專利名稱：低密度紙板制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用低密度的紙和紙板來生產(chǎn)制品，涉及用這種紙板做的隔熱制品，尤其涉及用這種低密度的紙和紙板做的杯子。
背景技術(shù)：
隔熱的杯子和容器廣泛用于盛放熱的或冷的飲料或其它食品。這種制品可以用各種各樣的材料制作，包括聚苯乙烯泡塑雙壁容器以及多層紙質(zhì)容器例如包含外層泡塑層的紙板容器。紙板容器通常比用苯乙烯質(zhì)材料作的容器更合乎需要，因為紙質(zhì)材料一般更適合于回收利用，可以生物降解，而且具有更適合于印刷的表面。然而多層的和多壁的紙制容器與聚苯乙烯泡塑質(zhì)的容器相比制造成本高，而且常常沒有表現(xiàn)出相當?shù)母魺嵝阅?。具有外層泡塑隔熱層的紙板容器一般生產(chǎn)起來比雙壁容器成本低，但其外表面不太適合于印刷。
已經(jīng)作出了各種努力來改進紙的某些特性，方法是在紙中加入已膨脹的以及未膨脹的微球。例如Meyer的與美國專利N0.3,556,934說明了生產(chǎn)用于書籍、雜志等的紙制品生產(chǎn)，其中在造紙的配料中加入未膨脹的微球，然后再使這種配料形成紙幅并干燥。這種微球在干燥時膨脹，使得上述紙板具有改進的勁度和厚度，然而在該’934專利涉及基重低的紙張，不適合于制造隔熱容器，沒有說明應(yīng)用這種制品來制造具有隔熱特性的紙板容器，也沒有說明如何生產(chǎn)這種制品，使其能夠用來制造的隔熱容器的產(chǎn)品用作杯子等。
因此一直需要一種紙質(zhì)材料，這種材料具有很好的隔熱特性，而且可以與聚苯乙烯泡塑質(zhì)的制品進行競爭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在用于生產(chǎn)隔熱容器例如紙杯的低密度紙板材料。一般說來，紙板材料包括紙板幅，該紙板幅包括已膨脹的微球，其基重適合制造隔熱容器例如紙杯，在這種情況下，紙板的基重最好在約200～220磅/3000英尺2(3MSF)。本發(fā)明的低密度紙板包括約0.25～10％重量(折干計算)的已膨脹微球，并具有相當?shù)偷谋碛^密度，約在6.0～10磅/3MSF/密耳，以及相當大的厚度，約為24～35密耳。這些特性特別適合于用來制造杯子，特別是制造體積可盛16盎司流體的杯子(內(nèi)底部直徑為2.25英寸)的紙板制品。然而應(yīng)當看到，本發(fā)明的低密度紙板在廣泛的需要低密度/隔熱特性的應(yīng)用方面和產(chǎn)品尺寸方面均具實用性。
在用產(chǎn)品來盛液體的杯子應(yīng)用中，最好在紙板接觸液體的表面上包括一種阻擋涂層，以便阻擋流體滲入紙板。低密度的聚乙烯涂層特別適合此種用途。
用于盛熱流體的杯子和容器一般只需要涂在用作容器內(nèi)表面的表面上，而對于盛冷卻流體(例如冰凍飲料和冷飲料)的杯子，則需要涂在兩個表面上，因為在外壁上有凝結(jié)問題。
對于本發(fā)明的預(yù)定用于制作杯子的密度和厚度在上述范圍內(nèi)的紙板，該紙板最好還制作成具有至少約100×10-3英尺-磅力的平均(即MD和CD的平均值)內(nèi)部結(jié)合強度。為了使紙板可以成功地成形為杯子形狀和類似制品，不會由成形操作引起顯著的有害影響，這種最小內(nèi)部結(jié)合強度與其它的紙板特性被認為是必要的。在這些負面效應(yīng)中有所謂“翹曲”，這種翹曲在杯子成形工藝期間沿杯子的高度出現(xiàn)，其中當坯件卷在一個心軸上形成杯壁時，聚乙烯涂層的紙板將出現(xiàn)很小的皺折形變。
在成形操作中，被認為影響皺折出現(xiàn)的其它因素包括將涂層涂在紙板上的方法和涂層的重量。因此，對于常規(guī)的擠壓聚乙烯涂層條件(速度和重量)，100×10-3英尺-磅力最小最小平均內(nèi)部結(jié)合強度被認為良好成形所必須的，而將擠壓速度降低到低于常規(guī)速度25％或?qū)⑼繉又亓吭黾拥礁哂诔Ｒ?guī)重量約50％，將會相應(yīng)減小最小平均內(nèi)部結(jié)合強度到約80×10-3英尺-磅力。
按照本發(fā)明的一個方面，未涂層的低密度紙板表面按照Sheffield光滑度標度其表面粗糙度顯著高于常規(guī)杯子坯料的粗糙度，這種粗糙度十分意外地在軟膠印操作中得到相當好的印刷質(zhì)量。因此對于本發(fā)明的適合于制造杯子的典型低密度紙板，紙板的未涂層表面表現(xiàn)出至少約300SU的Sheffield光滑度和等于或低于約6.5微米的PPS10光滑度。
本發(fā)明的低密度紙板與常規(guī)杯子坯料大不相同，這種低密度紙板除其它特性以外可以壓光，形成高得多的約11～12磅/3MSF/密耳的密度、低得多的約20密耳的厚度以及相應(yīng)的約160～200SU的光滑表面，這些特性被認為是形成合格印刷質(zhì)量所必須的，這種較高密度/較低厚度紙板具有增加紙板導(dǎo)熱性(即降低隔熱性)的作用。
另一方面，本發(fā)明提供一種制造低密度紙板材料的方法，這種紙板材料適合用于生產(chǎn)隔熱性容器例如杯子。該方法包括提供造紙配料，該配料包括纖維素纖維和約0.25～10％折干重量的可膨脹微球，該折干重量微球最好約占5～7％的重量；用造紙配料在造紙機上形成紙板幅；然后干燥和壓光該紙板幅，達到約6.0～10.0磅/3MSF/密耳的表觀密度，最好達到約6.5～10.0磅/3MSF/密耳的密度，并達到約24～25密耳的厚度，最好達到約28～35密耳的厚度。
再一方面，本發(fā)明提供一種用紙板材料制作隔熱容器例如紙杯的方法。該方法包括形成一種造紙配料，該配料包括纖維素纖維和約0.25～10％折干重量的可膨脹微球，該可膨脹微球最好約占5～7％的折干重量；在造紙機上用該造紙配料形成紙板幅；然后干燥和壓光該紙板幅，達到約6.0～10.0磅/3MSF/密耳的表觀密度，最好達到約6.5～10.0磅/3MSF/密耳的密度，并達到約24～35密耳的紙板厚度，最好達到約28～35密耳的紙板厚度，其內(nèi)部結(jié)合強度至少約為80×10-3英尺-磅力，最好至少約10×10-3英尺-磅力，而其Sheffield光滑度等于或高于300SU；最后將該紙板幅形成為容器例如紙杯，該紙杯的側(cè)壁部分至少用該紙板幅制作。
按照本發(fā)明的紙板幅與常規(guī)的單層紙板幅相比顯示出較高的隔熱特性，而且比多層紙板制品或包含泡塑外部涂層的紙制品相比，成本顯著降低。該低密度紙板材料可以在常規(guī)的加工設(shè)備上成形為杯子和其它的隔熱容器，而機器速度損失最小，并且在成形操作中減少了形成皺折和其它不規(guī)則形狀的可能性。
本發(fā)明的關(guān)鍵特征是在造紙配料中加入可膨脹的微球，結(jié)果得到包含已膨脹微球的密度相當?shù)投穸容^厚的紙板。雖然在造紙配料中微球的存在被認為是在某些最終應(yīng)用方面對最后材料的物理特性有害，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明生產(chǎn)的材料作成的紙板可以容易成形為容器例如隔熱杯。如果不局限于理論方面的約束，可以認為，通過顯著增加材料的厚度，減小材料的密度(與常規(guī)紙板制品相比)以及同時保持相當高的內(nèi)部結(jié)合強度，可以生產(chǎn)適用的具有杯子成形操作所要求強度的特性隔熱紙板制品。


下面結(jié)合附圖詳細說明優(yōu)選實施例，從這些優(yōu)選實施例中，可以明顯看出本發(fā)明上述的方面和優(yōu)點以及其它的方面和優(yōu)點，這些附圖是圖1是曲線圖，示出裝有190°F水的杯子其壁的熱通量與時間的曲線；圖2是透視示意圖，示出按本發(fā)明制作的隔熱紙板杯；圖3是截面圖，示出按本發(fā)明制造的紙板杯的壁部分；圖4是截面圖，示出本發(fā)明杯的底部分和側(cè)壁部分之間的連接；圖5是截面圖，示出本發(fā)明杯的上沿杯壁部分。
具體實施例方式隔熱容器例如杯子廣泛地用于配送熱的和冷的飲料。涂有隔熱層的紙板幅通常形成令人滿意的隔熱特性，然而外層通常是泡塑熱塑性聚合物層，這增加了成本而且在上面很難進行印刷，波紋形的瓦楞紙板和雙壁紙板容器一般也形成相當?shù)母魺崽匦裕桥c單層的容器相比，制造起來復(fù)雜，而且成本高。直到現(xiàn)在，也很難主要用紙板來制造便宜的隔熱容器，這種紙板需要成形所需的強度，具有隔熱特性，并包含容易進行印刷的表面。
本發(fā)明提供一種其隔熱特性適合于作冷、熱飲料容器的改進的低密度紙板材料，該材料具有在杯子成形操作中成形杯子所必須的強度特性。該低密度紙板材料的成形方法是提供一種造紙配料，該造紙配料包括硬木纖維、軟木纖維或硬木和軟木的混合纖維。優(yōu)選的造紙配料包含約60～80％折干重量的硬木纖維和約20～40％折干重量的軟木纖維。
該纖維最好取自漂白的硬木和軟木牛皮紙漿。該配料還包括約0.25～10％折干重量的可膨脹微球，該微球最好處于未膨脹的狀態(tài)，該微球最好占的5～7％折干配料重量。其它的常規(guī)物質(zhì)例如淀粉、填充劑、施膠劑和增強聚合物也可以加在該造紙配料中，可以用的填充料中有有機的和無機的顏料，例如僅作為舉例，有聚合物粒子和無機物，前者例如為聚苯乙烯乳膠、聚甲基丙烯酸甲酯，后者例如為碳酸鈣、高嶺土和滑石粉。
例如在Meyer的美國專利NO.3,556,934中一般說明了包含可膨脹微球的紙的生產(chǎn)，該專利的說明已作為參考整個包含在本文中。適用的可膨脹微球包括具有大體球形含液中心的合成樹脂粒子。該樹脂粒子可以用甲基丙烯酸甲酯、鄰-氯苯乙烯、聚鄰-氯苯乙烯、聚乙烯芐基氯、丙烯腈、亞乙烯基二氯、對-叔丁基苯乙烯、乙酸乙烯酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯甲基丙烯酸、乙烯基芐基氯以及兩種或多種上述化合物的混合物制造。優(yōu)選的樹脂粒子包括含有約65～90％重量的亞乙烯基二氯，最好包含約65～75％重量的亞乙烯基二氯和包含約35％～10％重量丙烯腈的聚合物，最好包含約25～35％重量的丙烯腈。
可膨脹的微球的中心可以包括易揮發(fā)的流體起泡劑，該起泡劑最好不是聚合物樹脂的溶劑。特別優(yōu)選的起泡劑是異丁烷，該異丁烷的濃度范圍約占樹脂粒子重量的10～25％。在將造紙機的干燥單元加熱到約80～190℃的溫度時，該樹脂粒子便膨脹達到其直徑約0.5～50微米。
可以采用常規(guī)的紙漿加工方法(蒸煮、漂白精加工等)和造紙工藝用配料形成紙板幅。然而，本發(fā)明的一個特征是，包含已膨脹微球的低密度紙板幅最好采用這種方式生產(chǎn)，使其具有最小平均內(nèi)部結(jié)合強度(CD和MD內(nèi)部結(jié)合強度的平均值)以及相對于常規(guī)用來制造隔熱容器例如紙杯的常規(guī)紙板具有較低密度和較高的厚度。為達到此目的，普通技術(shù)人員可以看出，對于給定基重可以采取單獨的或結(jié)合的措施增加紙板幅的內(nèi)部結(jié)合強度。這些措施包括在配料中增加濕和/或干增強劑，例如相三聚氰胺甲醛、聚胺-環(huán)氧氯丙烷和聚酰胺-環(huán)氧氯丙烷的加入量，以及例如干增強劑的淀粉、樹膠和聚丙烯酰胺的加入量；在造紙機的加壓部分增加濕紙板幅的壓力；但不限于這些措施。除提高內(nèi)部結(jié)合強度以外增加濕壓力也可降低紙板幅中的水分，從而使紙板可以更快速地干燥，比其它方法都快。
按照本發(fā)明，最好采取措施，足以使最小平均內(nèi)部結(jié)合強度保持在至少約100×10-3英尺-磅力。這些措施至少對于涂有常規(guī)阻擋涂層重量的杯子坯料是優(yōu)選的，這種阻擋涂層已用常規(guī)方法涂在其一個或兩個表面上。然而最小內(nèi)部結(jié)合強度對于較重的阻擋涂層可以稍微減小一些，這種較重的阻擋涂層的涂層厚度約在常規(guī)的0.5～3.5密耳的中上限。例如，阻擋涂層厚度超過1.5密耳時，至少約80×10-3英尺-磅力的最小內(nèi)部結(jié)合強度被認為足以達到合格的成形性能。另外，將擠壓處理速度減小約25％便可以將需要的內(nèi)部結(jié)合強度減小到約同樣的水平。
在各種增加平均內(nèi)部結(jié)合強度的方法中，最好采用以下方法達到所要求的增加量增加紙漿配料的均勻度；增加內(nèi)部淀粉和干增強添加劑的量；在造紙時，增加濕紙板幅的濕壓力，增加到低于壓碎紙板的量；增加加在紙板表面上的淀粉量以及其它材料的量，這些材料例如通過施膠機加在該表面上。
在造紙配料中加入未膨脹狀態(tài)的可膨脹微球具有降低最后干燥紙板表觀密度的作用。然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過加入已膨脹微球減小紙板密度的方法可對紙板成形為杯子或其它容器的成形性產(chǎn)生有害影響。按照本發(fā)明，已經(jīng)確認，密度和厚度在很窄范圍內(nèi)的包含已膨脹微球以及具有上述較大內(nèi)部結(jié)合強度的低密度紙板制品提供了在各種成形操作中進行處理所需的物理特性。這種紙板與常規(guī)的杯子坯料和雙壁容器相比較，具有顯著提高的隔熱特性，并且可以用低得多的成本得到與具有泡塑外層的容器相當?shù)母魺崽匦?。例如，已?jīng)觀測到，本發(fā)明的低密度紙板其R值約為0.0752英尺2-°F-h/btu，而常規(guī)杯子坯料的R值約為0.03英尺2-°F-h/btu，而且始終表現(xiàn)出很好的成形特性、印刷質(zhì)量以及其它優(yōu)點。
因此按照本發(fā)明的一個實施例，在造紙機上干燥該包含可膨脹微球的紙板幅并進行壓光，達到約6.0～10.0磅/3MSF/密耳的表觀密度和約24～35密耳的紙板厚度。如上所述，最后得到的已膨脹微球分布在纖維中的紙板幅最好用配制的紙漿和/或配料生產(chǎn)，以便使較重涂層(即大于1.5密耳到最大3.5密耳)紙板表現(xiàn)出至少約80×10-3英尺-磅力的平均內(nèi)部結(jié)合強度，而使較輕涂層(即從0.5密耳到1.5密耳)紙板表現(xiàn)出至少約100×10-3英尺-磅力的平均內(nèi)部結(jié)合強度。包含已膨脹微球的具有其密度和厚度超過上述范圍或如果在這個范圍內(nèi)其內(nèi)部結(jié)合強度低于約80×10-3英尺-磅力的紙板幅不能認為適合用于形成商業(yè)上的隔熱杯。選擇厚度的上限來形成紙板幅，這種紙板幅可以在現(xiàn)有的制作杯子設(shè)備上形成杯，而對機器僅做小的改動或基本上不改動。
在制作杯需要的其它物理特性方面，本發(fā)明的低密度紙板幅最好具有約30磅力/英寸的抗張強度以及由Tappi標準測試方法T494確定的底襯平均CD拉伸率的約3.3％的最小值。
本發(fā)明的另一特征是，低密度紙板其粗糙度按Sheffield光滑標度至少約300，同時在軟膠版印刷操作中表現(xiàn)出相當好的印刷質(zhì)量。該紙板的可印刷特性是十分意外的，因為常規(guī)紙板例如杯子坯料通常被壓光到約20密耳的厚度，以便達到合格印刷質(zhì)量所需的一般約為125～200SU的表面光滑度(未涂層)(壓光之前的光滑度超過400SU)。
因此，在將本發(fā)明的紙板壓光到僅約24～35密耳(最好約為28～35密耳)的厚度并壓到約6.0～10.0磅/3MSF/密耳的密度(最好從約6.5～10.0磅/3MSF/密耳)時，將得到約300SU和更高(通常從約320～350SU)的Sheffied光滑度(未涂層)以及小于約6.5微米的PPS10光滑度，在此時，已觀測到除隔熱值以及用紙板制作杯的成形性優(yōu)越性外還令人意外地得到可印刷性優(yōu)點。如果不受理論的束縛則可以認為，紙板的可印刷性可歸功于其相當高的壓縮性，這種壓縮性能夠改進軟膠版印刷機上的印刷性能。
如上所述，本發(fā)明制造的紙板特別適用于制造要求高隔熱特性的杯子。這種杯子普通用一個或兩個側(cè)面上包含阻擋涂層的杯子坯料來制造。用于熱飲料例如咖啡、熱湯和其它熱食品的杯子，一般只需要在內(nèi)部表面上進行涂層，所以本發(fā)明的用于制造這些制品的坯料可以只在一個側(cè)面上涂上阻擋層，而在另一個側(cè)面上則可以印刷標記/圖案，這些標記/圖案可以直接印在該表面上。在組裝的杯子時，有涂層的一側(cè)用于形成杯子的內(nèi)部。
用于冷飲料的杯子通常用兩個側(cè)面上均有涂層的杯子坯料來制作，可以在一個涂層上進行印刷。因此，用于制造這些制品的本發(fā)明的杯子坯料可以在兩個側(cè)面上涂上阻擋涂層，沒有印刷的側(cè)面用作杯子的內(nèi)壁。裝冷飲料杯子外壁的阻擋涂層有助于防止在外表面上形成的冷凝水滲入到紙板底襯中并防止使紙板底襯強度變小。
可以用任何適當?shù)淖钃跬繉觼硗晟圃撝破?，以便成形為隔熱容器例如杯子。雖然對于很多制品可以用低密度的聚乙烯涂層，并且最好用在本發(fā)明中，但也可以應(yīng)用天然的和人造的化學(xué)體系例如淀粉的涂層以及聚乙烯醇基的涂層，以及應(yīng)用包含無機顏料或有機顏料例如粘土、碳酸鹽或乳膠的顏料涂層，只要它們能夠形成適合所希望應(yīng)用的阻擋特性或其它特性。這些涂層可以用常規(guī)方法形成，在聚乙烯的情況下，可以用擠壓成層法或?qū)雍项A(yù)成形膜的方法加在低密度的紙板表面上。涂層的厚度一般約為0.5～3.5密耳，最好約為1.5密耳，形成在容器或杯子的內(nèi)表面上，形成在外表面時約為1密耳。
按照本發(fā)明具體的和特別優(yōu)選的低密度紙板制品，低密度紙板材料包含紙板幅，該紙板幅包括已膨脹的微球，其表觀密度為7.0磅/3000英尺2/密耳，其厚度為28密耳，其Sheffield光滑度至少約為300SU，其PPS10光滑度約為6.5微米或更小，其抗張強度(橫方向)約為30磅力/英寸，而其內(nèi)部結(jié)合強度(橫方向)約為90×10-3英尺/磅力/密耳。這種紙板的基重約為200磅/3000英尺2，而其微球占紙板折干重量的5％～6％。低密度的聚乙烯被擠壓成層在紙板幅的一個或兩個側(cè)面上，厚度約1.5密耳，所得到的低密度紙板材料可以成形為杯子，而不會出現(xiàn)大問題，其R值約為0.07英尺2-°F-h/btu。
還應(yīng)當看出，可以應(yīng)用本發(fā)明的低密度紙板來制造各種可能的制品包括盛溫飲料、熱飲料或冷飲料的需要進行隔熱的或至少需要短期阻擋特性的杯子或其它紙板容器，但不限于這些范圍。另外，在用于制造杯子(主要應(yīng)用方面)時，底部分通常是一個平的分開的片，可以用本發(fā)明的低密度隔熱板制作，或不用這種板制作，這主要取決于經(jīng)濟效益或其它因素。
另外，在制作杯子時，實際上商業(yè)中一些常規(guī)的組裝機設(shè)計用來只配合使用厚度范圍很窄的紙板。因為本發(fā)明的紙板比標準杯子坯料厚(對于一定的基重)，所以較厚的紙板可能造成需要新的或改型工具的制造問題。在這些方面應(yīng)用本發(fā)明是有利的，方法是將紙板的一部分(一般在已經(jīng)切成坯料以后)暴露在相當高的壓力(約200磅/英寸2或更大)下，這種壓力將永久地壓縮紙板的這部分，使其可以應(yīng)用常規(guī)裝置制造杯子。
一個例子是盒子或杯子的側(cè)面結(jié)合部。在一定的基重下，本發(fā)明的隔熱紙板具有比標準紙板大得多的厚度，因此對于某些常規(guī)成形的操作將形成太厚的側(cè)面結(jié)合縫。通過將高壓作用在坯料或形成的紙板的側(cè)面結(jié)合部分可以將其厚度減小到或接近常規(guī)紙板厚度的水平(一般約20密耳)。在這種技術(shù)中，這種加工步驟一般稱為“壓接”，可以看作為已精加工低密度地板紙板(即已經(jīng)具有涂層的紙板)的預(yù)處理步驟，以便可以用該紙板成形為具有一個或多個重疊結(jié)合部的杯子或其它紙板容器。
在用于形成杯子邊緣或筒形容器邊緣的坯料部分上可以進行同樣類型的卷邊操作，以減小最后的杯子邊緣的厚度，這樣做的優(yōu)點是提高了外觀的美觀性，使其具有較小的直徑，或可以利用現(xiàn)有的杯蓋蓋在用隔熱紙板作的杯子上或筒形容器上。杯沿由盒子的邊緣構(gòu)成，該邊緣卷曲成為一個圓筒。這通常是使紙板卷曲360度。
還應(yīng)該注意到，最小杯沿圓筒的直徑通常隨板的厚度變化。因此對于常規(guī)的杯子制造工藝，該杯子邊緣直徑(用坯料卷曲部分形成的圓筒形直徑，該卷曲部分形成環(huán)繞頂部的邊緣并形成頂部杯沿)通常是7倍于紙板的厚度。如果杯沿的頂部分被卷曲以便減小厚度，則杯沿圓筒的直徑也可以減小。形成杯沿的坯料的部分可以被卷曲而減小其整個直徑，或可以用一系列的有助于形變的平行區(qū)域進行卷曲。
在側(cè)面結(jié)合部已經(jīng)被加工減小其整個厚度之后，可以應(yīng)用同樣的卷邊技術(shù)來形成側(cè)面結(jié)合部。
通過以下的非限制性舉例可以看出本發(fā)明的其它方面、優(yōu)點和特征。在這些例子中可以應(yīng)用具有LDPE涂層的紙板在制杯機上來形成杯子的側(cè)壁坯料，該杯子具有側(cè)壁結(jié)合部分。在表中基重是紙板本身的沒有聚乙烯涂層的重量，該涂層一般在例如用LDPE材料被擠壓成層在紙板的一個表面上，厚度為約1.5密耳時，紙板總重量增加約5～20％的附加重量。
例子1在以下例子中，制作包含微球的低密度紙板樣品，然后與“對照”樣品進行比較，該“對照”樣品不包含微球。用在配料中的可膨脹微球可以從Georgia的Dulutu市的Expancel，Inc公司買到，其商品名為EXPANCEL，該樣品的目標厚度為19密耳，以模擬常規(guī)的杯子坯料厚度。在制造紙板以后，將使紙板脫機送到擠壓機上，用低密度聚乙烯(LDPE)擠壓形成涂層，其消耗量為14磅/3MSF，在一個側(cè)面上形成厚度約1密耳的阻擋涂層。所有除樣品D以外的樣品包含聚乙烯涂層。樣品D強度小，太脆，不能用聚乙烯擠壓形成涂層。在商業(yè)制杯機上將聚乙烯涂層樣品形成為16盎司的杯子。通過測量人能夠握住其中充滿溫度為190°F熱水的杯子的時間確定杯子的隔熱性，該低密度紙板樣品的特性示于表1。
表1

表注1干增強添加劑是陰離子型聚丙烯酰胺，可以從德國的Leverkusen市的BAYER公司買到，其商品名為ACCOSTHENGTH。
在上述樣品中，樣品G具有特別好的隔熱特性。人可以握住樣品G的杯子的平均時間是29秒，而對照樣品是11秒。雖然樣品G具有極好的隔熱特性，但是紙板的基重低，導(dǎo)致勁度低，因此用這種紙板做的杯子其剛性較差。剛性是杯子的一個基本屬性，因此提高杯子坯料的勁度是需要的?？梢栽跀D壓線上加工密度為6.6磅力/3MSF/密耳的其平均內(nèi)部結(jié)合強度為91×10-3英尺-磅力的樣品M，并將其成形為杯子。其紙板的勁度比樣品G的勁度稍有提高。樣品M的隔熱特性比對照樣品好，后者的密度為10.3磅/3MSF/密耳。
樣品M的內(nèi)部結(jié)合強度稍低于至少約100×10-3磅/3MSF/密耳的優(yōu)選內(nèi)部結(jié)合強度，但仍可以被成形為杯子。然而如上所述，當降低擠壓速度和/或增加阻擋涂層的重量時，稍低的內(nèi)部結(jié)合強度可認為是合格的。
樣品D的密度對于紙板幅的處理加工太低。樣品D的密度為2.3磅/3MSF/密耳，其平均內(nèi)部結(jié)合強度為49×10-3英尺-磅力，該結(jié)合強度已發(fā)現(xiàn)對于紙板幅太低，而不能在擠壓成層機上加工或不能進行紙杯成形操作。
低密度紙板的表觀熱導(dǎo)率用絕熱熱流的方法(ASTM C177)測量。測量結(jié)果表明在較高熱導(dǎo)率(即具有較低隔熱性能)的較高密度紙板的密度和熱導(dǎo)率之間大體成線形關(guān)系。用這些數(shù)據(jù)做圖，可以確定受試紙板的熱導(dǎo)率和密度之間的關(guān)系，該關(guān)系可以用以下公式表示熱導(dǎo)率(英尺2-°F-h/btu)＝0.494×密度(磅/3MSF/密耳)+0.313(英尺2-°F-h/btu)例子2在下面的例子中，用包含可膨脹微球的配料制造兩種不同低密度的紙板坯料，該坯料的密度在約6～10磅/3MSF/密耳的范圍內(nèi)。然后將該紙板坯料成形為16盎司的杯子。該紙板坯料的物理特性示于表2。在表2中所有樣品用擠壓生產(chǎn)線涂上低密度的聚乙烯，并在水性的軟膠版印刷機上進行印刷，該涂層涂在紙板的一個側(cè)面上，而在另一個側(cè)面上進行印刷。
將名為樣品19的涂層紙板在具有現(xiàn)有加工機具的工業(yè)機上形成為杯子。將名為樣品32的紙板在工業(yè)制杯機上用標準機具形成杯子。用標準機具形成的杯子杯沿僅僅是局部形成，改變機具可以改善形成的杯子。
表2

在上述例子中，樣品32具有特別好的隔熱特性。人能夠握住樣品32做的紙杯的平均時間是37秒，而對照樣品為11秒。另外，如表中所示，樣品32紙板的相當高的勁度造成合適的與標準紙板相當?shù)膭傂?。該樣?2的勁度顯著大于例子1中任何樣品的勁度。
用紙板杯坯料做的杯子的隔熱特性可以通過測量包含熱液體杯子的側(cè)壁溫度確定。包含熱流體杯的側(cè)壁溫度的最大值通常對于隔熱杯是特有的。通過皮膚組織用于熱杯側(cè)壁一段時間可以確定感覺感知的熱量，該皮膚組織的溫度隨杯子中散出的熱流和皮膚組織中內(nèi)部熱的耗散變化。達到皮膚組織的熱流是若干因素聯(lián)合作用的結(jié)果，這些因素包括紙板的熱特性、液體的溫度以及在皮膚組織和杯子外壁之間的接觸阻力。杯子的剛性以及表面粗糙度(即紋理)也被認為影響熱量的感覺感知，因為這影響杯子側(cè)壁和皮膚組織之間的有效接觸面積。
圖1是曲線圖，示出裝有190°F水的杯子通過杯壁的熱通量隨時間的變化。圖1示出的數(shù)據(jù)是通過將壓力作用在熱流傳感器上進行收集的。在圖中，曲線A是用樣品32(表2)制作的杯子，曲線B是按照Iioka提出的美國專利NO.4,435,344制作的包含外部隔熱層的杯子，而曲線C是常規(guī)的雙壁杯，對照樣品的曲線是常規(guī)的單壁非隔熱杯。
可以認為，圖1的數(shù)據(jù)代表杯子在正常握持壓力下被保持時相當準確的熱流測量結(jié)果。在被感覺過熱的時間點結(jié)束數(shù)據(jù)的收集。
如圖1的曲線所示，用樣品32(曲線A)制作的杯子具有相當?shù)母魺崽匦?，相當于按照Iioka提出的美國專利NO.4435344制作的杯子(曲線B)。在這一方面應(yīng)當注意到，曲線B是用杯子的外壁上涂有隨后可發(fā)泡的熱塑性樹脂的杯子得到的。然而，曲線B的杯子需要額外的投資成本設(shè)備，并且熱塑性涂層對印刷質(zhì)量和杯子的手感產(chǎn)生負面作用。相反，用樣品32的紙板坯料做的杯子沒有任何外部熱塑性涂層(僅在內(nèi)表面上有涂層)，而且外觀和手感類似于常規(guī)紙杯的外觀和手感。樣品32的杯子還具有比曲線C的常規(guī)雙壁杯更好的隔熱特性。
例子3在下面的例子中，用包含可膨脹微球的配料制作8個低密度紙板坯料，該坯料的密度在約6～10磅/3MSF/密耳之間。然后將由此得到的紙板坯料成形為16盎司的杯子。該紙板坯料的物理特性示于圖3。所有表3中的樣品在擠壓線上涂上低密度的聚乙烯，并在軟膠版曲面印刷機上進行印刷。該涂層加在紙板的一個側(cè)面上，厚度約為1.5密耳，并在紙板的另一側(cè)面上直接進行印刷。
樣品P1和P2在試驗造紙機上制造，并在試驗擠壓機上進行擠壓形成涂層，而樣品C1～C5用商業(yè)造紙機制造。在兩種情況下，用造紙配料來生產(chǎn)這些樣品，這些配料包含硬木紙漿和軟木紙漿的混合物、濕端化學(xué)劑例如淀粉和干增強添加劑以及適當量的可膨脹微球，以獲得一定范圍的紙板密度。在各種情況下，可以改變勻漿能量以及濕端化學(xué)添加劑的量以達到一定范圍的內(nèi)部結(jié)合強度。在擠壓成層聚乙烯和成形為杯子以后，觀測和評定MD翹曲或皺折程度的級別，這種級別是評定涂層紙板成形可能性的一種度量。作為商品，具有嚴重程度翹曲的樣品是不合適的。
表3

樣品P1和C1示出內(nèi)部結(jié)合強度低于80×10-3磅/3MSF/密耳最小值的條件。對于這些條件，樣品顯示出嚴重的MD翹曲，表示這些樣品不適合做商品。樣品P2顯示出，其紙板密度顯著低于用來制造紙杯的正常紙板的密度，但是因為它具有較高的內(nèi)部結(jié)合強度，所以該制品沒有出現(xiàn)MD翹曲。樣品C2顯示出具有嚴重的翹曲，因為它的內(nèi)部結(jié)合強度為81×10-3磅/3MSF/密耳，該結(jié)合強度位于內(nèi)部結(jié)合強度優(yōu)選范圍的下限。樣品C2、C3、C4和C5例示出優(yōu)選的密度值和內(nèi)部結(jié)合強度。
樣品P1和C1示出聚乙烯的厚度約為1.5密耳和內(nèi)部結(jié)合強度低于最小的80×10-3磅/3MSF/密耳的條件。對于這些條件，樣品顯示嚴重的MD翹曲，這表示它們不適合用作商品。樣品P2例示出紙板密度顯著低于用于生產(chǎn)紙杯的正常紙板密度的情況，但是因為它具有較高的內(nèi)部結(jié)合強度，所以該制品沒有出現(xiàn)MD翹曲。樣品C2顯示出一定程度的翹曲，因為它的內(nèi)部結(jié)合強度為81×10-3磅/3MSF/密耳，位于內(nèi)部結(jié)合強度優(yōu)選范圍的下限。樣品C3、C4和C5顯示優(yōu)選的密度值和內(nèi)部結(jié)合強度。樣品C6例示出如何將聚乙烯涂層重量增加約20％一級來補償較低的內(nèi)部結(jié)合強度。
上述例子證明，表觀密度在約6～10磅/3MSF/密耳，厚度在約24～35密耳以及至少高于約80英尺-磅力的相當高內(nèi)部結(jié)合強度時，該低密度紙板的物理特性可適合于將杯子坯料加工形成隔熱杯。
杯子一般用50個嵌套成一組進行運輸。為了防止杯子卡在該嵌套中，杯子一般設(shè)計成一個杯子的外底部邊緣可以放在這一杯子下面的一個杯子的內(nèi)部底部上。這種要求以及對杯子內(nèi)部體積的要求和杯子美觀性要求對允許的紙板厚度提出了額外的限制。例如用于制作16盎司杯子的坯料的厚度最好不超過約35密耳。因此，對于16盎司杯子的厚度上限最好約32密耳。
在紙板幅的成形制造工藝中，包含可膨脹微球的紙板幅最好被壓成更致密的程度，該致密的程度比不包含微球的紙板幅更致密。
一旦紙板幅被壓出并被干燥，便將紙板幅壓成一個厚度，該厚度使要求的密度和紙板厚度位于本發(fā)明低密度紙板幅的上述的范圍內(nèi)。壓光機可以是常規(guī)的多輥壓光機，但最好是加熱延伸輥隙壓光機、長輥隙壓光機，或者鞋形輥隙壓光機，該鞋形輥隙壓光機由于加長了停留時間和減少壓力而可提高微光滑度。因此，壓光機可以包括一個或多個延時壓送輥，該輥的停留時間約2～10微秒，其峰值壓送壓力小于約1200磅/英寸2。
參考圖2～5，圖中示出用本發(fā)明低密度隔熱紙板材料制作的一個實施例杯10，該杯的形狀為倒立的切頭圓錐形。該杯子10包括大體圓筒形的壁部分12，該壁部分具有垂直的疊置結(jié)合部14，該結(jié)合部將構(gòu)成壁部分12的紙板幅的端部邊緣16和18結(jié)合起來。該端部邊緣16和18可以用常規(guī)的方法例如用涂在該邊緣部分的粘接劑、熔接熱塑性涂層或這種技術(shù)中已知的其它裝置彼此粘接在一起。該杯子10還包括圓形的卷邊邊緣20和分開的大體為圓形的底部分22，該底部分沿其外周粘接和封裝在壁部分12上。下面說明的圖4例示出將底部分22固定在壁部分12上的方法，而圖5示出本發(fā)明杯子的卷邊邊緣20。
如圖3所示，杯子10的壁部分12用本發(fā)明的低密度隔熱紙板材料制成，該紙板材料包含已經(jīng)分散在紙板纖維基體中的已膨脹微球24。該微球24最好是大致空心的，使杯子10的壁部分12和底部分22形成隔熱特性。然而底部分可以是常規(guī)的具有涂層的紙板材料，以便降低制品的成本，因為使用人通常不會用手拿住底部，所以該底部分的溫度一般不會成為問題。
因為用于形成杯子10壁部分12和底部分22的紙板材料的厚度增加，所以需要改變成形設(shè)備和/或紙板本身，以便在將杯部分組裝在一起時實現(xiàn)所需的折疊和卷邊。為了有助于成形/組裝杯子，上面已經(jīng)說明改變紙板一部分厚度(即“壓接”)的預(yù)處理措施。
如圖4所示，壁部分12的底端26沿折疊線28折疊，形成大體V形槽30。底部分的端部32沿折疊線34折疊，形成可以裝在槽30中的大體直角折頁36(這種成形可以在預(yù)處理步驟中進行折曲)，該折頁可以密封在槽30中，密封方式類似于上述結(jié)合部14的密封。
壁部分12的圓形頂部38(該頂端部可以在預(yù)處理步驟中折曲)最好被卷邊，如圖5所示，形成圓形卷邊邊緣20。形成卷邊邊緣20所需要的機具也需要改變，因為用來制造壁部分12的紙板材料的厚度增加，特別是如果用來形成邊緣20的頂端區(qū)域33沒有在預(yù)處理步驟中折曲或壓縮，則更須這樣。卷邊的邊緣20對于杯子的上部起增強作用，以便使裝液體的杯子大體上保持開放，限制滴流，并形成更舒適的飲用邊緣。
還應(yīng)該認識到，杯子的內(nèi)部和選擇性的外部可以包含常規(guī)的阻擋涂層，以減小杯子的多孔性，使得液體不會滲透到壁部分12和底部分22的紙板底襯中。該涂層可以是一層或多層常規(guī)用于這種目的的聚合物材料例如聚乙烯(最好是低密度的)、EVOH、聚對苯二甲酸乙二酯等。
上面本發(fā)明某些例示性的實施例的說明只是一種例示，應(yīng)當明白，在所示的實施例中可以進行各種改變和變型，而不超出本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于制造例如紙杯的紙板容器的紙板材料，該材料包括紙板幅，該紙板幅包括木質(zhì)纖維和已分散在該纖維中的已膨脹微球，其表觀密度為約6.0～10磅/3MSF/密耳，其厚度約為24～35密耳，而其內(nèi)部結(jié)合強度至少約為80×10-3英尺-磅力。
2.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，該紙板幅的密度至少約為6.5磅/3MSF/密耳，該紙板幅的厚度至少約為28密耳。
3.如權(quán)利要求2所述的紙板材料，其特征在于，該紙板幅的平均結(jié)合強度至少約為100×10-3英尺-磅力。
4.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，該紙板幅的內(nèi)部結(jié)合強度至少約為100×10-3英尺-磅力。
5.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，該紙板幅的內(nèi)部平均結(jié)合強度至少約為80×10-3英尺-磅力。
6.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，在紙板幅的至少一個表面上包含阻擋涂層。
7.如權(quán)利要求6所述的紙板材料，其特征在于，該阻擋層僅存在于紙板幅的只用作杯子內(nèi)部的表面上。
8.如權(quán)利要求6所述的紙板材料，其特征在于，該阻擋涂層的平均厚度約為0.5～3.5密耳。
9.如權(quán)利要求6所述的紙板材料，其特征在于，該阻擋層包括涂層材料，該材料選自一組材料，這組材料包括聚乙烯、EVOH和聚對苯二甲酸乙二酯，該涂層的平均厚度約為0.5～3.5密耳。
10.如權(quán)利要求6所述的紙板材料，其特征在于，該阻擋涂層包含平均厚度約為1～3密耳的低密度聚乙烯。
11.如權(quán)利要求6所述的紙板材料，其特征在于，該阻擋涂層存在于紙板幅的兩個表面上。
12.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，該紙板幅的Sheffield光滑度至少約為300SU。
13.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，該紙板幅具有Sheffield光滑度至少約300SU的表面，該紙板材料包括直接印在該表面上的印刷內(nèi)容。
14.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，該紙板幅具有Sheffield光滑度至少約為300SU而PPS10光滑度約為6.5微米或更小的表面，在該表面上印有印刷內(nèi)容。
15.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，紙板幅中的纖維素纖維包括約20～40％折干重量的軟木纖維和約60～80％折干重量的硬木纖維。
16.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，在紙板幅中的已膨脹的微球包含合成的聚合物微球，該微球占紙板幅折干總重量的約0.25～10％。
17.如權(quán)利要求1所述的紙板材料，其特征在于，在該紙板幅中已膨脹的微球包含合成的聚合物微球，該微球占紙板幅折干總重量的約5～7％。
18.一種用來制造例如杯子的隔熱容器的紙板材料，該紙板材料包括紙板幅，該紙板幅包括木質(zhì)纖維和占紙板幅折干總重量的5～10％的已分散到該纖維中的已膨脹合成聚合物微球，該紙板幅的表觀密度約為6.0～10磅/3MSF/密耳，其厚度約為24～35密耳，其平均內(nèi)部結(jié)合強度至少約為80×10-3英尺-磅力，Sheffield光滑度約為300SU或更大，在紙板幅的至少一個表面上具有厚度約為0.5～3.5密耳的阻擋涂層。
19.如權(quán)利要求16所述的紙板材料，其特征在于，還包括直接印刷在至少一個紙板幅表面上的印刷內(nèi)容。
20.一種組裝的紙容器，該容器包括側(cè)壁和與該側(cè)壁密封連接在一起的底部，其中該側(cè)壁由紙板材料形成，該紙板材料包括紙板幅，該紙板幅包括木質(zhì)纖維和占紙板幅折干總重量約5～10％的分散在該纖維中的已膨脹合成聚合物微球，該紙板幅的表觀密度約為6～10磅/3MSF/密耳，其厚度約為24～35密耳，其平均內(nèi)部結(jié)合強度至少約為80×10-3英尺-磅力，Sheffield光滑度約為300SU或更大，在紙板幅的至少一個表面上具有厚度約為0.5～3.5密耳的阻擋涂層。
21.一種組裝的紙杯，該紙杯包括側(cè)壁和與該側(cè)壁密封連接在一起的底部，其中該側(cè)壁由紙板材料形成，該紙板材料包括紙板幅，該紙板幅包括木質(zhì)纖維和占紙板幅折干總重量約5～10％的分散在該纖維中的已膨脹合成聚合物微球，該紙板幅的表觀密度約為6～10磅/3MSF/密耳，其厚度約為24～35密耳，其平均內(nèi)部結(jié)合強度至少約為80×10-3英尺-磅力，Sheffield光滑度約為300SU或更大，在紙板幅的至少一個表面上具有厚度約為0.5～3.5密耳的阻擋涂層。
22.一種制造低密度紙板材料的方法，該紙板材料適合于用來制造例如紙杯的隔熱容器，該方法包括以下步驟配制造紙配料，該配料包括纖維素纖維和約占0.25～10％折干重量的可膨脹微球；用該造紙配料形成紙板幅；干燥該紙板幅；然后將該紙板幅壓光到約24～35密耳的厚度以及約200～220磅/3MSF的密度。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該紙板的密度至少約為6.5磅/3MSF/密耳，該紙板的厚度至少約28密耳。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，該紙板的內(nèi)部結(jié)合強度至少約為100×10-3英尺-磅力。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該紙板的內(nèi)部結(jié)合強度至少約為100×10-3英尺-磅力。
26.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該紙板的內(nèi)部結(jié)合強度至少約為80×10-3英尺-磅力。
27.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，還包括在壓光紙板幅的至少一個表面上形成阻擋層的步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，該阻擋層僅存在于紙板幅的用作容器內(nèi)部的表面上。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，該阻擋層的平均厚度約為0.5～3.5密耳。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，該阻擋層包括涂層材料，該材料選自一組材料，該組材料包括聚乙烯、EVOH和聚對苯二甲酸乙二酯，該阻擋涂層的平均厚度約為0.5～3.5密耳。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，該阻擋層包括其平均厚度約1～3密耳的低密度聚乙烯。
32.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，該阻擋層存在于該紙板幅的兩個表面上。
33.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該紙板幅的Sheffield光滑度至少約為300SU。
34.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該紙板幅被壓光，使其Sheffield光滑度至少約為300SU，該方法還包括直接在該表面上進行印刷的步驟。
35.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，還包括在形成為容器外部的紙板幅的表面上進行印刷的步驟，其中印有印刷內(nèi)容的表面其Sheffield光滑度至少約為300SU，其PPS10光滑度至少約為6.5微米或更小。
36.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該配料包括約5～7％折干重量的可膨脹微球。
37.一種用隔熱紙板制造杯子的方法，該杯子具有側(cè)壁和底部分，該方法包括以下步驟提供紙板材料，該紙板材料包括紙板幅，該紙板幅包括約0.25～10％折干重量的已膨脹聚合物微球、約24～35密耳的厚度、約6.5～10磅/3MSF/密耳的表觀密度、至少約80×10-3英尺-磅力的內(nèi)部結(jié)合強度、至少約300SU的Sheffield光滑度以及在該紙板幅的至少一個表面上的其厚度約0.5～3.5密耳的阻擋涂層；用該紙板幅至少形成杯子的側(cè)壁，該紙板幅的一個表面包括面向杯子內(nèi)部阻擋涂層，而該紙板幅的另一個表面面向杯子的外部；將上述側(cè)壁和底部密封連接在一起。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，該紙板幅在面向杯子內(nèi)部和外部的兩個表面上具有阻擋涂層。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，該紙板幅在面向杯子外部的表面阻擋涂層上具有印刷內(nèi)容。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，該紙板幅僅在面向杯子內(nèi)部的表面上具有阻擋涂層，而該紙板幅在其面向杯子外部的表面上具有印刷內(nèi)容。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低密度紙板材料和一種用于制造隔熱容器的相關(guān)方法，本發(fā)明特別適合制造杯子。該紙板材料包括紙板幅，該紙板幅包括木質(zhì)纖維和已膨脹的微球，具有相當?shù)偷募s6～10磅/3MSF/密耳的密度、相當大的約24～35密耳的厚度和至少約為80×10
文檔編號A47J41/00GK1419494SQ01807242
公開日2003年5月21日 申請日期2001年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月26日
發(fā)明者K·K·莫漢, A·A·庫庫拉斯, P·M·弗羅爾斯, D·V·雷德 申請人:國際紙業(yè)公司