MX2015003247A - Composiciones hibridas de fibras y sus usos en empaque de carton para contenedores. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un material de empaque de cartón para contenedores que comprende al menos un material de pulpa alternativo que no es de madera en donde el material de pulpa alternativo que no es de madera está presente en una cantidad de aproximadamente 5 % a aproximadamente 100 y en donde el material reemplaza al menos una porción de materiales de fibras convencionales.

Description

COMPOSICIONES HÍBRIDAS DE FIBRAS Y SUS USOS EN EMPAQUE DE CARTÓN PARA CONTENEDORES CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere al uso de fibras naturales alternativas que no son de madera en un medio corrugado para empaque de cartón para contenedores. Un sustituto de la fibra de madera dura convencional se logra mediante una composición híbrida de fibras que proporciona suficiente resistencia mecánica para aplicaciones de empaque de cartón para contenedores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Tradicionalmente la pulpa obtenida de árboles de rápido crecimiento, tales como el pino, se ha usado como la materia prima para empaque de cartón para contenedores. El cartón para contenedores se comprende de papel para caras y medio. El papel para caras usualmente se hace de maderas blandas, que tienen las fibras más largas y producen el cartón para contenedores más resistente. Por otro lado, el medio se hace de fibras de madera dura, que tienden a ser más cortas y más rígidas que las fibras de madera blanda. En los últimos años, el uso de material de contenedores corrugados viejos (OCC, por sus siglas en inglés), recielado ha crecido en popularidad como papel para caras o como medio corrugado debido a consideraciones sobre la sostenibilidad ambiental.

Ref . 255091 Sin embargo, los OCC frecuentemente requieren procesos de reelaboración de pulpa y de destintado. Como tal, las fibras recieladas se acortan, se debilitan y se contaminan a medida que crece el número de reciclamientos. Junto con una mayor demanda y uso de la fibra reciclada por muchos productores de cartón corrugado, también ha aumentado el coste de la fibra reciclada. El movimiento hacia el reciclado de flujo único provoca un aumento en la contaminación (grapas, cintas plásticas y adhesivos de fundido en caliente) de los flujos de fibras recuperadas existentes. Los requisitos de rendimiento críticos tales como la resistencia (resistencia a la compresión, al aplastamiento de los bordes, al estallido, y a la tracción), la rigidez, o la dureza, la resistencia a la humedad, la resistencia a las grasas y la tolerancia al congelamiento/descongelamiento pueden ser más difíciles de lograr con papel o cartón reciclados.

Las composiciones híbridas de fibras que comprenden fibras naturales alternativas que no son de madera tales como las obtenidas de algas, forraje del maíz, paja de trigo, paja de arroz y lo similar serían una opción para resolver esos problemas mencionados anteriormente. La sustitución de fibras en el medio corrugado mediante el uso de fibras alternativas de origen terrestre que no son de madera tales como la paja de trigo sola puede cuestionarse a un alto nivel de inclusión. Uno de los factores se relaciona con los finos asociados con las fibras de pulpa. La fibra de paja de trigo contiene más finos (de aproximadamente 38 - a aproximadamente 50 %) que las fibras de madera dura (de aproximadamente 20 a aproximadamente 40 %) o las fibras de OCC (de aproximadamente 20- a aproximadamente 25 %). Así las cosas, las dimensiones de la fibra de paja de trigo (longitud y diámetro de las fibras) son comparables a las fibras de madera dura, tales como las de pulpa de arce y roble, pero más cortas que las fibras de OCC debido a la presencia de fibras de madera blanda en materiales recielados de cartón para contenedores. Los finos podrían verse como un relleno; sin embargo, tener más finos de la pulpa de paja de trigo en comparación con otros no contribuye a la resistencia.

Las algas rojas son unas de las algas, que pertenecen a la división Rhodophyta, una parte de la familia Gelidiaceae. Su fibra obtenida después de la extracción de agar o de bioetanol tiene una alta relación de aspecto y sorprendentemente mejora las propiedades mecánicas del medio corrugado tales como el índice de tracción, el aplastamiento de los anillos, el índice de estallido y el índice de desgarre, etc., en las composiciones híbridas de fibras. La presencia de fibra de algas rojas permite que el medio corrugado cumpla o supere los principales requisitos de propiedades mecánicas, lo cual permite que se use efectivamente una alta proporción de fibras que no son de madera, tales como paja de trigo, y aún así cumplir completamente las demandas de rendimiento del producto. Así, el uso de fibras alternativas que no son de madera sería más compatible con el medio ambiente, representaría un cambio significativo con relación al uso de materias primas convencionales (pulpa de madera dura u OCC) y resultaría en potenciales ahorros en el costo para varios fabricantes.

Por ello, existe una necesidad de proporcionar materiales alternativos a la pulpa de madera para sustituir una porción de los materiales de fibras convencionales usadas en el empaque de cartón para contenedores. Adicionalmente, existe una creciente necesidad de materiales corrugados ligeros, más resistentes que permitan la reducción del peso del empaque. A pesar de los intentos anteriores de usar fibras alternativas para producir cartones compuestos para su aplicación en la construcción y el mobiliario, existe una carencia de intentos sostenibles para producir medio corrugado basado en fibras naturales que no son de madera para usarlo en aplicaciones de empaque de cartón para contenedores. Como resultado, la presente invención llena esos vacíos al proporcionar materiales alternativos a la madera que pueden usarse para el empaque de cartón para contenedores ambientalmente sostenible.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un material de empaque de cartón para contenedores que comprende al menos un material de pulpa alternativo que no es de madera en donde el material de pulpa alternativo que no es de madera está presente en una cantidad de aproximadamente 5 % a aproximadamente 100 % y en donde el material reemplaza al menos una porción de materiales de fibras convencionales. La composición híbrida de fibras puede procesarse mediante las máquinas de conversión, acanalado y fabricación de papel para aplicaciones de empaques rígidos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 muestra una microfotografía de una mezcla al 100 % de fibra corta de pulpa semiquímica de madera dura en una superficie de hoja de laboratorio con SEM a 300X.

La Figura 2 muestra una microfotografía de 100 % de fibra de paja de trigo en una superficie de hoja de laboratorio con SEM a 300X.

La Figura 3 muestra una microfotograf ía de una composición híbrida de fibras para una superficie de hoja de laboratorio en donde la composición contiene una combinación de fibras de madera dura, de paja de trigo y de algas rojas con SEM a 300X.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Aunque la descripción concluye con las reivindicaciones que indican particularmente y reivindican claramente la invención, se cree que la presente invención se comprenderá mejor a partir de la siguiente descripción.

Todos los porcentajes, partes y relaciones se basan en el peso total de las composiciones de la presente invención, a menos que se especifique de cualquier otra manera. Todos estos pesos que pertenecen a los ingredientes enumerados se basan en el nivel activo y, por lo tanto, no incluyen solventes o subproductos que pueden estar incluidos en materiales comerciales, a menos que se especifique de cualquier otra manera. El término "por ciento en peso" puede denotarse como "% en peso" en la presente descripción. Excepto donde se presentan ejemplos específicos de valores medidos reales, debe considerarse que los valores numéricos referidos en la presente se califican por la palabra "aproximadamente".

Como se usa en la presente, "que comprende" significa que pueden añadirse otras etapas y otros ingredientes que no afectan el resultado final. Este término abarca los términos "que consiste en" y "que consiste prácticamente en". Las composiciones y métodos/procesos de la presente invención pueden comprender, consistir en, y consistir prácticamente en elementos esenciales y las limitaciones de la invención descritas en la presente descripción, así como también cualquiera de los ingredientes, componentes, etapas, o limitaciones adicionales u opcionales descritas en la presente descripción.

Como se usa en la presente, el término "que no es de madera" o "alternativo a la madera" generalmente se refiere a residuos de procesamiento de cultivos agrícolas tales como la paja de trigo, plantas no maderables de humedales tales como el junco, plantas acuáticas tales como el Jacinto de Agua, microalgas tales como la Spirulina y macroalgas marinas tales como las algas rojas o pardas. Los ejemplos de materiales naturales que no son de madera de la presente invención incluyen, pero sin limitarse a, paja de trigo, paja de arroz, lino, bambú, algodón, yute, cáñamo, sisal, bagazo, hesperaloe, pasto varilla, caña chinesca, algas/macroalgas marinas o de agua dulce, y combinaciones de los mismos.

Como se usa en la presente, el término "fibra de algas rojas" se refiere a cualquier material fibroso celulósico obtenido de Rhodophyta. Las fibras de alga roja particularmente preferidas incluyen material fibroso celulósico obtenido de Gelidium amansii, Gelidium corneum, Gelidium asperum, Gelidium chilense y Gelidium robustum. Las fibras de algas rojas generalmente tienen una relación de aspecto (medida como la longitud promedio de las fibras dividida por el ancho promedio de las fibras) de al menos aproximadamente 80.

Como se usa en la presente, el término "OCC" se refiere a contenedores corrugados viejos que tienen capas de papel pegadas junto con una capa interior acanalada. Este es el material usado para hacer cajas de cartón corrugado (el producto más recielado en el país). Los cuatro componentes principales de las pulpas de OCC son la pulpa kraft de madera blanda sin blanquear (principalmente del papel para caras), pulpa semiquímica de madera dura (del medio acanalado), almidón (como un adhesivo), y agua (frecuentemente el 8 % o más).

Como se usa en la presente, el término "pulpa" o "fibra de pulpa" se refiere al material fibroso obtenido mediante procesos convencionales de elaboración de pulpa conocidos en la materia. Esto puede ser para materiales leñosos o no leñosos.

Como se usa en la presente, el término "finos" se refiere a la fracción que atraviesa un tamiz de malla 200 (75 mm). El tamaño central de los finos es de unas pocas mieras. Los finos consisten de celulosa, hemicelulosa, lignina y extractos. Existen dos tipos de los finos: finos primarios y secundarios. El contenido de los finos primarios parece ser una característica genética de la planta. Para la pulpa de madera dura, es de aproximadamente el 20 % a aproximadamente el 40 %, mientras que para la paja de trigo, es de aproximadamente el 38 % a aproximadamente el 50 %. Los finos secundarios son pedazos de fibrillas de las capas exteriores de las fibras que se rompen durante la refinación.

Como se usa en la presente, el término "peso base" generalmente se refiere al peso por unidad de área de un papel para caras o un medio. El peso base se mide en la presente mediante el uso del método de ensayo T-220 de la TAPPI. Una lámina de pulpa, comúnmente de 30 cm x 30 cm o de otras dimensiones adecuadas se pesa y después se seca para determinar el contenido de sólidos. El área de la lámina se determina después y la relación del peso seco al área de la lámina se reporta como el peso base en gramos por metro cuadrado (g/m2). El peso base del papel para caras es al menos aproximadamente 130 gramos por metro cuadrado (g/m2) o mayor y el peso base del medio es aproximadamente 90 g/m2 o mayor. El contenido de humedad para el papel para caras y para el medio es de menos que aproximadamente el 10 por ciento.

Como se usa en la presente, el término "cartón para contenedores" se refiere a una lámina que contiene el papel para caras como un revestimiento y el medio acanalado. Existen múltiples configuraciones: simple cara, simple pared, denominada además doble clara, doble pared y triple pared para diferentes aplicaciones de empaque de productos.

Como se usa en la presente, el término "canal" se refiere a un "arco" u "onda" en forma de S invertida de un medio corrugado que normalmente corre paralelo a la profundidad del contenedor y le da la rigidez y la resistencia a la compresión (al apilamiento). Las canales de la presente invención pueden variar de aproximadamente 98 canales por metro a aproximadamente 492 canales por metro. Las principales cinco clasificaciones y tamaños de las canales son: 1) Canal A: el mayor tamaño de arco, entre aproximadamente 105 a aproximadamente 121 canales por metro, 2) Canal B: el segundo mayor tamaño de arco, aproximadamente 148 a aproximadamente 171 canales por metro, 3) Canal C: intermedio entre A y B, entre aproximadamente 128 a aproximadamente 141 canales por metro, 4) Canal E: tiene aproximadamente 302 a aproximadamente 322 canales por metro, y 5) Canal F: el último tamaño de canal, aproximadamente 420 canales por metro. Estas canales pueden combinarse además juntas para formar categorías multicanales que varían desde AAA (triple pared), AA (doble pared) hasta las combinaciones E/F (Microcanal). Las alturas de las canales simples varían desde A (0.477 cm) hasta F (0.079 cm).

Como se usa en la presente, los términos "simple cara", "simple pared", "doble pared" y "triple pared" se refieren al material de empaque formado al pegar una o más láminas acanaladas de cartulina (medio para corrugar) entre uno o más revestimientos de papel para caras. Existen cuatro tipos comunes : 1) "Simple cara" se refiere a un medio acanalado pegado a una lámina plana de papel para caras (dos láminas en total) . 2) "Simple pared" se refiere a un medio acanalado pegado entre dos láminas de papel para caras. Conocido también como "doble cara" (tres láminas en total). 3) "Doble pared" se refiere a dos medios acanalados pegados entre tres láminas de papel para caras (cinco láminas en total). 4) "Triple pared" se refiere a tres medios acanalados pegados entre cuatro láminas de papel para caras (siete láminas en total).

Como se usa en la presente, el término "índice de tracción" se expresa en N.m/g y se refiere al cociente de la resistencia a la tracción, generalmente expresada en Newton por metro (N/m) dividida por el peso base.

Como se usa en la presente, el término "índice de estallido" se refiere al cociente de la resistencia al estallido, generalmente expresada en kilopascales (kPa) dividida por el peso base, generalmente expresado en gramos por metro cuadrado (g/m2).

Como se usa en la presente, el término "prueba del medio corrugado", (CMT) se refiere a la resistencia a la compresión de una tira acanalada del medio para corrugar, generalmente expresada en libra fuerza (lbf) o Newton (N).

Como se usa en la presente, el término "aplastamiento de los anillos" se refiere a la resistencia del papel y la cartulina a la compresión a lo largo de los bordes, generalmente expresada en kilonewton por metro (kN/m).

Como se usa en la presente, el término "compresión" se refiere a la capacidad de los contenedores corrugados para embarques de resistir las fuerzas externas de compresión, que se relaciona con la resistencia al apilamiento de los contenedores que se someten a las fuerzas encontradas durante el transporte y el almacenamiento. Generalmente se expresa en Newton (N).

Como se usa en la presente, el término "aplastamiento de los bordes" se refiere a la resistencia a la compresión a lo largo de los bordes, paralela a las canales del cartón corrugado, generalmente expresada en kilonewton por metro (kN/m).

Como se usa en la presente el término "aparato conformador de trama" generalmente incluye formadora Fourdrinier, formadora de alambre gemelo, máquina de cilindros, formadora de prensa, formadora de media luna, y lo similar, conocidas para los expertos en la materia.

Como se usa en la presente el término "capacidad de drenaje de la pulpa según estándar canadiense" (CSF) se refiere generalmente a la velocidad a la que drena una lechada de fibras y se mide como se describe en el método de ensayo estándar T 227 OM-09 de TAPPI. La unidad para la CSF es mi.

Las pajas (de trigo, arroz, avena, cebada, centeno, lino y pasto) y los tallos (de maíz, sorgo y algodón) representan grandes fuentes potenciales a nivel mundial (más de 1 millón de toneladas métricas secas anualmente) de fibras naturales alternativas basadas en los cultivos agrícolas, respectivamente. Con cualquier cultivo anual, la cosecha debe hacerse en un momento determinado y son necesarios el almacenamiento, secado, limpieza y separación antes de la fabricación del producto. Las ventajas de usar fibras lignocelulósicas de crecimiento anual para las aplicaciones de medio corrugado son 1) un ciclo de cosecha mucho más corto que las fuentes de pulpa de madera tradicionales, 2) bajo coste debido a su naturaleza de residuo, 3) la ausencia de necesidad del blanqueado de las fibras requiere menos consumo de energía y 4) extrae el dióxido de carbono del aire para reducir el efecto de gas de invernadero global, que mejora la sostenibilidad ambiental. Con estas características compatibles con el medio ambiente, bien merecidas de las fibras naturales que no son de madera, las empresas por todo el mundo han sido rápidas para integrar las agrofibras en las líneas de productos.

La presente invención se refiere al menos a un material de pulpa alternativo que no es de madera para usarlo en empaque de cartón para contenedores para sustituir una porción importante de los materiales de fibras convencionales que se usan en la fabricación del medio corrugado, el ondulado del medio y la conversión de cajas. Las fibras naturales alternativas tales como las que usan fibras de cultivos del campo o residuos agrícolas en lugar de fibras de madera se consideran como más sostenibles. Los ejemplos de materiales naturales que no son de madera de la presente invención incluyen, pero sin limitarse a, paja de trigo, paja de arroz, lino, bambú, algodón, yute, cáñamo, sisal, bagazo, hesperaloe, pasto varilla, caña chinesca, algas/macroalgas marinas o de agua dulce, y combinaciones de los mismos. La composición de la presente invención comprende al menos un material de pulpa alternativo que no es de madera seleccionado de algas tal como alga roja, forraje del maíz, paja, en donde las pajas se seleccionan de trigo, arroz, avena, cebada, centeno, lino y pasto, y combinaciones de los mismos; otras fibras naturales de origen terrestre, las otras fibras naturales de origen terrestre seleccionadas de lino, bambú, algodón, yute, cáñamo, sisal, bagazo, kenaf, hesperaloe, pasto varilla y caña chinesca, y combinaciones de los mismos; y combinaciones de los mismos. El material fibroso individual de estos materiales que no son de madera puede obtenerse de procesos convencionales de elaboración de pulpa tales como elaboración termomecánica de pulpa, elaboración de pulpa kraft, elaboración química de pulpa, elaboración biológica de pulpa asistida por enzimas o elaboración de pulpa con solventes orgánicos conocidos en la materia. La elaboración de pulpa de algas rojas (patente de Estados Unidos 7,622,019 de You y otros) por otro lado, implica menos coste energético y de capital debido a que no contienen lignina, lo cual hace a las algas rojas distintivamente diferentes de otros materiales de pulpa. Adicionalmente, un bajo peso base puede lograrse cuando se usa fibra de algas rojas en las composiciones híbridas.

El medio corrugado por lo general se hace con una pulpa semiquímica o material recielado. Aproximadamente el 75 % de la producción dentro de las actuales prácticas de producción utiliza aproximadamente 80 % de pulpa semiquímica y 20 % de fibra reciclada. El resto de la producción se hace de 100 % de material reciclado y frecuentemente se denomina "medio falso". El medio corrugado es un cartón ligero usado para las capas interiores acanaladas de la materia prima de las cajas corrugadas. El peso base para el medio para corrugar varía de aproximadamente 18 libras a aproximadamente 36 libras por 1000 pie2. El peso base preferido es de aproximadamente 26 a aproximadamente 32 libras por 1000 pie2. El medio corrugado de la presente invención puede tener un peso base de aproximadamente 90 g/m2 a aproximadamente 200 g/m2.

El material de pulpa alternativo que no es de madera de la presente invención es una mezcla única que comprende fibras de la pulpa natural alternativa que no es de madera. Por ejemplo, puede existir una combinación de madera dura y al menos una fibra de la pulpa natural alternativa que no es de madera tal como la paja de trigo o una combinación de una o más fibras de la pulpa natural alternativa que no es de madera tales como la paja de trigo y las algas que son útiles como la presente invención. Esa mezcla no solamente proporciona una ventaja para fabricar un empaque de cartón para contenedores sostenible ambientalmente, también refuerza la conexión de las otras fibras dentro de la mezcla debido a la presencia de fibra de algas rojas marinas. Asi, las propiedades mecánicas globales del medio corrugado y del cartón para contenedores se mejoran con el uso de las fibras naturales alternativas que no son de madera. Una vista comparativa de esas diferencias puede verse en las Figuras 1 y 2 frente a la Figura 3. Aunque la Figura 2 muestra menos parches y mayor resistencia comparada con la Figura 1, la mejor morfología de las fibras puede verse en la Figura 3 donde se muestra que la presencia de algas rojas (como se representa por la diminuta fibra, en forma de hilo), refuerza la conexión de las fibras de madera dura semiquímicas y de paja de trigo mediante el fuerte enlace de hidrógeno y los contactos de gran área superficial ofrecidos por las pequeñas fibras de algas rojas.

Una diferencia clave es la alta relación de aspecto de las fibras de algas rojas de 80 o más con respecto a las fibras de madera dura o de paja de trigo. La longitud de las fibras de madera dura varía de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 1.85 mm. En el caso de la longitud de las fibras de OCC, es más cercana al extremo superior del intervalo pero se hacen más cortas a medida que aumenta el número de recielamientos. La longitud de las fibras de cereal de paja de trigo varía de aproximadamente 0.8 a aproximadamente 1.1 mm. Es de conocimiento común en la materia que las fibras no tratadas más cortas y el alto contenido de finos primarios de la paja de trigo no mejorarían las propiedades mecánicas del producto final tales como la tracción, el desgarre, el estallido, etc. Mientras más larga sea la longitud promedio de las fibras en el papel, más resistente será la lámina. Pueden añadirse agentes auxiliares de la resistencia para mejorar la unión de las fibras cortas, pero en general siempre que una fibra larga se sustituya con una más corta, disminuirá la resistencia. Por ello, una sustitución exitosa de las fibras convencionales (de madera dura o de OCC) usada para hacer los medios corrugados con fibra de paja de trigo debe basarse en las otras fibras o productos químicos. En esta invención, las modalidades se dan para mostrar que la sustitución de fibras inesperadamente se puede lograr cuando se incorpora fibra de algas rojas en las composiciones híbridas de fibras. La fibra de algas rojas más delgada proporciona más áreas de contacto superficial entre una red de otras fibras diferentes por medio de enlaces de hidrógeno para lograr una mejora de la resistencia. Las composiciones de la presente invención pueden comprender algas rojas como la pulpa natural alternativa que no es de madera. Las algas rojas pueden seleccionarse de Gelidium elegance, Gelidium corneum, Gelidium amansii, Gelidium robustum, Gelidium chilense, Gracelaria verrucosa, Eucheuma cottonii, Eucheuma Spinosum, Beludul, y combinaciones de las mismas.

Las composiciones del material de pulpa de la presente invención pueden comprender varias cantidades de fibras de la pulpa natural alternativa que no es de madera. La composición puede tener una combinación de elementos donde existe al menos una sola fibra de pulpa natural alternativa que no es de madera o puede combinarse con una fibra de pulpa de madera. Por ejemplo, la cantidad de fibras de la pulpa natural alternativa que no es de madera de la presente invención puede estar presente en una cantidad de aproximadamente 5 de aproximadamente 10 %,· de aproximadamente 20 i , de aproximadamente 25 %, de aproximadamente 30 % a aproximadamente 40 %, a aproximadamente %, a aproximadamente 60 %, a aproximadamente 75 %, a aproximadamente 100 % por peso de la composición. Las composiciones del material de pulpa de la presente invención pueden comprender además una pulpa de fibras cortas de madera dura en una cantidad de aproximadamente 5 %, de aproximadamente 10 %, de aproximadamente 20 %, o de aproximadamente 30 %, a aproximadamente 40 %, a aproximadamente 50 %, a aproximadamente 60 % o a aproximadamente 70 %, por peso de la composición. Cuando los materiales de pulpa alternativos que no son de madera están presentes solos, en combinación unos con otros o en combinación con una fibra de pulpa de madera, la composición puede usarse después para un empaque de cartón para contenedores que reemplaza una porción de los materiales de fibras convencionales.

Las composiciones de la presente invención pueden mostrar combinaciones, aunque no de manera limitante, en donde la relación de pulpa química de madera dura: pulpa natural alternativa que no es de madera puede ser de aproximadamente 70:30, de aproximadamente 60:40, de aproximadamente 50:50, de aproximadamente 30:70, de aproximadamente 5:95 o de aproximadamente 0:100. Dentro de cualquier pulpa natural alternativa que no es de madera, puede usarse un tipo de pulpa natural alternativa que no es de madera o dos o más en conjunto. Por ejemplo, una composición puede comprender una relación de 30:70 de pulpa de madera dura: natural alternativa que no es de madera en donde la alternativa que no es de madera es paja de trigo sola o una combinación de paja de trigo y algas rojas. Como se mencionó, también puede usarse cualquier combinación de pulpas naturales alternativas que no son de madera.

Esta invención se demostró además mediante la fabricación de papel de medio corrugado, el ondulado y la conversión de cajas. Por ejemplo, en la fabricación de papel, las modalidades de papeles de pulpa de madera dura y paja de trigo (30:70) y de 100 % de OCC a un bajo peso base de 112 g/m2 se hicieron como una base para la comparación, respectivamente. Otro ejemplo de la misma inclusión de 30 % de madera dura con un balance de 70 % de combinación de paja de trigo y algas rojas (85.7:14.3) se fabricó en una máquina piloto de papel. Un almidón catiónico se usó como un aditivo de resistencia en seco de aproximadamente 0.1 %, de aproximadamente 0.5 %, de aproximadamente 0.1 % a aproximadamente 2 %, a aproximadamente 5 %, por peso de la composición. Cualquier almidón obtenido de maíz, trigo o papa, etc. sería adecuado después de la modificación catiónica.

En el ondulado, el papel para caras fue un material estándar de revestimiento plano de la industria de cartón para contenedores, que se ensambla junto con el medio corrugado (ondulado) mediante el uso de un corrugador piloto. Las velocidades promedio de la línea de 76 metros por minuto se mantuvieron durante toda la operación de ondulado y ensamble de la lámina de cartón para contenedores. Los adhesivos solubles en agua basados en almidón de maíz y algunas resinas tales como acetato de polivinilo pueden usarse como adhesivos. Existen varias configuraciones para el cartón para contenedores: "simple cara", "simple pared", "doble cara", "doble pared" y "triple pared". Cada configuración tiene aplicaciones especiales. Las canales vienen en varias formas o perfiles de canal estándar. Los diferentes perfiles de canal pueden combinarse en una pieza de cartón combinado. Por ejemplo, en un cartón de triple pared, una capa del medio puede ser con canal A mientras que las otras dos capas pueden ser con canal C. Mezclar perfiles de canal de esta manera permite que los diseñadores manipulen la resistencia a la compresión, la resistencia de amortiguación y el grosor total del cartón combinado.

Los tamaños de caja de 34.4 cm x 34.3 cm x 39.1 cm se convirtieron mediante el uso de láminas de cartón para contenedores por una prensa de doblado, plegado y pegado con puntos y ranuras aplicados antes de pegar la unión del fabricante. Varias pruebas tales como pruebas de aplastamiento de los bordes, de aplastamiento de los anillos y de compresión tridimensional [de parte superior a parte inferior (T-B), de borde a borde (E-E) y de lado a lado (S-S)] se seleccionaron para evaluar las cajas de cartón para contenedores corrugado. Los resultados para el medio corrugado que contiene fibras naturales que no son de madera superan todas las muestras de control.

Todas las muestras de hojas de laboratorio y las muestras producidas en las máquinas piloto se probaron selectivamente en cuanto a sus propiedades mecánicas (desgarre, tracción, estallido y densidad) mediante el uso de TAPPI T220, el peso base con TAPPI T410, el aplastamiento de los anillos mediante el uso de TAPPI T822, el aplastamiento de los bordes mediante el uso de TAPPI T839, la prueba del medio corrugado mediante el uso de TAPPI T809 y la prueba de compresión mediante el uso de TAPPI T804. Todas las muestras se acondicionaron a 50 % de humedad y 75°F (23.88°C) durante 24 horas antes de realizar cualquier prueba.

EJEMPLOS Los siguientes ejemplos describen y demuestran adicionalmente modalidades dentro del alcance de la presente invención. Los ejemplos se dan únicamente con el propósito de ilustración y no deben interpretarse como limitaciones de la presente invención, ya que son posibles muchas variaciones de la misma.

EJEMPLO 1 Se fabricó una pulpa de madera dura que sigue un cocido semiquímico típico para el medio corrugado. Las astillas de madera dura usadas para hacer la pulpa fueron una mezcla estándar de especies de madera dura del norte, que consistía principalmente de abedul, fresno y roble (60/30/10). Mil quinientos gramos secos al horno de las astillas mezcladas se colocaron en un digestor - Modelo M/K 602-2 (M/K Systems, Inc., Peabody, MA) con una solución al 10 % de carbonato de sodio (Na2CO3), con una relación 4:1 del licor a la madera. Las astillas se calentaron hasta su temperatura de cocido de 125°C durante 60 minutos, se cocieron durante 30 minutos a la temperatura y se enfriaron después. Las astillas cocidas se hicieron pasar por un refinador de laboratorio - Modelo 105-A (Sprout-Waldron, Muncy, PA), después se tamizaron en un tamiz plano vibratorio ranurado a 0.02 cm. Las fibras se centrifugaron después para extraer el agua para prepararlas para la fabricación de la hoja de laboratorio.

EJEMPLO 2 La mezcla de la pulpa del Ejemplo 1 se usó para hacer hojas de laboratorio como un control. Se hicieron diez hojas de laboratorio para cada código de acuerdo con TAPPI T205, donde se especificó y usó un aparato conformador de trama. El peso base de las hojas de laboratorio se seleccionó para que fuese 112 gramos por metro cuadrado (g/m2) con un peso seco en horno de 2.24 gramos para cada hoja de laboratorio. El peso base real de las muestras mostró una desviación significativa. Para minimizar el efecto del peso base para la comparación de los datos, los valores de los índices se convierten basados en los datos de las pruebas y se muestran en la Tabla 1, en tanto que el Ejemplo 1 se refiere a una mezcla de pulpa semiquímica fabricada del Ejemplo 1, WS significa pulpa de paja de trigo, comprada de Shandong Pulp and Paper Co., Ltd. (Jinan, China) y alga se refiere a fibra de algas rojas, comprada de Pegasus International (Daejeon, República de Corea).

EJEMPLO 3 Una mezcla de 70 % del Ejemplo 1 y 30 % de fibras naturales alternativas que no son de madera (20 % de pulpa de paja de trigo y 10 % de fibra de algas rojas) se preparó para crear hojas de laboratorio. Las otras etapas para hacer las hojas de laboratorio y los parámetros para las hojas de laboratorio son similares al Ejemplo 2, incluyendo los ejemplos mostrados más abajo. Por lo tanto, no se repiten por brevedad.

EJEMPLO 4 Una mezcla de 50 % del Ejemplo 1 y 50 % de fibras naturales alternativas que no son de madera (40 % de pulpa de paja de trigo y 10 % de fibra de algas rojas) se preparó para crear hojas de laboratorio.

EJEMPLO 5 Una mezcla de 30 % del Ejemplo 1 y 70 % de fibras naturales alternativas que no son de madera (50 % de pulpa de paja de trigo y 20 % de fibra de algas rojas) se preparó para crear hojas de laboratorio.

EJEMPLO 6 Una mezcla de 60 % del Ejemplo 1 se preparó para crear hojas de laboratorio que contienen 40 % de pulpa de paja de trigo sin presencia de fibra de algas rojas.

EJEMPLO 7 Este es un ejemplo comparativo. El 100 % de las hojas de laboratorio de fibras naturales alternativas que no son de madera se hicieron sin presencia de la pulpa de madera dura como se muestra en el Ejemplo 1. La composición del material contenía 80 % de pulpa de paja de trigo y 20 % de fibra de algas rojas. Para esta composición de fibras naturales que no son de madera, el índice de desgarre de la hoja de laboratorio se debilita mientras que otras propiedades mecánicas son comparables.

EJEMPLO 8 Este es un ejemplo comparativo. El 100 % de las hojas de laboratorio de fibras naturales alternativas que no son de madera se hicieron sin presencia de la pulpa de madera dura como se muestra en el Ejemplo 1. La composición del material contenía 90 % de pulpa de paja de trigo y 10 % de fibra de algas rojas. Para esta composición de fibras naturales que no son de madera, la CMT de la hoja de laboratorio, el índice de desgarre y el índice de tracción, etc. están todos por debajo del control (Ejemplo 2).

EJEMPLO 9 Este es un ejemplo comparativo. El 100 % de las hojas de laboratorio de fibras naturales alternativas que no son de madera se hicieron sin presencia de la pulpa de madera dura como se muestra en el Ejemplo 1 o presencia de fibra de algas rojas. La composición del material que contenía 100 % de pulpa de paja de trigo es mucho más débil que el control (Ejemplo 2), que no puede cumplir con los estándares de desempeño del medio corrugado.

Los resultados mostrados en la Tabla 1 indican que la más alta resistencia al desgarre, a la tracción, y al estallido junto con la prueba del medio corrugado (CMT) se encontró con 80 % de paja de trigo y 20 % de algas rojas, mientras que la más baja de estas propiedades se encontró con las hojas de laboratorio de 100 % de paja de trigo. Parece que el calibre y la porosidad se relacionan inversamente. La densidad de las hojas de laboratorio no cambió significativamente de una muestra a la siguiente. Los ejemplos con propiedades mecánicas mejoradas de las hojas de laboratorio (Ejemplos 3-7) frente al control (Ejemplo 2) son indicativos de que esta invención permite el uso de fibras alternativas que no son de madera en el medio corrugado para las aplicaciones de empaque de cartón para contenedores. Sin embargo, se cuestiona que una sustitución completa de la pulpa de madera dura mediante el uso de una combinación de fibras de paja de trigo y de algas rojas cumpla los criterios téenicos (tales como la CMT, el aplastamiento de los anillos, la densidad, el índice de desgarre, el índice de tracción y el índice de estallido, como se muestra) para producir un medio corrugado útil.

Tabla 1 Resumen de las propiedades mecánicas de las hojas de laboratorio EJEMPLO 10 La fabricación de papel para medio corrugado mediante el uso de un aparato conformador de trama tal como una máquina Fourdrinier de papel de 36" (Sandy Hill Corporation, Hudson Falls, NY) se muestra en la Tabla 2. Se usó la caja de cabeza Hogenkamp. La mesa tiene una longitud de formación de 4.1 metros. El ancho de la regleta es 83.8 cm y la máquina se opera con combas de bordes.

La sección de prensas de la máquina consiste de dos prensas de doble fieltrado. Cada línea de agarre de las prensas se carga neumáticamente. La primera prensa se limita a 1245 por centímetro lineal (pie) y la segunda prensa a 2489 pie, que es una medida estándar para el prensado y el calandrado. Todos los rodillos de las prensas se cubren con hule y con agujeros ciegos.

La sección de secado de la máquina consiste de 2 bancos de tambores de secado de 91.4 cm de diámetro, 9 tambores en la primera sección y 5 tambores en la segunda sección. La prensa encoladora se coloca entre las secciones de secado y se utilizó para la prueba.

Después de la segunda sección de secado hay una pila de lisas de 3 líneas de agarre, de 4 rodillos. Los rodillos - dos blandos de nailon de 45.7 cm de diámetro y dos duros de acero de 45.7 cm de diámetro - pueden configurarse para el calandrado en varias configuraciones. La máxima presión es de 5080 pie y la máxima temperatura es de 550 °F (287.78°C).

Se produjeron tres medios corrugados a partir de la máquina de fabricación de papel a escala piloto: El Ejemplo 10A es una mezcla de la madera dura y la paja de trigo (30/70), el Ejemplo 10B es 100 % de OCC, y el Ejemplo 10C es una mezcla de fibras con 30 % de madera dura, 60 % de paja de trigo y 10 % de algas rojas. Las respectivas composiciones fibrosas se muestran en la Tabla 2. Un almidón catiónico se usó en la fabricación de papel a 0.5 % de la fibra.

Tabla 2 Ejemplos y Composiciones de la fabricación de papel para medio corrugado La pulpa de paja de trigo y la fibra de algas rojas son las mismas que las usadas para fabricar las muestras de hojas de laboratorio. La fibra de madera dura se elaboró de pulpa de madera dura de vástago principal, comprada de Newpage Corporation (Miamisburg, OH). Su capacidad de drenaje de la pulpa según estándar canadiense (CSF) se reporta que es 730 mi. La refinación de la pulpa de madera dura hasta la CSF de 350-400 mi se realizó mediante el uso del refinador de 16" Beloit Double Disc 4000 (Beloit Corporation, Lenox Dale, MA) antes de la fabricación de papel. Los materiales de OCC y de paja de trigo no se refinaron debido a que los valores de la CSF estaban dentro de 350-400 mi. El papel para medio se seleccionó para que fuese de 112 g/m2, el ancho del papel para medio es 83.8 cm y la longitud del papel es 915 metros por muestra.

La velocidad de fabricación de papel fue de 0.38 a 0.48 pies por minuto. El calibre para estos papeles fue de 0.015 a 0.020 centímetros. El papel para medio se bobinó sobre un núcleo de 10.2 cm de tamaño para el procesamiento posterior, es decir, el acanalado del medio y el ensamble de la lámina para contenedores. El diámetro de cada rollo de muestra variaba de 46 a 60 cm.

EJEMPLO 11 Este ejemplo es acerca del acanalado del papel para medio y el ensamble de las láminas de cartón para contenedores mediante el uso de un corrugador piloto. Se compró papel para caras kraft (35 libras por 1000 pie2) de Georgia-Pacific Corporation (Atlanta, GA), que se hace con un contenido de 20 % postconsumo y 5 % preconsumo con el balance (75 %) en fibras vírgenes. El acetato de polivinilo es adhesivo basado en agua, se compró de Wisdom Adhesives (Elgin, IL) y el almidón es almidón de maíz Clinton, se compró de ADM (Decatur, IL). Todos estos materiales se usaron en el acanalado del papel para medio y el ensamble de las láminas de cartón para contenedores.

Se usó la Asitrade MF250 Modulefacer para fabricar el cartón para contenedores corrugado que incluía una lámina de simple cara (revestimiento interior) combinada con el medio acanalado mediante el uso de una velocidad promedio de aplicación del almidón en el lado de la simple cara de la lámina, que es de 2.45 libras por 1000 pie2. La formulación del pegamento es un adhesivo industrial estándar para corrugador que consiste en 363 kg de almidón de maíz, 5 kg de bórax, 6.4 kg de cáustico y 871 litros de agua. El revestimiento de simple cara se unió después con el revestimiento de doble refuerzo (exterior) para formar la lámina acabada mediante el uso de Asitrade Laminator. Esto implica en el uso un adhesivo de PVA de endurecimiento frío a una velocidad de aplicación de 4.74 libras por 1000 pie2 sobre la canal B. La canal B designa 154 +10 canales por metro lineal y grosor de las canales de 3.2 mm. Todas las láminas de cartón para contenedores se produjeron en canal B con un factor de acortamiento de 1.31.

EJEMPLO 12 Los tamaños de caja de 34.4 cm x 34.3 x 39.1 cm se convirtieron mediante el uso de láminas de cartón para contenedores del Ejemplo 11 por una prensa de doblado, plegado y pegado con puntos y ranuras aplicados antes de pegar la unión del fabricante.

Los contenedores se acondicionaron a 50 % de humedad en el laboratorio y 75 °F (23.88°F) antes de realizar las pruebas enumeradas más abajo. Las pruebas de aplastamiento de los bordes del contenedor, de aplastamiento de los anillos y las pruebas de compresión tridimensional para las cajas se realizaron y los resultados se muestran en la Tabla 3, donde T-B significa una compresión aplicada desde la parte superior del contenedor hacia la parte inferior, E-E significa de borde a borde y S-S significa de ancho a ancho. Los respectivos métodos de prueba son 1) prueba de aplastamiento de los bordes mediante el uso de TAPPI T839, 2) prueba de aplastamiento de los anillos mediante el uso de TAPPI T822, 3) prueba de compresión mediante el uso de TAPPI T804 y 4) peso base para medio de canal B, doble refuerzo y simple cara mediante el uso de TAPPI T410 .

Tabla 3 Resultados de las pruebas físicas para cajas fabricadas mediante el uso de tres medios corrugados diferentes Los pesos base de las muestras para el cartón para contenedores de medio corrugado y de simple cara son similares excepto para el 100 % de OCC como medio corrugado, que es ligeramente mayor especialmente para el doble refuerzo. Un valor de 22 lb/1000 pie2 se corresponde a aproximadamente 112 g/m2. Así, esta composición de la invención crea además un medio corrugado ligero para las aplicaciones de empaque de contenedores. Los resultados de ECT y RCT indican que los contenedores que usan una combinación de fibras naturales alternativas de paja de trigo y de algas rojas como el medio corrugado son mejores que la paja de trigo sola, donde la pulpa de madera dura se usa al mismo nivel. Las diferencias en los resultados de ECT y RCT reflejan los cambios en la composición del medio debido a que los papeles para caras son del mismo material para cada caja ensamblada. Las mejoras en los resultados de ECT y RCT son más pronunciadas cuando el Ejemplo 10C se compara con el Ejemplo 10B, que usó 100 % de OCC como medio corrugado .

En las pruebas de compresión tridimensional, en la compresión E-E para el Ejemplo 10C es más débil que el control de 100 % de OCC y la mezcla de madera dura y paja de trigo. Todos los otros datos (las compresiones T-B y S-S) son mejores para el Ejemplo 10C, que indica que la fibra de algas rojas juega un rol importante para que la pulpa de paja de trigo sea útil.

Las dimensiones y los valores expuestos en la presente no deben entenderse como estrictamente limitados a los valores numéricos exactos mencionados. En lugar de ello, a menos que se especifique de cualquier otra forma, cada una de esas dimensiones significará tanto el valor mencionado como también un intervalo funcionalmente equivalente que comprenda ese valor. Por ejemplo, una dimensión descrita como "40 mm" significará "aproximadamente 40 mm".

Todos los documentos mencionados en la Descripción detallada de la Invención en su parte relevante, se incorporan en la presente como referencia; la mención de cualquier documento no ha de interpretarse como una admisión de que es téenica anterior con respecto a la presente invención. En la medida en que cualquier significado o definición de un término en este documento escrito entre en conflicto con cualquier significado o definición del término en un documento incorporado como referencia, prevalecerá el significado o la definición asignada al término en este documento escrito.

Si bien se han ilustrado y descrito modalidades particulares de la presente invención, será evidente para aquellos con experiencia en la materia que pueden hacerse otros cambios y modificaciones diversos sin apartarse del espíritu y alcance de la invención. Por consiguiente, se ha tratado de cubrir en las reivindicaciones anexas todos los cambios y modificaciones que están dentro del alcance de esta invención.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (11)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un material de empaque de cartón para contenedores, caracterizado porque comprende al menos un material de pulpa alternativo que no es de madera en donde el material de pulpa alternativo que no es de madera está presente en una cantidad de aproximadamente 5 % a aproximadamente 100 % y en donde el material reemplaza al menos una porción de materiales de fibras convencionales.

2. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende hasta aproximadamente 95 % de una pulpa de madera dura.

3. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un material de pulpa alternativo que no es de madera se selecciona de algas tal como algas rojas, forraje del maíz, paja, en donde las pajas se seleccionan del grupo que consiste de trigo, arroz, avena, cebada, centeno, lino y pasto, y combinaciones de los mismos; otras fibras naturales de origen terrestre, las otras fibras naturales de origen terrestre seleccionadas de lino, bambú, algodón, yute. cáñamo, sisal, bagazo, kenaf, hesperaloe, pasto varilla y caña chinesca, y combinaciones de los mismos.

4. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque al menos un material de pulpa alternativo que no es de madera es alga roja, en donde la alga roja se selecciona de Gelidium elegance, Gelidium corneum, Gelidium amansii, Gelidium robustum, Gelidium chilense, Gracelaria verrucosa, Eucheuma cottonii, Eucheuma spinosum, Beludul, y combinaciones de los mismos.

5. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende de aproximadamente 20 % a aproximadamente 75 % de pulpa de alga roja y paja de trigo combinados.

6. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende de aproximadamente 5 % a aproximadamente 30 % de pulpa de alga roja y de aproximadamente 25 % a aproximadamente 90 % de fibras de pulpa de madera dura.

7. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque contiene un medio corrugado que tiene un peso base de aproximadamente 90 g/m2 a aproximadamente 200 g/m2.

8. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las láminas de cartón para contenedores comprenden un adhesivo seleccionado de almidón, acetato de polivinilo y combinaciones de los mismos.

9. El empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el medio corrugado es una canal que varía en tamaño de aproximadamente 105 canales por metro a aproximadamente 420 canales por metro.

10. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque se convierte en contenedores de empaque rígidos adecuados para aplicaciones de empaque.

11. El material de empaque de cartón para contenedores de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la relación de pulpa de madera dura a pulpa alternativa que no es de madera es de aproximadamente 30:70 a aproximadamente 5:95.