TWI550160B - 用於抗熱穿透性之上漿組合物 - Google Patents

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Description

用於抗熱穿透性之上漿組合物
本發明係關於一種為使卡紙上漿以提供抗熱穿透劑之方法。該方法可用於無菌包裝紙板以提供對於用於滅菌該包裝之熱過氧化氫溶液及欲以該容器包裝之液體兩者之抵抗性。
藉由以塗層卡紙製成之容器包裝液體產品及特定而言液體乳製品已有一段時間。工業中稱為液體包裝紙板之紙板通常係在雙面塗佈聚乙烯。
為在該應用中發揮功能，該紙板必須對液體之影響具有抵抗力。就液體乳製品而言，該液體最具侵略性之成份通常係乳酸。該紙板之最脆弱部份通常係切割邊緣。已知藉由AKD(烷基烯酮二聚體)上漿之紙板對於含有乳酸之液體具有良好之抗邊緣穿透性。
近幾年具有朝消耗性液體無菌包裝之趨勢。無菌容器係藉由經塗覆或未塗覆卡紙、聚乙烯及鋁箔組成之複合結構所形成。填充之前藉由在高溫下通過過氧化氫溶液將該紙板殺菌。
因此該紙板不僅需抗最後包裝於該容器內之液體，而且亦需抗用於使該容器殺菌之熱過氧化氫溶液。已發現已知對含有乳酸之液體具有優異抗邊緣穿透性之以AKD為主之上漿劑對於熱過氧化氫溶液僅中等有效(參見例如美國專利第4,927,496、5,308,441、5,456,800、5,626,719號)。已證明以松香為主之上漿劑提供對於熱過氧化氫溶液所需要之抵抗性，但對於該等容器包裝之酸性物質並非同樣有效(參見例如美國專利第4,927,496、5,308,441、5,456,800、5,626,719號)。
因此，無菌包裝等級使用雙重上漿系統。AKD及松香均用以提供無菌包裝之上漿，係於內部添加兩種上漿劑(美國專利第4,927,496號)或一種於內部使用另一種添加於表面(美國專利第5,308,441號)。不幸地，松香上漿效率之最佳pH(約pH 5)低於AKD上漿效率之最佳pH(約pH 7.5)。因此，在兩種上漿劑之折衷pH(約pH 6.5)實施該系統，導致低於最佳性能(美國專利第7,291,246號)。另外，該系統不方便因為在造紙系統中通常必須盤存並計算兩種上漿劑。
解決該等缺點之先前嘗試包含使用纖維素反應性及非反應性上漿劑與熱固樹膠之組合(美國專利第5,456,800、5,626,719號)及使用過氧化氫酶或錳礦石以分解過氧化氫以產生可形成防止卡紙穿透性之保護氣體層之氧氣(美國專利第7,291,246號)。
美國專利第4,859,244與3,311,532號揭示由脂肪酸酐及烷基烯酮二聚體之混合物組成之紙上漿劑，其提供改良之上漿。然而，既未討論由熱過氧化氫之殺菌引起之問題，亦未說明所揭示之上漿劑對於抗熱過氧化氫或其他熱穿透劑之邊緣穿透性之影響。另外，美國專利第4,859,244號提示「該上漿品質實質上不受明礬存在之影響」，其提供證明系統中含明礬與無明礬之性能相等之資料。
本發明解決使用雙重上漿系統之缺點以實現無菌包裝紙板之上漿要求、對於熱過氧化氫之抗性及對乳酸之抗性。已發現，不溶性劑單獨使用脂肪酸酐或與AKD組合(兩者皆為反應性上漿劑)與不溶性劑一起可提供優於單獨使用烯酮二聚體或烯酮二聚體與松香之雙重上漿系統對於含有乳酸之液體及熱過氧化氫溶液兩者之抗性。反應性上漿劑係可與纖維素化學性反應者。
本發明提供一種增加紙板對於熱穿透劑之抗性之方法，該方法包括：a)分開地地或以摻合形式將i)包括反應性上漿劑之水性乳液與ii)不溶性劑添加於水性紙漿漿體中，其中該反應性上漿劑至少包括30重量%之脂肪酸酐，及b)將該漿體形成紙或紙板。
已發現在接近中性pH(例如，pH6.0至7.5，較佳6.5至7.5，或較佳6.7至7.3)與不溶性劑一起將脂肪酸酐或脂肪酸酐與烯酮二聚體之摻合物加入紙漿漿體中且隨後將該紙漿製成紙板，則該紙板對於熱過氧化氫及乳酸溶液兩者之邊緣滲透性具有良好抗性。
另外，已發現當使用脂肪酸酐與烯酮二聚體之摻合物時該紙板對於熱過氧化氫之抗性意外地比藉由將分開使用該兩種上漿劑時之該等效果相加所預測者更佳。
可用於本發明之該等反應性上漿劑可獨立地乳化並獨立地加入該紙漿漿體中、獨立地乳化隨後在加入該紙漿漿體之前之加入點混合在一起或在乳化之前摻合。
本發明之該方法可使用本項技術習知之任意烯酮二聚體。用作上漿劑之烯酮二聚體係具有下式之二聚體：
其中R1與R2係具有6至24個碳原子(較佳至少10個碳原子且最佳14至16個碳原子)之飽和或不飽和烷基。R1與R2可相同或不同。該等烯酮二聚物為悉知，例如可見於美國專利第2,785,067號(其揭示內容以引用方式併入本文)。
適宜之烯酮二聚體包含癸基、十二烷基、十四烷基、十六烷基、十八烷基、二十烷基、二十二烷基、二十四烷基烯酮二聚體，及自棕櫚油酸、油酸、蓖麻油酸、亞油酸、肉豆蔻油酸及桐酸製備之烯酮二聚體。該烯酮二聚體可以係單一種類或可含有多種類之混合物。最佳之烯酮二聚體係由C14-C22直鏈飽和脂肪酸製備之烷基烯酮二聚體。
用作上漿劑之酸酐之特徵下述通式：
其中R3與R4係具有6至24個碳原子(較佳至少10個碳原子且最佳14至16個碳原子)之飽和或不飽和烷基。R3與R4可相同或不同。最佳之酸酐係由C14-C22直鏈飽和脂肪酸製備之酸酐。
已知用於製備烯酮二聚體之分散體之任何方法可用以乳化該酸酐或該烯酮二聚體。通常將該AKD與包括陽離子澱粉及木素磺酸鈉之分散系統組合。此種分散液實例可見於Edwards之美國專利第4,861,376號及Savina之美國專利第3,223,544號(其揭示內容以引用方式併入本文)。或者，可使用任何已知方法於研磨機內乳化該酸酐及烯酮二聚體。
該等乳液可包含與上漿乳劑共用之添加劑，例如，烯酮二聚體之促進劑樹脂、殺生物劑、消泡劑等。乳液中之固體可自約2至50重量%、較佳約4至40重量%且最佳約5至35重量%之間變化。
可獨立地乳化該烯酮二聚體及脂肪酸酐並獨立地加入該造紙系統，或在添加之前可將該等乳液混合在一起。或者，可在乳化之前將該酸酐與烯酮二聚體摻合。該脂肪酸酐及烯酮二聚體可製造為摻合物或其可分別製造。
脂肪酸酐與纖維素反應以形成酯與一分子之游離脂肪酸。該游離脂肪酸可與不溶性劑反應以形成不溶鹽。據信該不溶鹽提供對熱穿透劑之增強抗性。
該不溶性劑可以係本項技術習知之該等之任意者，例如造紙明礬(硫酸鋁)、聚氯化鋁(PAC)或其他聚鋁化合物，且較佳係明礬。根據紙漿之類型、欲使用之上漿劑量及其他熟悉本項技術者習知之因素(如系統鹼度、陰離子「多餘」量等)決定明礬之使用量。一般而言，不溶性劑之含量應係自約5至15 lb/T(占纖維乾重之0.25至0.75%)。
該不溶性劑可在與該上漿劑相同之添加點添加，或者可分開進料使得在該系統之早期添加一些以中和陰離子物質而剩餘部份與上漿劑一起添加。
可單獨使用脂肪酸酐或將其與烷基烯酮二聚體組合。若與烷基烯酮二聚體組合使用，該摻合物必須含有至少30%之脂肪酸酐。在較佳之摻合物中，該反應性上漿物質之40-70%係脂肪酸酐。
本發明之上漿劑可用作內部上漿劑或表面上漿劑。內部上漿包括在薄片形成之前將該漿料加入該紙漿漿體，而表面上漿包括將該紙沉浸在含有該上漿劑之溶液中，隨後根據已知之乾燥技術在高溫下乾燥。以內部上漿較佳。
本發明可用於上漿紙物質如(例如)無菌包裝紙板。該使用量係基於顧客所要求之上漿需求(其視上漿之要求程度、紙之等級、用於製造該紙之紙漿供應之類型、及其他眾所周知之因素而定)且可由該等熟悉本項技術者依經驗容易地決定。一般而言，使用上漿劑之最小量以獲得所要求之上漿規格。通常，上漿劑之量應係自4至10 lb/T(占纖維乾重之0.2至0.5%)。
可藉由任何習知方法將該紙漿漿體加工成例如用於無菌包裝應用之紙板，並視需要可添加任意其他習知添加劑，例如助留劑、強度添加劑、顏料或填充劑。
本發明亦包含例如由藉由本發明之方法處理之紙漿製成之產品。
除了提供對熱過氧化氫之良好抗性以外，本發明之組合物亦提供對於在工業中經常遭遇之其他熱穿透劑(即約40℃以上之穿透劑)(例如沸水、熱咖啡及熱奶油咖啡)、一般用於測試杯具原料(即用於生產飲料杯之紙板)之測試良好之抗性。
實例
為闡明本發明目地提供以下實例。除非另有說明否則所有分數及百分比係以重量表示。
在以下實例中，使用以模擬商業長網造紙機設計之試驗範圍之造紙機進行評價，其包含備料、精煉及儲備。藉由重力將原料自設備槽饋送至固定水位漿料池。由此，將原料泵至一系列線上攪拌器中，於該處添加有濕端添加劑、隨後泵至主要風扇泵。在風扇泵中以白水稀釋該原料至約0.2%固體。可對進入或排出該風扇泵之該原料實施進一步化學添加。將該原料自主要風扇泵抽自次要風扇泵，於該處可對進入原料實施化學添加，隨後泵至整流輥並至泥切刀，於該處其沉積至12-寸寬之長網線)。其在該金屬線上沉積之後，立即藉由三個真空箱使該紙頁真空脫水，伏輥濃度通常係14-15%。
將該濕紙頁自該伏輥傳遞至馬達驅動濕捲取氈上。此處，藉由以真空泵操作之真空吸水箱自該紙頁及該毛氈中將水移除。藉由單毛氈壓榨使該紙頁進一步脫水並在該壓榨階段餘留38-40%之固體。
在以下實例中，使用漂白硬木牛皮紙(70%)與漂白軟木牛皮紙(30%)之具有350-400 cc之加拿大標準游離度之摻合物實施評價。將用於稀釋之水調整至含有50 ppm之硬度及120 ppm之鹼度。以基於纖維乾重之百分比提供所有添加劑之添加量。在原料泵與風扇泵出口之間使0.95%經四級胺取代之陽離子澱粉(Sta-Lok 400，A.E. Staley，Decatur，I11.)之添加分離。在風扇泵入口以實例所示之量添加明礬及上漿劑。在次要風扇泵處以0.038%添加PerForm PM9025(一種無機微粒子助留劑)(Hercules Incorporated，Wilmington，DE)。原料溫度維持在55℃。除非另有指示否則將流漿箱pH控制至6.8。
形成244 g/m2(150 lb/3000 ft2令)之紙頁並在七個乾燥罐中乾燥至5%水分(乾燥罐表面溫度自65增加至110℃)並在28 pli下穿過5-壓區、6輥壓光機之單壓區。對在CT室(50% RH，25℃)中自然熟化之板測定邊緣吸收(edgewick)抗性。
邊緣吸收測試係液體包裝工業中用於測定上漿程度之標準測試。就該測試而言，使用自黏膠帶雙面積層紙板樣品。自積層紙板切割給定尺寸之試樣、稱重、並隨後在指定溫度下沉浸在該測試溶液中。在指定時間後將該等試樣自該測試溶液中取出，以吸墨乾燥並重新稱重。以每平方米之曝露邊緣所吸收溶液之kg(kg/m2)報導該等結果。低邊緣吸收值比高值佳。所要求之上漿量視製造紙板之等級而定。
使用之測試溶液係：熱過氧化氫：70℃之35%過氧化氫，浸泡10分鐘；乳酸：25℃之20%乳酸，浸泡30分鐘。
實例1：對熱過氧化氫之優異抗性
藉由習知方法(參見(例如)美國專利第3,223,544號、美國專利第4,861,376號)製備Aquapel 364烷基烯酮二聚體(Hercules Incorporated，Wilmington，DE)及硬脂酸酐(99% Aldrich)之以陽離子澱粉安定化之乳液並藉由上述之試驗性造紙機評價。對照組係由Hi-pHase 35陽離子分散之松香上漿劑(Hercules Incorporated,Wilmington,DE)與Aquapel 364之乳液組成之二元上漿系統。
在該評價中使用0.375%之明礬作為不溶性劑。藉由加入以60/40比例(基於活性物)之該硬脂酸酐乳液與該AKD乳膠通過混合T製造該SA/AKD摻合物以達到上漿劑之目標量(例如，就0.10%之上漿劑而言，加入0.06%硬脂酸酐及0.04%之AKD乳液(基於活性物))。
該實例證明硬脂酸酐比類似添加量(在SA之0.3%疏膠體下僅吸取0.65 kg/m2相較於該雙重系統之0.33%疏水膠體之0.9)之雙上漿系統提供更佳之對熱過氧化氫之抗性。或者，在疏水物減少量時(為達到0.89 kg/m2之熱過氧化氫吸水僅需要0.2%之該硬脂酸酐相較於雙重系統需要0.33%疏水物以達到該抗性成度)硬脂酸酐提供與該雙重系統(對照組)相似之對熱過氧化氫之抗性。
意外的是，在相同疏水物量之下硬脂酸酐與AKD之摻合物比單獨使用之任一種上漿劑提供更佳之對熱過氧化氫之抗性：0.2% SA/AKD(即0.12%之SA與0.08%之AKD乳膠)生0.74 kg/m2之熱過氧化氫吸收而0.2%之SA提供0.89且0.2%之AKD提供1.47。
實例2：對乳酸之優異抗性
亦評價實例1製造之該紙板對於乳酸之抗性。雖然不如AKD有效，但硬脂酸酐與AKD之摻合物相較於該雙重對照組上漿系統亦提供對於乳酸之優異抗性：
為作為無菌包裝應用之有效系統同時需要乳酸抗性及熱過氧化氫抗性。
實例3：pH之影響
如實例1所述製備紙板，使流漿箱pH自6.5變化至7.5，並使用0.375重量百分比之明礬作為不溶性劑。SA比AKD之比例係60:40。接近中性、弱酸性pH提供對熱過氧化氫之最佳抗性：
實例4：對其他熱滲透劑之抗性
如實例1所述製備紙板。SA比AKD之比例係60:40。測試紙板對於沸水(沸騰船測試(boiling boat test)：沸水穿過紙板z-方向之時間)、Dixie Cobb(以熱水實施之標準Cobb測試)及熱咖啡與加有奶精之熱咖啡的Cobbs(參見描述Cobb測試之Tappi測試方法T 44lom-04)之抗性。
上述所有樣品之沸騰船測試結果係2000+秒。
該等結果顯示本發明方法提供對其他熱滲透劑之抗性。
實例5：增加明礬添加量
如實例1所述製備紙板，自0.0至0.75%改變明礬之添加量，流漿箱pH保持在6.5。明顯，當增加不溶性劑量時，對熱過氧化氫之抗性增加。
僅供參考，含0.21%松香、0.12%AKD及0.375%明礬之對照組系統具有0.50 kg/m2之熱過氧化氫吸收。
實例6：改變硬脂酸酐對烷基烯酮二聚體之比例
除改變硬脂酸酐對Aquapel 364之比例外，如實例1所述製備紙板。有隨摻合物中硬脂酸酐量之增加對熱過氧化氫之改良抗性增加之總體趨勢。

Claims (13)

  1. 一種增加無菌包裝紙板對熱滲透劑之抗滲透性之方法，該方法包括a)分開地或以摻合形式將i)包括反應性上漿劑之水性乳液及ii)不溶性劑添加於水性紙漿漿體中，且其中該反應性上漿劑包括至少30重量%脂肪酸酐，且其中該不溶性劑之含量應占紙漿乾重之約0.25至0.75%且該上漿劑之含量應占紙漿乾重之0.2至0.5%，及b)將該漿體製成無菌包裝紙板，其中所形成之無菌包裝紙板的熱過氧化氫吸收係少於不含有不溶性劑之無菌包裝紙板的熱過氧化氫吸收，且其中該不溶性劑係選自由明礬(硫酸鋁)、聚氯化鋁(PAC)及其他聚鋁化合物所組成之群。
  2. 如請求項1之方法，其中該紙漿漿體之pH係約6.5至7.5。
  3. 如請求項1之方法，其中該紙漿漿體之pH係約6.7至7.3。
  4. 如請求項1之方法，其中該反應性上漿劑包括40至70%之脂肪酸酐。
  5. 如請求項1之方法，其中該脂肪酸酐係自C14至C22直鏈飽和脂肪酸製備。
  6. 如請求項1之方法，其中該不溶性劑係明礬。
  7. 如請求項1之方法，其中該上漿劑進一步包括烷基烯酮二聚體。
  8. 如請求項7之方法，其中該烷基烯酮二聚體係自C14至C22直鏈飽和脂肪酸製備。
  9. 一種增加紙板對熱滲透劑之抗滲透性之方法，該方法包括a)分開地或以摻合物形式將i)包括反應性上漿劑之水性乳液及ii)不溶性劑添加於水性紙漿漿體中，其中該不溶性劑之含量應占紙漿乾重之約0.25至0.75%且該上漿劑之含量應占紙漿乾重之0.2至0.5%，且其中該紙漿漿體之pH係6.5至7.5，其中該反應性上漿劑包括至少30重量%脂肪酸酐，及b)將該漿體製成無菌包裝卡紙。
  10. 一種提供對熱過氧化氫之改良抗性之組合物，該組合物包括a)脂肪酸酐，及b)不溶性劑。
  11. 如請求項10之組合物，其中該脂肪酸酐包括烷基烯酮二聚體，其中烷基烯酮二聚體比脂肪酸酐之重量比係小於2比1。
  12. 如請求項10或11之組合物，其中該不溶性劑係選自由明礬(硫酸鋁)、聚氯化鋁(PAC)及其他聚鋁化合物所組成之群。
  13. 如請求項12之組合物，其中該不溶性劑係明礬。
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