用于制造熱密封型屏障紙的方法與流程

文檔序號：12509983閱讀：232來源：國知局

本發(fā)明涉及包裝紙領域。

背景技術(shù)：

塑料膜被廣泛地用在柔性包裝中，因為它們具有對于易腐產(chǎn)品或者具有有限的保質(zhì)期的產(chǎn)品的適當保存所必需的水蒸汽屏障性能。

紙是由纖維、通常是纖維素纖維制成的材料，因此是具有植物來源的材料。它們是天然多孔的且可透過氣體，因此本身不能夠用于該應用。

然而，已知將紙與其他材料(塑料、鋁等)結(jié)合以獲得包裝各種產(chǎn)品、尤其是易腐食物所必需的屏障。在這種情況下，紙基底經(jīng)歷轉(zhuǎn)化操作，該轉(zhuǎn)化操作包括例如由分散形式的聚合物制成的覆蓋層的涂布、熔融聚合物的擠壓涂布或者與塑料膜或者鋁膜的層壓。該具有屏障性能的紙基復合材料的成本變得昂貴。

文獻US 2 653 870 A描述了一種用于制造包裝紙的方法。

在申請WO 2011/056130中描述了由在線制造的屏障紙制成的包裝。在線制造理解成指在單個生產(chǎn)工具上的制造，該單個生產(chǎn)工具包括生產(chǎn)紙所需的全部元件。

然而，提出的屏障水平受限于不是非常嚴格的測量條件(溫帶的，即25℃、75％相對濕度)。該屏障水平通過水蒸汽滲透率來測量，弱屏障預示高的水蒸汽滲透率。在文獻中已知“熱帶”條件(即38℃、90％相對濕度)比低溫條件更為苛刻，因此在溫帶條件下測量的屏障弱得多。

表述“屏障紙”應被理解為指包含覆蓋有一個層或多個層的纖維基底的無孔紙，該無孔紙對水蒸汽是充分密封的，以阻擋該水蒸汽以能夠不利地影響在包裝內(nèi)包含的產(chǎn)品的保存或者產(chǎn)品的完整性的量滲透到包裝中。

本發(fā)明的目的特別地但不是唯一地在于水蒸汽屏障紙，其具有根據(jù)ASTM F1249標準在所謂的38℃和90％相對濕度的熱帶條件下測量的至多150g/m²/24h、優(yōu)選地小于100g/m²/24h的水蒸汽滲透率。

有利地，屏障紙也是可熱密封的，以允許通過將該紙與其自身密封而形成包裝。

可熱密封的紙的制造涉及例如將熱密封聚合物的覆蓋層放置在纖維素基底上。這種覆蓋層當未干時具有極強的粘著性，因而在將紙在自身上卷繞之前必須能夠被完全干燥，以避免卷筒的各匝之間彼此粘連。

該覆蓋層的應用通常在一個或多個轉(zhuǎn)化步驟期間離線進行，這使得能夠具有良好的涂布質(zhì)量、受益于在能夠使得覆蓋層不會過多地滲透到纖維載體中的涂布時的環(huán)境溫度下的紙、并且能夠使卷筒寬度在烘箱中的通過時間適應于例如大約200m/min的速率，使得暴露于這些加熱裝置的時間足以使熱密封覆蓋層完全徹底地干燥。

文獻US 2004/121079 A1、WO 2010/052571 A2、US 2014/113080 A1和WO 2009/112255 A1公開了被離線處理的紙。

在現(xiàn)有技術(shù)中，提供對水蒸汽的屏障且可選地熱密封型的紙通常在轉(zhuǎn)化操作期間進行制造，且通常當干燥時具有10g/m²至30g/m²的覆蓋層，該覆蓋層使用各種涂布裝置(氣刀、反向凹印、Meyer桿或棒或者任何其它的涂布方法)、或者通過使用幕簾涂布而施加一個厚層而沉積成一種或多種厚度。

為了使紙具有水蒸汽屏障性能和熱密封性能的紙的離線轉(zhuǎn)化因此在紙的制造中是一個額外的步驟，其顯著地增加了成本且限制了紙在支持塑料膜包裝的柔性包裝中的發(fā)展。因此，存在對于改進水蒸汽屏障型和熱密封型紙的制造的生產(chǎn)力的經(jīng)濟需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及在在線制造期間被賦予水蒸汽屏障性能和熱密封性能的紙的發(fā)展。該屏障型和熱密封型紙可被用于通過將該紙與其自身密封來制造包裝。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的目的在于滿足該需求且通過一種用于制造可熱密封的水蒸汽屏障紙的方法來實現(xiàn)該需求，其中，包括至少一種熱塑性成膜聚合物的至少一個覆蓋層在造紙機上在線施加且施加至纖維基底。

本發(fā)明使得能夠獲得良好的水蒸汽屏障水平，即使當干燥時覆蓋層的重量不超過10g/m²，尤其嚴格地小于10g/m²。

本發(fā)明的這個方面基于以下觀測：盡管通過工業(yè)造紙機所施加的例如大約400m/min的紙的相對高的運行速度，在線涂布用于形成熱密封覆蓋層的組合物也是可以的，條件是使用足夠的干燥能力以在卷繞操作之前干燥所述層。特別地，相對低重量的覆蓋層可促進在線干燥，同時提供足夠的屏障性能。

因此，本發(fā)明能夠利用在線工藝通過去除與離線處理相關的處理操作以及減少廢棄物的量來增加生產(chǎn)力。

此外，與在線還是離線施加熱密封層的方式無關，面對的問題是促進施加到纖維基底上的熱密封層、更一般地任何覆蓋層(熱密封的或者不是熱密封的)的沉積。

通常期望的是覆蓋層不太深地滲透到纖維基底中，以便當該覆蓋層是基于聚合物的時候而減少施加到紙上的量。另外，覆蓋層的較少滲透使得能夠更容易地形成屏障膜。

使用揚克烘缸(Yankee cylinder)是用于降低表面孔隙度的第一方案。

第二選項是在紙的任何處理之前使用壓延機。

另一選項是為預涂層的存在做好準備以降低紙的孔隙度。然而，該預涂層可以是不存在的，覆蓋層可被直接地施加到纖維基底上或者在施加孔填充層之后施加到纖維基底上。

另一選項是將以上選項中的一者或另一者進行組合。

在預涂層的配制中，可利用某些疏水的且高度成膜的膠乳。

然而，預涂層的疏水性質(zhì)于是會在施加覆蓋層期間造成可濕性的問題，當覆蓋層是水性時，這導致預先涂布的纖維基底未被覆蓋層完全均勻地覆蓋，尤其在具有紙張的高的速度的在線工藝的情況下。另外，預涂層的表面能在遵守眾所周知的可濕性規(guī)則時，必須與覆蓋層的表面能充分不同，以降低濕潤缺陷的風險。

因此，仍存在對令人滿意地應對覆蓋層的適用性的問題的需求。

在這種情況下，預涂層的存在以及在該預涂層中形狀因數(shù)為大于15的片狀填料和較細的、尤其是非片狀的粒狀填料的存在，使得能夠獲得相對高的屏障水平，而與粘結(jié)劑的疏水性質(zhì)或非疏水性質(zhì)無關，按重量計80％的該粒狀填料的顆粒的尺寸小于2μm(根據(jù)ISO 13317-3 SediGraph方法測量)。

已知片狀填料由于其提供的曲折性而有助于提高屏障效應，如例如由文獻Imerys Technical Guide,Pigments for Paper(2008年5月)所教導的。根據(jù)本發(fā)明的該方面，至少一種較細的、尤其是非片狀的粒狀填料的存在提高了這種效應。一種推測性解釋是該填料由于在片狀顆粒之間滑動而阻擋了水分子的運動，甚至尤其在片狀顆粒周圍的水分子的運動。文獻WO 2009/117040 A1公開了片狀的粘土填料。

由于屏障效應與在預涂層中存在的填料的特殊選擇相關，關于所使用的粘結(jié)劑的性質(zhì)則存在更大的自由。

因此，可以特別使用不具有特殊的屏障性能的任何造紙粘結(jié)劑，其使得能夠獲得對于預涂層的低的水蒸汽滲透率以及對于覆蓋層的良好可濕性的雙重優(yōu)勢。

本發(fā)明使得能夠利用預涂層而具有增強的屏障效應，該預涂層允許減少待施加的覆蓋層的量，或者對于等量的覆蓋層，該預涂層能夠進一步增強紙的屏障水平，其對于必須對于水蒸汽是密封的紙可證實是有用的。由于預涂布的紙的更大的屏障能力，故所需的覆蓋層的量的減少促進該覆蓋層的干燥并且可在在線制造紙期間更易于涂布該覆蓋層。

本發(fā)明的紙優(yōu)選地在造紙機上由纖維基底生產(chǎn)，該纖維基底由纖維素纖維和可選的合成纖維構(gòu)成。

纖維素纖維通常是短纖維和長纖維的混合物。

可添加添加劑，諸如施膠劑、濕強劑、助留劑或者止泡劑。

此外，該紙還可包含造紙?zhí)盍?，諸如二氧化鈦、高嶺土、碳酸鈣和滑石。

該紙優(yōu)選地是包裝紙。

本發(fā)明的另一主題為通過根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的紙。

本發(fā)明的另一主題為包裝方法，其中，在VFFS(立式形式，填充和密封)類型的立式包裝機上，沿著每袋330mm的縱向密封線，尤其在大于或等于每分鐘40個袋的生產(chǎn)速率下，通過將根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的紙與其自身熱密封來包裝物品。

預涂層

當預涂層存在時，預涂層可與覆蓋層相同或者為如下文限定的顏料層。

預涂層優(yōu)選地由至少一種膠乳和有時也被稱作“顏料”的填料的混合物組成。

文獻US 4 018 647 A描述了乳膠的例子。

根據(jù)本發(fā)明的膠乳優(yōu)選地具有根據(jù)ASTM E1356標準測量的低于25℃、更優(yōu)選地低于10℃的Tg(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)。該膠乳可選自具有下面化學性質(zhì)的膠乳：苯乙烯-丁二烯、苯乙烯-丙烯酸類、丙烯酸類、丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯腈等，并且更特別地選自苯乙烯-丁二烯乳液。

相對于干的填料(100份)，干的膠乳的量為優(yōu)選地至少15份、優(yōu)選地每100份的填料至少或者甚至多于25份、更好地為30份。

填料優(yōu)選地包含片狀填料，且優(yōu)選地由片狀填料和較細的填料、特別是非片狀的填料的混合物構(gòu)成。

片狀填料為薄片形式的顆粒，其形狀因數(shù)(最大長度和厚度的比值)大于或等于15、更優(yōu)選地至少40、且還更優(yōu)選地至少60。

特別地，預涂層可包含至少一種形狀因數(shù)為至少15的片狀填料，且優(yōu)選地包含形狀因數(shù)為至少15的片狀填料和較細的、尤其是非片狀的填料的混合物，按重量計80％的該較細的、尤其是非片狀的填料的顆粒尺寸小于或等于2μm(根據(jù)ISO 13317-3 SediGraph方法測量)。

為了具有片狀填料和較細填料(按重量計80％的該較細填料的顆粒尺寸小于或等于2μm)的混合物，按重量計80％的片狀填料的顆粒尺寸可例如大于2μm。根據(jù)另一示例，按重量計小于80％的片狀顆?？尚∮诨虻扔?μm。

換句話說，為了具有比片狀填料更細的填料，根據(jù)第一示例，在相等的重量分布下，較細填料的粒徑可以小于片狀填料的粒徑。根據(jù)第二示例，對于相同的顆粒尺寸，較細填料可以比片狀填料具有更大的重量分布。

較細填料可選自所有其它的用于造紙的顏料，該顏料滿足所需的尺寸條件。

片狀填料相對于填料的總和的百分比可從10％到90％、優(yōu)選地從40％到90％、更優(yōu)選地從60％到90％變化。

片狀填料可例如選自高嶺土和滑石及其混合物。

按重量計30％和80％之間的片狀顆粒的尺寸可小于或等于2μm(根據(jù)ISO 13317-3 SediGraph方法測量)。

片狀填料的顆粒尤其被定向成與基底的表面基本上平行。

較細填料的顆?？蛇x自碳酸鈣、硫酸鋇、二氧化硅、二氧化鈦及其混合物等。它們的特征在于：按重量計80％的較細填料的顆粒的粒徑小于2微米(根據(jù)ISO 13317-3 SediGraph方法測量)。

較細填料也可選自具有足夠的細度的任何其它顏料，包括高嶺土，尤其是按重量計95％的較細填料的粒徑小于2微米(根據(jù)ISO 13317-3 SediGraph方法測量)。

粘結(jié)劑優(yōu)選地選自上述的膠乳，但是可使用其它的粘結(jié)劑或者助粘劑，諸如PVOH、淀粉、CMC等。粘結(jié)劑可包含具有在覆蓋層中不存在的化學性質(zhì)的聚合物。

覆蓋層

用于獲得蒸汽屏障和熱密封性的聚合物優(yōu)選地選自基于PVdC(聚偏二氯乙烯)或丙烯酸類的聚合物或共聚物。

這些聚合物以純的形式或者與填料形成混合物而被施用。術(shù)語“純的”理解成指不具有粒狀填料。其它產(chǎn)品可以可選地被添加到聚合物的分散體中，諸如pH控制劑、流變劑(例如增粘劑)、止泡劑、濕潤劑等。

填料在覆蓋層中的使用可尤其有助于降低卷筒的匝彼此粘連的風險。

制造

在干燥纖維基底后，紙張可傳送到揚克烘缸以改善紙張的表面光潔度，從而改善第一層的分布。

然后紙張可在施膠機或者任何其它相同類型的設備中進行處理。為了避免預涂層過多的滲透到纖維載體中，顏料組合物可預先被使用以實施“孔填充”。

該孔填充組合物可含有：相對于干的填料，高達20份的干的粘結(jié)劑，諸如膠乳，例如具有苯乙烯-丁二烯化學性質(zhì)的膠乳；以及相對于干的顏料，高達20份的干的助粘劑，例如淀粉。

該組合物優(yōu)選地含有其尺寸一般小于2微米的填料。這些填料可尤其選自高嶺土或碳酸鈣或其混合物。

使用任何可在造紙機上遇到的涂布技術(shù)，將預涂層施加到如此處理的載體上。該涂布技術(shù)可尤其是刮涂、轉(zhuǎn)輪凹印涂布、反向凹印涂布、或Meyer桿式涂布。預涂層被沉積，其中干層重量優(yōu)選地在4g/m²和12g/m²之間。

該預涂層然后在不接觸的情況下通過一個或多個紅外烘箱或者一個或多個熱風烘箱進行干燥。

在施加覆蓋層之前具有非常高的光滑度水平不是必要的。150秒的Bekk水平是足夠的(根據(jù)ISO 5627標準測量)。

水蒸汽屏障型和熱密封的覆蓋層通過使用造紙機上可遇到的任何涂布技術(shù)的涂布來施加。該涂布技術(shù)可例如是刮涂、轉(zhuǎn)輪凹印涂布、反向凹印涂布、或Meyer桿式涂布。覆蓋層被沉積，其中干層重量優(yōu)選地為至多10g/m²。

然后，使用一個或多個紅外烘箱和/或一個或多個熱風烘箱，將該覆蓋層充分干燥，以防止匝粘連在卷繞筒上。

可在相對面上實施涂布以加強屏障和/或以提供其它功能，諸如印刷適性、旋度校正等。

由此所生產(chǎn)的紙可以可選地在卷繞之前被在線壓延以減小表面粗糙度。

紙的最終基重可在45g/m²和200g/m²之間。

根據(jù)ASTM F1249標準，在38℃和90％相對濕度下測量的對于水蒸汽的屏障小于150g/m²/24h、且優(yōu)選地小于100g/m²/24h。

具體實施方式

實施例1:

在以400m/min運行的造紙機上制造基重為55g/m²的纖維載體。造紙機配備有設置在施膠機之前的揚克烘缸。

首先使纖維載體表面光滑、然后在其兩個面上通過施膠機利用孔填充顏料組合物進行在線處理，該孔填充顏料組合物包含100干重份的Amazon Premium類型的高嶺土(Cadam)、以及相對于干的高嶺土20干重份的Merifilm 104淀粉(Tate&Lyle)和DL950類型的膠乳(Dow)的混合物。當全部干燥時，所施加的處理為5g/m²。

然后，使用Meyer桿式涂布機涂布預涂配方，該預涂配方包含片狀填料和較細的粒狀填料的混合物以及Tg＝7℃的具有苯乙烯-丁二烯化學性質(zhì)的膠乳(來自Dow Chemical的DL950)，在紅外烘箱中、然后在熱風烘箱中，在不接觸的情況下進行干燥。在沒有其它處理的情況下將其卷繞在卷筒上。所施加的預涂層的干重為7g/m²且其配方在下表中給出：

根據(jù)ISO13317-3 SediGraph方法測量的按重量計97％的Amazon Premium的粒徑小于2微米。

Capim NP顆粒的形狀因數(shù)為28。

根據(jù)ASTM F1249標準，在38℃和90％相對濕度下，通過Mocon Permatran3/61機器測量對水蒸汽的屏障以確定該預涂層的屏障貢獻。對于水蒸汽的屏障為334±13g/m²/24h。在涂布覆蓋層之后，獲得小于150g/m²/24h的屏障。

實施例2:

在以400m/min運行的造紙機上制造基重為55g/m²的纖維載體。造紙機配備有設置在施膠機之前的揚克烘缸。

然后，使用Meyer桿式涂布機涂布配方，該配方包含片狀填料和較細的粒狀填料的混合物以及Tg＝7℃的具有苯乙烯-丁二烯化學性質(zhì)的膠乳(來自Dow Chemical的DL950)，在紅外烘箱中、然后在熱風烘箱中，在不接觸的情況下進行干燥。在沒有其它處理的情況下將其卷繞在卷筒上。所施加的預涂層的干重為7g/m²且其配方在下表中給出：

根據(jù)ISO13317-3 SediGraph方法測量的按重量計95％的Hydrocarb 95的粒徑小于2微米。

根據(jù)ASTM F1249標準，在38℃和90％相對濕度下，通過Mocon Permatran3/61機器測量對水蒸汽的屏障以確定該預涂層的屏障貢獻。對于水蒸汽的屏障為315±9g/m²/24h。在涂布覆蓋層之后，獲得小于150g/m²/24h的屏障。

實施例3:

以如在實施例1中的相同的條件在線制造紙。但是在沉積預涂層之后，在線涂布由PVdC共聚物的分散體(來自Solvay的Diofan A297)構(gòu)成的覆蓋層，在紅外烘箱中、然后在熱風烘箱中，在不接觸的情況下進行干燥。在沒有其它處理的情況下將其卷繞在卷筒上，在匝與匝之間未觀察到粘連。覆蓋層的干重為6.5g/m²。

根據(jù)ASTM F1249標準，在38℃和90％相對濕度下，通過Mocon Permatran3/61機器測量對水蒸汽的屏障。對于水蒸汽的屏障為21.0±2.4g/m²/24h。

然后，在實驗室熱密封機器上，通過在3巴下在110℃將覆蓋有覆蓋層的面與其自身粘合持續(xù)0.5秒來模擬密封。接下來，對于將粘合成具有15mm寬度的樣品的紙分離所需的力隨后根據(jù)Tappi T540標準以100mm/min的速度以90度角度進行測量。

獲得3.5N/15mm的密封力。

本發(fā)明不限于所描述的實施例。

總之，本發(fā)明可具有一個或多個以下的有利特征：

-在將覆蓋層施加至預涂層之前，在線施加預涂層，

-紙的生產(chǎn)速度大于或等于300m/min、更好地大于或等于400m/min、甚至更好地大于或等于500m/min，

-在線施加任意層或預涂層之前，將孔填充組合物在線施加至纖維基底，該孔填充組合物優(yōu)選地通過施膠機或者壓膜機施加，

-該方法包括至少一個在線干燥步驟、然后一個在線卷繞步驟，在該干燥步驟期間加熱功率是足夠的，使得在卷繞步驟期間覆蓋層充分干燥，從而卷筒的匝不粘連在一起，

-在干燥纖維基底期間，在任何表面處理之前、尤其是涂布之前，使紙與揚克烘缸接觸，

-在干燥覆蓋層期間，使紙進入在不接觸的情況下、尤其是使用至少一個紅外燈和/或熱風加熱進行干燥的區(qū)域中，

-預涂層包含至少一種形狀因數(shù)為至少15的片狀填料，且優(yōu)選地包含形狀因數(shù)為至少15的片狀填料和特別地較細填料、尤其是非片狀填料的混合物，根據(jù)ISO 13317-3 SediGraph方法測量，按重量計80％的該較細填料、尤其是非片狀填料的粒徑小于或等于2μm，

-片狀填料和較細填料具有相同的性質(zhì)，

-片狀顆粒的形狀因數(shù)為至少40、更優(yōu)選為至少60，

-按重量計95％的較細填料的粒徑小于2微米，

-片狀填料為礦物填料，

-較細填料為礦物填料，

-片狀填料選自高嶺土和滑石及其混合物，

-較細填料選自高嶺土、碳酸鈣、硫酸鋇、二氧化硅、二氧化鈦及其混合物，

-較細填料選自高嶺土，

-片狀填料的干重占預涂層的總干重的3％至58％，按重量計片狀填料的量優(yōu)選地大于較細填料的量，

-較細填料的干重占預涂層的總干重的3％至58％，

-相對于填料的總和(按干重計)，片狀填料的百分比(按干重計)在10％和90％之間、優(yōu)選地在40％和90％之間、更優(yōu)選地在60％和90％之間，

-預涂層可包含粘結(jié)劑，

-根據(jù)ASTM E1356標準測量，粘結(jié)劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g低于或等于25℃、更優(yōu)選地低于或等于10℃，

-粘結(jié)劑選自具有苯乙烯-丁二烯化學性質(zhì)的膠乳、具有苯乙烯-丙烯酸類化學性質(zhì)的膠乳、具有丙烯酸類化學性質(zhì)的膠乳、具有丙烯酸丁酯化學性質(zhì)的膠乳、具有丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯腈化學性質(zhì)的膠乳、且優(yōu)選地具有苯乙烯-丁二烯化學性質(zhì)的膠乳，

-粘結(jié)劑包含具有在覆蓋層中不存在的化學性質(zhì)的聚合物，

-粘結(jié)劑以膠乳的形式被引入，

-相對于干填料的量(100份)，干粘結(jié)劑的量為至少15份、優(yōu)選地大于25份、更好地為30份，

-可在沒有壓延預涂層所覆蓋的基底的情況下，施加覆蓋層，

-覆蓋層可為唯一覆蓋預涂層的層，

-覆蓋層可包括一種或多種選自基于PVdC的共聚物或者基于苯乙烯-丙烯酸類共聚物的聚合物，

-預涂層的量按干重計小于或等于12g/m²，

-覆蓋層的量按干重計小于或等于10g/m²，

-層、尤其是印刷層，在造紙機上被在線施加到基底的與承載覆蓋層的面相對的面上，

-覆蓋層由可熱密封的聚合物構(gòu)成，

-根據(jù)ASTM F1249標準在38℃和90％相對濕度的所謂的熱帶條件下測量的屏障紙的水蒸汽滲透率小于150g/m²/24h、更好地小于100g/m²/24h，

-纖維基底的基重在25g/m²和180g/m²之間，