면층 사이에 배치된 중간층을 포함한다. 중간층은 5% 내지 100%의 비-목재 필러 섬유를 포함할 수 있다. 비-목재 필러 섬유는 밀짚일 수 있다. 비-목재 섬유는 대나무일 수 있다.

Description

판지 패키징에서 비목재 섬유 조성물 및 사용
본 발명은 판지 패키징용 골심지(corrugated medium)에 비-목재 대체 천연 섬유(non-wood alternative natural fibers)를 사용하는 것에 관한 것이다.
판지 패키징 응용분야를 위한 충분한 기계적 강도를 제공하는 하이브리드 섬유 조성물에 의해 종래의 견목재 섬유의 대체가 달성된다.
통상적으로, 소나무 등의 빠르게 성장하는 나무로부터 유래되는 펄프가, 판지 패키징을 위한 원재료로서 사용되어 왔다. 최근에, 재활용되는 폐골판지(old corrugated container; OC) 재료를 사용하는 것은, 환경 지속성에 관한 관심 때문에 인기가 증가하고 있다. 그러나, OC는 종종 재펄프화(repulping)와 탈잉크화(de-inking) 처리를 필요로 한다. 이처럼, 재활용 섬유는, 재활용 횟수가 증가함에 따라, 짧아지고, 약해지고, 오염된다. 많은 생산자에 의한 재활용 섬유의 이용과 수요가 증가하는 것과 함께, 재활용되는 섬유의 비용도 증가하였다. 단일 스트림 재활용을 향한 움직임으로 인해, 기존의 회수된 섬유 스트림에서 섬유들의 오염(스테이플, 플라스틱 테이프, 고온 용융된 접착제) 및 혼합이 증가한다. 강도(압축, 에지 크러시(edge crush), 파열(burst), 인장(tensile) 강도), 강성도, 경직도, 내습성, 내유지성, 및 내동결성/내해동성 등의 중요 성능 요건들을 재활용 종이 또는 페이퍼보드(paperboard)로 달성하기엔 더욱 어려울 수 있다.
고체 미표백 황산염(SUS) 또는 고체 표백 황산염(SBS)은 적어도 80%의 버진(virgin) 장목 및 단목 표백 펄프를 함유하는 지료(furnish)로부터 생산되는 고급 판지 등급이다. 대부분의 표백 판지는 카올린 점토의 얇은 층으로 코팅되어 인쇄를 위한 표면 평활성을 향상시킨다. SBS는 미국에서 가장 인기가 있다. 불행하게도, 장섬유로서 NBSK (북부 표백 연목 크래프트)를 공급하는 것은 경제적으로 그리고 환경적으로 상당한 압력을 받고 있다. 이와 같이, NBSK 섬유의 비용이 크게 증가되어서 판지 강도를 최적화할 대안을 찾을 필요성이 생긴다.
이러한 접근 방식들은 나무 기반 섬유에 의존한다. 보다 짧은 수명으로 성장하는 섬유 원료를 사용하고 농업 또는 산업 공정에서의 잔류물을 사용하는 능력은 기업의 지속 가능성 목표를 달성하고 산림에 미치는 환경적 영향뿐만 아니라 (eCO2 단위로 측정된) 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
비-목재 천연 섬유들을 위한 펄프화 공정들은 원재료에 의존하며 상세한 단계들은, Sridach, W. (2010), The Environmentally Benign Pulping Procss of Non-wood Fibers, Suranaree J. Sci. Technol., 17(2), 105-123 및 Hurter와 Byrd의 미국 특허 6,302,997 B1에서 찾아볼 수 있다. 목재 섬유 대신에 농작물 섬유 또는 농업 잔류물을 사용하는 것 등의 대체 비-목재 천연 섬유가 더욱 지속 가능한 것으로 여겨진다. 이러한 원재료 천연 재료의 예로는, 양마, 아마, 대나무, 목화, 황마, 대마, 사이잘, 사탕수수, 옥수수 대, 볏짚, 밀짚, 헤스퍼알로에, 스위치그래스, 갈대, 물대, 및 해수 또는 담수 조류/해초, 또는 부레옥잠 등의 수초가 있다. 비-목재 섬유 공급원들은, 계절별 이용 가능성, 화학적 회수에 관한 문제점, 펄프 선명도, 실리카 함량 등을 포함한 여러 이유로 인해 전세계 펄프 생산의 약 5 내지 10%를 차지한다. 그러나, 그것은 어떤 제품 제조사가 최종 제품에 친환경 성분을 첨가하기 위해서 찾아낼 수 있는 옵션을 제공한다.
해초, 조류(algae), 옥수수 대, 밀짚, 볏짚, 대나무, 양마 등으로부터 유래되는 것들과 같은 비-목재 대체 천연 섬유를 포함하는 하이브리드 섬유 조성물은 비나무형 제품을 생성함으로써 이러한 전술한 문제들을 해결하기 위한 옵션일 수 있다.
종래의 접근방식(Darling의 미국 특허 제1,829,852호 참조)에서는, (섬유 그 자체가 아닌) 절단된 밀짚을 사용해서 판지를 제조하였다. 다른 접근방식(Huang과 Peng의 미국 특허출원 공개번호 제2006/0070295호)에서는, 재식 농업 및 경작시 잡초를 제어하도록 비-목재형 섬유(옥수수 또는 밀) 멀칭 매트를 기술하였다. 마지막으로, 농업 잔여물 섬유에 더하여 키토산을 사용하여 골심지의 평이한 분쇄 저항을 개선하였다(Dzurik의 미국 특허 제4,102,738호 참조).
따라서, 목재 대체 펄프 재료를 제공해서 판지 패키징에서 사용되는 종래의 섬유 재료를 대체할 필요성이 있다. 또한, 패키징 중량을 감소시킬 수 있는 더욱 강력하고 더욱 경량의 재료가 더욱 필요하다. 대체 섬유를 사용하여 건축물과 가구에 적용되는 복합 보드를 생산하려는 일부 이전의 노력이 있었지만, 판지 패키징 응용분야에서 사용될 비-목재 천연 섬유를 생산하려는 지속 가능한 시도는 부족하다. 그 결과, 본 발명은, 환경적으로 지속 가능한 판지 패키징에 사용될 수 있는 목재 대체 재료를 제공함으로써, 이러한 간극을 채운다.
본 발명은 판지 패키징 재료에 관한 것으로 이것은 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하는 상면층으로서, 상기 비-목재 섬유는 상면층의 5% 내지 100%인, 상기 상면층; 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함한 배면층으로서, 상기 비-목재 섬유는 배면층의 5% 내지 100%인, 상기 배면층; 및 상면층과 배면층 사이에 배치된 중간층을 포함한다. 중간층은 5% 내지 100%의 비-목재 필러 섬유를 포함할 수 있다. 비-목재 필러 섬유는 옥수수 대, 짚, 기타 육상 기반 천연 섬유, 및 이들의 조합에서 선택될 수 있다. 상기 짚은, 밀, 벼, 귀리, 보리, 호밀, 아마, 풀, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 기타 육상 기반 천연 섬유는, 아마, 대나무, 목화, 황마, 아마, 사이잘, 사탕수수, 양마, 헤스퍼알로에, 스위치그라스, 억새, 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 비-목재 필러 섬유는 밀짚일 수 있다. 비-목재 섬유는 대나무일 수 있다.
본 발명은 또한 판지 패키징 재료에 관한 것으로 이것은 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하는 상면층으로서, 상기 비-목재 섬유는 상면층의 50% 내지 85%이고, 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 상기 상면층; 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함한 배면층으로서, 상기 비-목재 섬유는 배면층의 50% 내지 85%이고, 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 상기 배면층; 및 상면층과 배면층 사이에 배치된 중간층을 포함한다.
본 발명은 또한 판지 패키징 재료에 관한 것으로 이것은 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하는 상면층으로서, 상기 비-목재 섬유는 상면층의 50% 내지 85%이고, 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 상기 상면층; 목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함한 배면층으로서, 상기 비-목재 섬유는 배면층의 50% 내지 85%이고, 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 상기 배면층; 및 상면층과 배면층 사이에 배치된 중간층으로서, 상기 중간층은 5% 내지 100%의 비-목재 필러 섬유를 포함하는, 상기 중간층을 포함한다.
본 발명의 전술한 및 다른 특징들 및 측면들과 그것들을 얻는 방식은 보다 명백해질 것이고, 그 발명 자체는 다음의 설명, 첨부된 청구범위 및 수반되는 도면을 참조로 하여 더 잘 이해될 것이며, 여기에서:
도 1은 전형적인 판지 구조의 개략도를 도시하고;
도 2는 광 이온 빔 기술(150X)에 의한 현미경 사진 판지 단면도를 도시하고; 그리고
도 3은 본 출원의 판지의 SEM C-스테인의 현미경 사진 판지 단면도를 도시한다.
본 명세서 및 도면에서 참조 문자의 반복적인 사용은 본 개시의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위해 의도된다. 도면은 대표적인 것이고 반드시 일정 축척으로 도시되어야 하는 것은 아니다. 도면의 특정 비율은 과장될 수 있는 반면, 다른 부분은 최소화될 수 있다.
본 명세서는 본 발명을 구체적으로 나타내며 명백하게 청구하는 청구범위로 종결되지만, 다음에 따르는 상세한 설명으로부터 본 발명을 더욱 잘 이해할 것이다.
본원에서 사용된 바와 같이, "포함하는"이란 최종 결과에 영향을 미치지 않는 기타 단계 및 기타 성분들이 부가될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 용어는 "~로 이루어진" 및 "~로 본질적으로 이루어진"이란 용어를 포함한다. 본 발명의 조성물들 및 방법/공정들은 본원에 개시된 부가적이고 선택적인 성분들, 구성성분들, 단계들 또는 제한들뿐만 아니라, 본원에 개시된 본 발명의 필수 요소 및 제한들을 포함할 수 있고, 이들로 이루어져 있을 수 있으며, 이들로 본질적으로 이루어져 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "비-목재"(non-wood), "비-나무"(tree-free) 및 "목재 대체"(wood alternative)라는 용어는, 일반적으로, 밀짚 등의 농작물, 부들 등의 습지 비-나무 식물, 부레옥잠 등의 수생 식물, 스피룰리나 등의 미세 조류, 홍조류 또는 갈조류 등의 거대 해조류로부터의 가공 잔여물을 가리킨다. 본 발명의 비-목재 천연 재료의 예로는, 밀짚, 볏짚, 아마, 양마, 대나무, 목화, 황마, 대마, 사이잘, 사탕수수, 헤스퍼알로에, 스위치그래스, 억새, 해양 또는 담수 조류/해조류, 및 이들의 조합이 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "OC"라는 용어는, 플루트화 내층과 함께 접착된 종이의 층들을 갖는 폐골판지를 가리킨다. 이것은, 골이 진 판지 박스(업계에서 가장 많이 재활용되는 제품)를 제조하는 데 사용되는 물질이다. OC 펄프의 4개의 주요 구성요소는, (주로 골판 원지로부터의) 미표백 연목재 크래프트 펄프, (플루트화 심지로부터의) 반화학적 견목재 펄프, (접착제로서의) 전분, 및 물(흔히 8% 이상)이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "펄프" 또는 "펄프 섬유"라는 용어는 당업계에 알려져 있는 종래의 펄프화 처리를 통해 얻어지는 섬유 물질을 가리킨다. 이는 목재성 물질 및 비-목질계 물질을 위한 것일 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "핀"(fines)라는 용어는 200 메시 스크린(75㎛)을 통과하는 부분을 가리킨다. 핀들의 중간 크기는 수 마이크로미터이다. 핀들은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 및 추출물로 이루어진다. 핀에는 두 가지 유형이 있는데, 일차 핀과 이차 핀이다. 일차 핀 함량은 식물의 유전적 특징으로 보인다. 견목재 펄프에 대해서는, 그 함량이 약 20% 내지 약 40%인 반면, 밀짚에 대해서는, 그 함량이 약 38% 내지 약 50%이다. 이차 핀은 정제 동안 파괴되는 섬유들의 외층들로부터의 소섬유들의 조각들이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "평량"이라는 용어는, 일반적으로, 판지의 단위 면적당 중량을 가리킨다. 평량은 TAPPI 시험 방법 T-220을 이용하여 본원에서 측정된다. 흔히 30cm x 30cm 또는 다른 편리한 치수로 된 펄프 시트는 칭량된 후 건조되어 고체 함량을 결정하게 된다. 이어서, 시트의 면적을 결정하고, 건조된 중량 대 시트 면적의 비율을 제곱미터당 그램(gsm)인 평량으로서 보고한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "인장 지수"(Tensile index)라는 용어는, Nm/g으로 표현되며, 평량으로 나눈 뉴턴-미터(N/m)로 표현되는 인장 강도의 몫을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "파열 지수"(Burst index)라는 용어는, 일반적으로 제곱미터당 그램(gsm)으로 표현되는, 평량으로 나누어지는 일반적으로 킬로파스칼(kPa)로 표현되는 파열 강도의 몫을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "링 크러시"라는 용어는, 일반적으로, 미터당 킬로뉴턴(kN/m)으로 표현되는, 에지를 따른 압축에 대한 페이퍼보드와 종이의 저항을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "압축"이라는 용어는 외부 압축력에 저항하는 배송 용기(shipping containers)의 능력을 가리키며, 이는 수송과 입고 동안 발생하는 힘을 받는 컨테이너의 적층 강도에 관련된다. 이는 일반적으로 뉴턴(N)으로 표현된다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "에지 크러시"라는 용어는, 일반적으로 미터당 킬로뉴턴(kN/m)으로 표현되는, 에지를 따른 압축 강도를 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "웹 형성 장치"라는 용어는, 일반적으로, 통상의 기술자에게 알려져 있는, 장망 초지기(fourdrinier former), 트윈 와이어 초지기, 실린더 기계, 프레스 초지기, 크레센트 초지기 등을 포함한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "캐나다 표준 여수도"(CSF)는, 일반적으로, 섬유들의 슬러리가 배출되는 속도를 가리키며, TAPPI 표준 시험 방법 T 227 OM-09에서 설명하는 바와 같이 측정된다. CSF에 대한 단위는 mL이다.
도 1은 본 발명의 판지의 구조를 개략적으로 도시하고, 여기에서 중간층(10)은 BCTMP를 사용하고 상면층 및 배면층(20, 30)은 NBKP 및 LBKP를 사용한다. 이 실시예에서, 탄산 칼슘은 판지 코팅(40)에 사용된다. 상면층(20)에 도포된 코팅 물질은 배면층(30)에 도포 된 코팅 물질의 3배이다.
본 발명은 대나무를 사용하여 상면층 및 배면층(20, 30)에서 버진 장목 섬유의 일부를 대체하는 것을 기술한다. 선택적으로, 중간층(10)은 또한 밀짚과 같은 다른 대안적인 비-목재 섬유로 대체될 수 있다.
대나무는 다층의 고급 판지 구조의 상면층 및 배면층(20, 30)에서 버진 장목 섬유의 일부를 대체하는데 사용될 수 있다. 아래에 설명된 예는 한 층에 50 내지 85 % 범위의 대나무를 갖는다. 선택적으로, 중간층(10)은 또한 밀짚과 같은 다른 대안적인 비-목재 섬유로 대체될 수 있다. 아래에 설명된 예는 100 % 밀짚을 포함한다. 기계적 특성은 모든 버진 목재 펄프 섬유로 구성된 대조예와 비슷하거나 더 양호하다. 판지는 현재의 목재 기반 판지와 동등하거나 가능하다면 더 저렴한 비용으로 지속 가능성 목표를 지원하는 제품 패키징에 사용할 수 있다.
위에서 언급한 대로, 오늘날 SUS / SBS 판지는 버진 목재 기반 섬유를 사용하여 만들어진다. 그러나, 긴 연목재 섬유를 연속적으로 사용하는 것은 경제적 및 환경적으로 어려움이 있다. 따라서, 목재 기반 장섬유의 대체는 충족되지 않은 비즈니스 요구를 만족시킨다. 대나무 종으로부터 선택된 긴 비-목재 천연 섬유는 판지의 상면층 및 배면층(20, 30)에서 통상적으로 사용되지 않는다. 본 발명은 판지에 대나무를 사용하는 것을 기술하는데, 이는 이전에 알려지지 않았고 실시되지 않았다. 그 후, 대나무를 함유한 판지 시트는 인쇄 및 변환을 위해 코팅될 수 있다.
종래의 SUS / SBS 판지 구조는 적층되어 있다. 상면층 및 배면층(20, 30)은 연목재 장섬유와 견목재 단섬유의 혼합물을 사용한다. 중간층(10)은 표백되거나 표백되지 않은 열화학 기계적 펄프(CTMP)를 사용한다. 전형적으로 코팅은 라텍스, 카올린 점토 또는 탄산 칼슘과 같은 외부 표면에 적용된다. 대나무와 같은 비-목재 대체 천연 섬유를 사용하는 것은 판지에서 NBKP (상면층 및 배면층(20, 30))를 대체하여 새로운 패키징 재료를 만드는 옵션이다. 본 발명은 대나무 또는 대나무 잎 표백 크래프트 펄프(LBKP)와 NBKP 섬유의 조합을 사용하여 상면 겹과 뒷면 겹이 형성되는 다층 종이 및 판지 제품에 관한 것이다. 이러한 용도의 효과는 예기치 않은 결과이고 - 대나무를 사용하여 버진 목재 섬유를 대체하면 모든 버진 목재 펄프 섬유로 구성된 대조예에 비해 우수한 기계적 특성을 제공한다. 본 발명에 나타낸 데이터는 제품 패키징을 위한 대체 섬유를 사용할 수 있는 능력을 입증한다.
다음 두 문서는 티슈 제품에서 대나무의 사용을 기재한다:
Figure pct00001
다음 두 문서는 용기용 보드(골판지)에 비-목재 대체 섬유의 사용을 기재한다:
Figure pct00002
전세계적으로 펄프와 제지 산업계에 영향을 끼치는 큰 문제점은, 임지의 경쟁적 사용에 관한 우려, 산림 작업의 환경에 미치는 영향, 및 지속가능한 산림 관리로 인해 발생하는 적절한 목재 섬유의 비용 증가이다. 최근에는, 주요 티슈 제조사들이 원자재 펄프에 관한 지속가능성 문제 때문에 제품 제조를 위한 비-목재 천연 섬유들에 대한 대체 활용을 시험하도록 동기 부여되어 왔다. 또한, 원자재 목재 펄프에 대한 의존도를 줄임으로써, 그린 제품을 사용하길 선호하는 소비자 및 NGO로부터의 압박을 줄일 수 있다. 그러나, 다양한 제품들에 있어서 재활용 섬유들을 사용하는 것은 사용자들이 받아들일 수 있는 최종 산물 품질에 의해 기술적으로 제한된다.
재활용 섬유들은, 종이 및 보드 제조에 있어서 원재료 섬유 재료로서 재사용을 위해 수집된 임의의 종이와 보드로부터 유래할 수 있다. 역으로, 원자재 목재 펄프들은, 가문비나무, 소나무, 전나무, 낙엽송, 및 솔송나무 등의 연목재로부터 유래하는 연목재 펄프, 및 유칼립투스, 사시나무, 및 자작나무 등의 견목재로부터 도출되는 견목재 펄프로 분류된다.
비-목재 천연 섬유들을 위한 펄프화 공정들은 원재료에 의존하며; 상세한 단계들은, Sridach, W. (2010), The Environmentally Benign Pulping Procss of Non-wood Fibers, Suranaree J. Sci. Technol., 17(2), 105-123에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 홍조류 펄프는, 훨씬 적은 에너지와 자본 비용으로 간단한 표백 단계들에 의해 가공될 수 있으며, 이는 부분적으로는 리그닌이 존재하지 않기 때문이다(Seo, Y.B. 외 (2010), 홍조류 및 제지에서 그것의 사용, Bioresource Technology, 101, 2549-2553).
목재 섬유 대신에 농작물 섬유 및 농업 잔류물을 사용하는 것과 같이 비-목재 대체 천연 섬유의 사용은, 부분적으로는 이러한 재료들을 다른 공정들의 부산물로서나 폐기물로서 분류하는 것 때문에 더욱 지속가능한 것으로 여겨진다. 공급자들은, 소비자들이 이러한 재료들을 처분하는 것을 돕도록 소비자들에게 지불할 수 있다. 이러한 원재료 천연 재료의 예로는, 양마, 아마, 대나무, 목화, 황마, 대마, 사이잘, 사탕수수, 옥수수 대, 볏짚, 밀짚, 헤스퍼알로에, 스위치그래스, 갈대, 물대, 해수 또는 담수 조류/해초, 또는 부레옥잠 등의 수초가 있다. 비-목재 섬유 자원들은, 계절별 이용 가능성, 화학적 회수에 관한 문제점, 펄프 선명도, 실리카 함량 등을 포함한 여러 이유로 인해 전세계 펄프 생산의 단지 약 5 내지 10%를 차지할 뿐이다.
본 발명은, 판지 패키징에 있어서 적어도 하나의 비-목재 또는 비-나무형 대체 펄프 재료를 사용해서, 종래의 섬유 재료의 상당 부분을 교체하는 것을 개시한다. 본 발명의 조성물은, 육상 기반 천연 섬유, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나의 비-목재 대체 펄프 재료를 포함한다. 육상 기반 천연 섬유는, 아마, 대나무, 목화, 황마, 대마, 사이잘, 사탕수수, 양마, 헤스퍼알로에, 스위치그라스, 억새, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러한 비-목재 재료로부터의 개별적인 섬유성 재료는, 당업계에 알려져 있는, 열적 기계적 펄프화, 크래프트 펄프화, 화학적 펄프화, 엔자임 보조 생물학적 펄프화, 또는 오가노솔브 펄프화 등의 종래의 펄프화 공정으로부터 유도될 수 있다.
본 발명의 펄프 재료 조성물은 비-목재 대체 천연 펄프 섬유들의 다양한 양을 포함할 수 있다. 조성물은, 요소들의 조합을 가질 수 있고, 여기서, 적어도 하나의 비-목재 대체 천연 펄프 섬유만이 존재하며 또는 목재 펄프 섬유와 결합될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 비-목재 대체 천연 펄프 섬유들의 양은, 조성물의 중량 기준 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 25%, 약 30% 내지 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 75%, 약 100%의 양으로 존재할 수 있다. 또한, 본 발명의 펄프 재료 조성물은, 조성물의 중량 기준 약 5%, 약 10%, 약 20%, 또는 약 30% 내지 약 40%, 약 50%, 약 60% 또는 약 70%의 양으로 견목재 짧은 섬유 펄프를 포함할 수 있다. 서로 조합하거나 또는 목재 펄프 섬유와 조합하는 비-목재 대체 펄프 재료들만 존재하는 경우, 조성물은 그러면 종래의 섬유 물질들 중 일부를 대체하는 판지 패키징에 사용될 수 있다.
본 발명의 조성물은, 화학적 견목재 펄프 대 비-목재 대체 천연 펄프 비가 약 70:30, 약 60:40, 약 50:50, 약 30:70, 약 5:95, 또는 약 0:100인 조합을 나타낼 수 있지만, 이러한 예로 한정되지는 않는다. 비-목재 대체 천연 펄프 중 임의의 것 내에는, 비-목재 대체 천연 펄프의 한 종류 또는 두 개 이상의 종류를 조합하여 사용할 수 있다.
실시예
하기 실시예들은 본 발명의 범주 내에 있는 측면들을 추가로 설명하고 입증한다. 실시예들은 예시를 위해서만 제공된 것이며, 이러한 실시예들의 많은 변형예들도 가능하기에, 본 발명을 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다. 그 결과는, 판지가 양마, 밀짚, 억새, 옥수수 대, 대나무 등의 비-목재 대체 섬유들에 기초하여 완전하게 제조될 수 있음을 나타낸다. 본 발명은 비-나무형 판지에 관한 것으로, 이는 OC, 견목재 펄프, 또는 이들 모두의 조합에 의존하고 있는 현재의 관행에 상당히 대조되는 것이다.
개요
두 세트의 비교 핸드시트 예를 만들었다. 대조 샘플로서 실시예 1 및 본 발명의 샘플로서 실시예 2는 동적 시트 형성기(스웨덴의 Fibertech로부터 입수가능)에서 제조되었다. 실시예 2는 상면층 및 배면층(20, 30) 모두에서 대나무를 50 % 포함하고 중간층(10)을 밀짚으로 대체한다.
· 실시예 1(대조예)의 층 구조/함량은 1:1:1(소나무)/(소비자 사용 전 섬유)/(소나무)이고, 여기서 알라바마 소나무는 GP 셀룰로오스에서 비롯된 것이고 재활용된 소비자 사용 전 섬유는 Fox River Fiber (밝기> 82.9 % 이고 여수도> 482 mL)에서 비롯된 것이다.
· 실시예 2의 층 구조/함량은 1: 1: 1(50/50 소나무/대나무)(밀짚)(50/50 소나무/대나무)이다.
관찰된 이점: 모든 기계적 특성은 실시예 1의 대조예와 비슷하거나 더 양호하다. 실시예 2는 ZD 인장 및 강성도를 포함해 향상된 기계적 강도를 보여주었다. 대체 비-목재 섬유의 존재가 복합 판지의 기계적 성질에 일반적으로 악영향을 미치기 때문에 이것은 놀랍다.
대조 샘플로서 실시예 3 및 본 발명의 샘플로서 실시예 4는 상업용 제지 기계(중국 산둥성의, 옌저우 IP-Sun)에서 제조되었다. 실시예 4는 대나무를 상면층(20)에 75%, 배면층에 85%를 포함한다.
· 실시예 3(대조예)은 상업적으로 입수 가능한 StarBlanc C1S Ivory Board이다. 그것의 층 구조는 대략 1: 4: 1(두 종류의 크래프트 펄프 NBKP/LBKP의 배합물)(두 종류의 기계적 펄프 APMP/BCTMP의 배합물 및 브로크)(두 종류의 크래프트 펄프 NBKP/LBKP의 배합물)이다. 그것은 양측이 코팅된다. 세부사항은 하기에서 참조된다.
· 실시예 4의 층 구조는 대략 1:4:1 (25/75 NBKP/대나무)/(실시예 3과 동일한 중간층)/(15/85 NBKP/대나무)이다. 그것도 또한 유사하게 양측이 코팅된다.
관찰된 이점: 모든 기계적 특성은 실시예 3의 대조예와 비슷하거나 더 양호하다. 실시예 4의 접힘 강도는 실시예 3의 대조예의 것보다 훨씬 더 양호하다. 실시예 4의 평활도는 대조예 샘플 값의 1/2 미만이지만, 여전히 요구되는 레벨보다 훨씬 더 높다.
재료
대나무 펄프는 중국 샤먼 소재의 Xiamen C&D Paper&Pulp Co., Ltd.에서 구입하였다. 북부 표백 크래프트 펄프(NBKP)는 마송(Masson) 소나무, 낙엽송, 피너스(pinus) 및 가문비나무로부터 펄프화된 것과 같은 연목재 섬유로 만든다. 잎 표백된 크래프트 펄프(LBKP)는 자작 나무, 포플러, 참피나무, 단풍나무 및 유칼립투스로부터 펄프화된 것과 같은 견목재 섬유로 만들어진다. 이 재료들을 핀란드 헬싱키 소재 UPM 우루과이에서 구입하였다. BCTMP SW 펄프를 뉴질랜드 네이피어 소재 Panpac Forest Products, Ltd.에서 구입하였다. 알칼리성 과산화물 기계 펄프(APMP)를 중국의 옌저우 소재 Yanzhou Heli Paper Industry Co., Ltd.에서 구입하였다. 브로크는 제조 공정으로부터 재활용된다. 라텍스, 점토 및 중질 탄산 칼슘은 판지 제조용 코팅재로 사용되었다.
재활용된 소비자 사용 전 섬유(위스콘신주 드 피어 소재의 Fox River Fiber), 밀짚(중국 지난 소재의 Shandong Pulp and Paper Co. Ltd) 및 알라바마 소나무(조지아주, 애틀랜타 소재의 GP Cellulose)는 동적 핸드시트 형성기를 사용해 3층의 핸드시트를 만드는데 사용되었다.
장비
본 발명의 샘플은 중국 산둥성, 옌저우 소재 IP-Sun에서 제지 기계(PM 18)를 사용하여 제조되었다. 트리밍된 판지 폭은 3350mm이다. PM 18은 4개의 와이어(상면 겹, 하부 겹, 필러 겹 및 배면 겹)를 갖추고 있다.
혼합 체스트에서 횡방향 노즐을 통하여 회전 드럼(1450 rpm)으로 100 메시 금속 스크린의 상단에 있는 흡수지로 스톡을 펌핑하고 (펄프 농도 0.5% 이하), 스톡을 배수하여 시트를 형성하고, 시트를 가압하고 (20 PSI) 시트를 150 ℃로 건조시킴으로써 층을 이룬 종이 시트는 동적 시트 형성기(스웨덴의 Fibertech)를 사용해 형성되었다. 각각의 층에 대한 섬유 및 첨가제(사용되는 경우)의 양은 펌핑하기 전 혼합 체스트에서 제어될 수 있다.
실시예 1
이 대조예의 판지 샘플은 1/3의 상면층(20)(소나무)과 1/3의 중간층(소비자 사용 전 섬유)의 필러와 1/3 배면층(30)(소나무)을 각각 함유한다. 그것은 동적 시트 형성기를 사용해 형성되었다. 각각의 층에 대한 섬유 중량은 1000 평방피트당 60파운드 (약 300 g/m2)의 목표 판지 평량에 따라 결정되었고 희석된 현탁액(0.5% 이하)은 혼합 체스트에서 제조되어 횡방향 노즐을 통하여 회전 드럼에서 흡수지로 펌핑되었다. 형성된 젖은 판지를 가압하고 약 10분 동안 150 ℃에서 건조하였다. 시험 결과는 표 1에 나타나 있는데, 이것은 실시예 2의 샘플에 대해 결과를 비교하는데 사용될 수 있다.
실시예 2
표 1에 나타난 것처럼, 실시예 2의 샘플은 상면층 및 배면층(20, 30)을 위한 소나무 및 대나무 섬유의 상이한 조합을 사용하여 제조되었다. 그러나, 중간층(10)은 밀짚으로 완전히 대체되었다. 실시예 2에 대한 핸드시트 평량 및 크기는 실시예 1과 동일하지만, 캘리퍼는 16개 지점의 목표값보다 더 크다.
핸드시트는 온도(23±1 ℃)와 습도 (50±2%)로 적어도 하룻밤 동안 조절되었고 캘리퍼(TAPPI T411), 평량(TAPPI T410), 인장(TAPPI T220), ZDT 인장(TAPPI T541), 링 크러시(T818), 뮬렌(Mullen) 파열(TAPPI T807) 및 STFI (T826)에 대해 시험되었다. 적어도 3개의 복제물(n=3)을 테스트하여 각 파라미터마다 보고되는 평균 값들을 생성하였다. 모든 기계적 특성은 실시예 1에 대해 나타낸 샘플의 특성과 비슷하거나 더 양호하다. 중간층(10)의 100 % 밀짚이 ZD 인장 및 강성도와 같은 향상된 기계적 강도를 나타내는 것은 특히 놀랍다. 강성도는 카톤을 세우고, 채우고, 닫는 기계를 통하여 원활하게 이동할 수 있는 카톤의 능력에 영향을 미치므로 판지의 가장 중요한 파라미터이다. 일반적으로, 비-목재 대체 섬유의 존재는 복합 판지의 기계적 성질에 악영향을 미칠 것이다.
3층 핸드시트 기계적 특성
식별 소나무/재활용된 소비자 사용 전 섬유/소나무 [소나무 대나무 50/50]/밀짚/[소나무-대나무 50/50]
샘플 길이, in 12 12
샘플 폭, in 7 7
캘리퍼, mils 21.37 24.61
BW, lbs/1000 sq. ft. 57.53 59.98
밀도 g/cc 0.517 0.468
STFI, lbs/인치- MD 40.54 31.09
STFI, lbs/인치- CD 18.94 19.88
뮬렌 파열, psi 197 138
링 크러시, psi 1240 948
링 크러시, psi 767 623
강성도, 테이버 유닛-MD 325 343
강성도, 테이버 유닛-CD 83 138
인열, 그램(힘)-MD 340 262
인열, 그램(힘)-CD 740 569
인장강도 lbs/in - MD 114.46 96.72
인장강도 lbs/in - CD 49.37 47.84
ZDT, lbs 힘 29 45
실시예 3
이 실시예는 대조예 샘플로서 상업적 판지 샘플, StarBlanc C1S 아이보리 보드를 사용한다. 그것은 도 1에 나타낸 것과 동일한 다층 조성을 갖는다. 그러나, 대조예 샘플에 사용된 모든 섬유는 버진 목재 펄프이고, 여기서 중간층(10)은 35% APMP, 30% BCTMP 및 35% 브로크로 만들어진다. 상면층 및 배면층(20, 30)은 15 내지 25%의 NBKP와 75 내지 85%의 LBKP이다. 판지의 전면에는 3층의 코팅이 있고 뒷면에는 1층의 코팅이 있다. 평량은 300g/m2가 되도록 목표로 한다. 중량 분포는 중간층(10)에 대해 약 58 내지 65%, 상면층(20)에 대해 14 내지 15%, 및 배면층에 대해 11 내지 12%이다. 나머지는 코팅층들이다. 대조예의 판지 시험 파라미터는 표 2에 열거되어 있다.
실시예 4
이 실시예에서 대나무 펄프를 사용하여 상면층 및 배면층(20, 30)에서 버진 목재 펄프의 일부를 대체한다. 상면층(20)은 25% NBKP와 75% 대나무를 사용하였다. 배면층(30)은 15% NBKP와 85% 대나무를 사용하였다. PM(18)에서 만들어진 판지는 제어된 온도(23±1 ℃) 및 상대 습도 (50±2%)에서 시험되었다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 대조예의 샘플과 비교하여, 접힘 강도는 대조예의 샘플보다 훨씬 더 양호하지만, 평활도는 대조예의 약 1/2이다. 요구되는 평활도는 적어도 100이거나 150 이상의 범위에 있다.
이러한 섬유 비율은 변경될 수 있지만 여전히 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 상면층(20)은 50%의 대나무와 50%의 LBKP를 사용할 수 있다. 대안적으로, 중간층(10)을 동일하게 유지하면서, 배면층(30)은 30%의 대나무와 70%의 LBKP를 사용할 수 있다.
대조예 및 샘플 판지 시험 결과
검사 항목 단위 검사 방법 실시예 1 실시예 2
그래미지 g/m2 GB/T 451.2-2002 303 307
배너 그래미지 차이 g/m2 6 4
두께 μm GB/T 451.3-2002 415 415
배너 두께 차이 % 1.2 2.9
강성도 교차 방향 mN.m GB/T22364-2008 6.2 6.3
★종횡비 2.6 2.6
접힘 강도 길이방향 횟수 GB/T457-2008 51 117
교차 방향 14 119
표면 조도(상면) PPS μm GB/T 22363-2008 0.55 0.54
평활도(상면) s GB/T 456-2002 679 289
백색도(상면) % GB/T 7974-2002 90.5 91.9
백색도(배면) % 87.2 86.9
광택도(상면) % GB/T 8941 55 54
표면 물 상면 g/m2 GB/T 1540-2002 27.2 23.6
배면 29.8 25.6
얼룩 (0.3-1.5) mm2 수/ m2 GB/T 1541-2007 0 0
>1.5 mm2 0 0
색상 (상면)L GB/T 7975-2005 94.8 95.7
a 0.79 0.74
b -1.96 -1.87
(배면)L 95.9 96.1
a -0.2 -0.44
b 2.26 2.93
수분 % GB/T 462-2008 7.6 8.4
인쇄 표면 강도 m/s GB/T 22385-2008 0.75 1.2
층간 조합 강도 J/m2 GB/T 26203-2010 190 193
잉크 흡수도 % GB/T 12911-91 23 22
검사 결과: 이 종이는 등급 A 상품으로 분류될 수 있다.
주: ★등급 평가에 항목이 사용되지 않음을 의미함.
실시예 5
실시예 4의 판지 샘플을 장착하고 MVA Scientific Consultant (조지아주, 덜루스)에서 단면을 보기 위해 광 이온 빔(BIB) 섹션으로 절단하였다. BIB 단면화는 다양한 재료에 대해 정확한 단면 표면을 준비하기 위한 발전된 방법이다. BIB는 연질 재료, 매우 경질인 재료, 다공성 재료 또는 이들의 조합을 단면화할 때 기계 연마 또는 마이크로톰과 같은 전통적인 방법과 비교하여 탁월하다. BIB 단면화된 표면적은 폭이 약 1mm이고 길이는 수백 마이크로미터이다. 이온 빔은 판지를 변형시키거나 세공을 채우지 않으면서 판지를 절단할 수 있다. 이것은 세공 구조에 대한 상세한 연구, 예를 들어, 탄산 칼슘과 같은 필러가 다공성 코팅층에 얼마나 깊이 침투할 것인가에 대한 상세한 연구를 허용한다.
샘플을 먼저 절단하고 적절한 크기와 모양으로 트리밍한다. 그런 다음, 그것은 마스크 플레이트로서 역할을 하는 샘플 홀더(티타늄)에 부착된다. 샘플의 작은 부분(20 내지 200 μm)을 마스크의 가장자리 위에서 볼 수 있게 남겨둔다. 아르곤 광 이온 빔을 마스크의 가장자리에 수직으로 정렬하여 빔의 절반이 샘플에 부딪치고 나머지 절반은 마스크에 부딪친다. 마스크 플레이트가 나머지를 보호하는 동안 이온은 샘플의 가시 영역에서 물질을 제거하기 시작한다. 시간이 경과함에 따라 이온 충격은 마스크 플레이트 가장자리 뒤에 샘플의 깨끗한 평면 단면적을 유발한다. 도 2에 도시된 대로, 두꺼운 백색층은 3층의 탄산 칼슘 코팅이고 얇은 층은 1층의 탄산 칼슘 코팅이다. BCTMP 부분 섬유는 중간에서 적층되고 비어 있다. 상면층 및 배면층(20, 30)은 목재 기반 섬유와 대나무 섬유의 혼합물이다. 이러한 관찰은 또한 도 3에서 확인되는데, 여기서 SEM C-스테인은 중간에 리그닌화된 BCTMP (황색)를 나타내고 상면층 및 배면층(20, 30)에서 탈리그닌화된 목재 기반 및 대나무 섬유를 나타낸다. 또한, 판지 두께를 가로질러 섬유의 밀도가 변하는 것을 볼 수 있다.
본원에서 달리 규정하지 않는 한, 백분율, 부분 및 비율 모두는 본 발명의 조성물의 총 중량을 기초로 한 것이다. 나열된 성분들에 속하는 이러한 모든 중량은 작용 수준(active level)을 기준으로 하며, 따라서: 달리 명시되지 않는 한, 시판되고 있는 물질에 포함될 수 있는 부산물이나 용매를 포함하지 않는다. "중량 백분율"이란 용어는 본원에서 "중량 %"로서 나타낼 수 있다. 실제 측정값의 구체적인 예가 제시된다는 것을 제외하면, 본원에서 언급된 수치 값은 "약"이란 용어로 한정되는 것으로 고려되어야 한다.
본 명세서에 개시된 치수 및 값들은 인용된 정확한 수치 값으로 엄밀하게 제한되는 것으로 이해되어서는 안된다. 대신, 달리 특정되지 않는 한, 이러한 치수 각각은 인용된 값 및 이 값 주변의 기능적으로 동등한 범위 모두를 의미하도록 의도된다. 예로서, "40mm"라고 개시된 치수는 "약 40mm"를 의미하고자 하는 것이다.
발명의 상세한 설명에 인용된 모든 문헌은 본원에서 참고로서 관련 부분에 통합되어 있고; 임의의 문헌의 인용은 본 발명과 관련하여 선행 기술이라고 인정하는 것으로 해석되어선 안 된다. 본원에서 기재된 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로서 통합된 문헌의 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충되면, 본 명세서에 기재된 용어에 할당된 의미 또는 정의가 우선할 것이다.
본 개시물의 특정 측면들이 예시되고 기술되었지만, 본 개시의 다양한 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 다른 변경과 수정이 행해질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위에서 본 발명의 범위 내에 있는 이러한 모든 변경과 수정을 포괄하도록 의도된다.

Claims (19)

  1. 판지 패키징 재료로서,
    목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 상면층의 5% 내지 100%인, 상면층;
    목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 배면층의 5% 내지 100%인, 배면층; 및
    상기 상면층과 배면층 사이에 배치된 중간층을 포함하는, 판지 패키징 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중간층은 5% 내지 100%의 비-목재 필러 섬유를 포함하는, 판지 패키징 재료.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비-목재 필러 섬유는 옥수수 대, 짚, 기타 육상 기반 천연 섬유, 및 이들의 조합에서 선택되는, 판지 패키징 재료.
  4. 제3항에 있어서, 상기 짚은, 밀, 벼, 귀리, 보리, 호밀, 아마, 풀, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 판지 패키징 재료.
  5. 제3항에 있어서, 상기 기타 육상 기반 천연 섬유는, 아마, 대나무, 목화, 황마, 아마, 사이잘, 사탕수수, 양마, 헤스퍼알로에, 스위치그라스, 억새, 및 이들의 조합으로부터 선택되는, 판지 패키징 재료.
  6. 제2항에 있어서, 상기 비-목재 필러 섬유는 밀짚인, 판지 패키징 재료.
  7. 제1항에 있어서, 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 판지 패키징 재료.
  8. 제1항에 있어서, 상기 상면층과 배면층 중 하나 또는 둘 다에 코팅을 더 포함하는, 판지 패키징 재료.
  9. 제8항에 있어서, 상기 코팅은 라텍스, 카올린 점토 및 탄산 칼슘으로부터 선택되는, 판지 패키징 재료.
  10. 제1항에 있어서, 상기 비-목재 섬유는 상기 상면층의 50% 내지 85%인, 판지 패키징 재료.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비-목재 섬유는 상기 배면층의 50% 내지 85%인, 판지 패키징 재료.
  12. 판지 패키징 재료로서,
    목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 상면층의 50% 내지 85%이고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 상면층;
    목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 배면층의 50% 내지 85%이고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 배면층; 및
    상기 상면층과 배면층 사이에 배치된 중간층을 포함하는, 판지 패키징 재료.
  13. 제12항에 있어서, 상기 중간층은 5% 내지 100%의 비-목재 필러 섬유를 포함하는, 판지 패키징 재료.
  14. 제13항에 있어서, 상기 비-목재 필러 섬유는 옥수수 대, 짚, 기타 육상 기반 천연 섬유, 및 이들의 조합에서 선택되는, 판지 패키징 재료.
  15. 제13항에 있어서, 상기 짚은, 밀, 벼, 귀리, 보리, 호밀, 아마, 풀, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는, 판지 패키징 재료.
  16. 제13항에 있어서, 상기 기타 육상 기반 천연 섬유는, 아마, 대나무, 목화, 황마, 아마, 사이잘, 사탕수수, 양마, 헤스퍼알로에, 스위치그라스, 억새, 및 이들의 조합으로부터 선택되는, 판지 패키징 재료.
  17. 제13항에 있어서, 상기 비-목재 필러 섬유는 밀짚인, 판지 패키징 재료.
  18. 판지 패키징 재료로서,
    목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 상면층의 50% 내지 85%이고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 상면층;
    목재 섬유와 배합된 비-목재 섬유를 포함하고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 배면층의 50% 내지 85%이고, 여기서 상기 비-목재 섬유는 대나무인, 배면층; 및
    상기 상면층과 배면층 사이에 배치된 중간층으로, 여기서 상기 중간층은 5% 내지 100%의 비-목재 필러 섬유를 포함하는, 상기 중간층을 포함하는, 판지 패키징 재료.
  19. 제18항에 있어서, 상기 비-목재 필러 섬유는 밀짚인, 판지 패키징 재료.
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