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CN110312833B - 可热封的屏障纸板 - Google Patents

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CN110312833B CN201880014201.3A CN201880014201A CN110312833B CN 110312833 B CN110312833 B CN 110312833B CN 201880014201 A CN201880014201 A CN 201880014201A CN 110312833 B CN110312833 B CN 110312833B
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Abstract

公开了一种水性涂布纸板，其表现出良好的屏障性质和抗阻塞性质并且是可热封的。

Description

可热封的屏障纸板
背景技术
使用纸或纸板的食品或食品服务包装通常需要增强的屏障性质，包括油、油脂、水和/或湿气屏障。另外，许多纸或纸板包装，例如用于食品或饮料服务的纸或纸板杯，也需要纸或纸板是可热封的，使得可以在杯机器上形成杯。通过提供所需的屏障性质和热封性质两者，聚乙烯（PE）挤出涂布纸板目前仍然在此应用中占主导地位。然而，包括使用PE挤出涂层的纸杯的包装在再浆化方面存在困难，并且不像常规纸或纸板那样容易回收，如果这些包装进入垃圾填埋场则引起环境问题。对取代含有PE涂层或膜层的纸板包装的包括涂层技术的替代解决方案的需求日益增加。
可再浆化的水性涂层是满足该需求的有希望的解决方案中的一个。然而，水性涂层中的大部分聚合物是无定形的并且不具有作为PE的熔点。因此，水性涂层中的粘结剂或聚合物通常在水性涂布纸板的生产、储存、运输或转化过程中在升高的温度下（甚至在例如120-130°F（48.9-54.4°C））和/或压力下逐渐软化或变粘，导致涂布纸板的阻塞问题，这在实际应用中通常不会随PE涂布纸板出现。对于需求高屏障性质且还需要能够在转换包装、诸如杯中进行热封的水性屏障涂布纸板，该阻塞问题变得甚至更加关键。
本发明涉及一种制造具有屏障性质的纸或纸板的方法，该屏障性质由还可热封的水性涂层提供。用于此目的的典型水性涂层可含有高水平（或甚至纯的）粘结剂或特性聚合物，当在升高的温度、湿度或压力下储存或运输时，它们最终可能会阻塞。对于设计为可热封的材料，阻塞行为是甚至更大的问题。
发明内容
在本发明的纸板中，热封层由水性涂层提供，其粘结剂（或聚合物）组分具有相对高的玻璃化转变温度（Tg）。本发明的板提供热封性并提供屏障性质而没有通常的阻塞问题。
附图说明
图1A是具有由水性涂层提供的屏障性质的纸板的截面的示意图；
图1B是用于制造图1A的纸板的过程的示意图；
图2是图1A的纸板的截面的示意图；
图3示出了涂布纸板样品的阻塞测试结果；
图4示出了涂布纸板样品的热封测试结果。
图5是用于测试涂布纸板样品的阻塞的装置的图示；以及
图6A至图6D示出了测量纤维撕裂的剥离测试方法。
具体实施方式
本发明提供一种涂布有水性屏障涂层的纸板，该涂层提供屏障性质并且是可热封的，但具有最小的阻塞倾向。
如图1A中所示，基底材料100可选自任何常规纸板等级，例如特别是固体漂白硫酸盐（SBS），其用测径规测量的范围从约10 pt向上至约24 pt（0.010”至0.024”；254 μm至610μm）。此基板的示例是由WestRock公司制造的13点（330 μm）SBS储杯板。板100可以在造纸机70（在图1B中象征性地表示）上制造，并且可以在一侧上涂布有选择用于与印刷方法和板组合物相容的常规涂层110。涂布侧通常存在于包装的外表面上，以允许印刷文本或图形。涂布可以通过作为造纸机70的一部分的一个或多个涂布机，或者在一个或多个单独的涂布机80上进行，或者部分在机器上进行并且部分在机外进行。可印刷涂层是可选的。图1B中所示的过程的结果是如图2中所示的纸板结构150。
屏障涂层120可以施加到基板100的任一侧（在图1A中，施加到与可印刷涂层110相对的一侧）或者通过合适的方法施加到两侧，诸如在造纸机70上或作为（多个）机外涂布机90的一个或多个涂布机。屏障涂层120可任选地是可热封的。当加热时，热封涂层提供与其接触的产品的其他区域的粘合。
如果屏障涂层作为单涂层施加，则合适的涂层重量可以是例如从6至15 lb/3000ft2（9.8-24.5 g/m2），或约8至12 lb/3000 ft2（13.1-19.6 g/m2）。
如果屏障涂层作为两层涂层施加，则基部涂层的合适涂层重量可以是例如从6-10lb/3000 ft2（9.8-16.3 g/m2），或约7-9 lb/3000 ft2（11.4-14.6 g/m2）。顶部涂层的合适涂层重量可以是例如从5-8 lb/3000 ft2（8.2-13.1 g/m2），或约6-7 lb/3000 ft2（9.8-11.4 g/m2）。
使用先导刮刀涂布机将各种涂层施加在纸板基底100上。基底是固体漂白硫酸盐（SBS），特别是13pt（330 μm）储杯。涂层使用这些颜料：
“粘土”高岭土，例如，1号超细粘土
“CaCO3”粗研磨碳酸钙（粒径60％<2微米）
涂层使用基于苯乙烯-丙烯酸酯（SA）但具有不同玻璃化转变温度（Tg）的商业粘结剂，如表1中所示。
表1。粘结剂
供应商 粘结剂产品 Tg, °C
BASF Acronal S 866 39
BASF Acronal S 728 23
BASF Basonal X 400 AL 14
DOW Rhoplex C-340 8
BASF Acronal S 504 4
表2中列出了涂层配方，主要区别在于苯乙烯-丙烯酸酯（SA）粘结剂的玻璃化转变温度。颜料和粘结剂的重量相等（每100份），颜料在粘土和CaCO3之间平均分开（按重量计每50/50份）。约7.5-8 lb/3000 ft2（12.2-13.1 g/m2）的涂层由先导刮刀涂布机施加。使用本文稍后描述的方法测试涂布的样品的阻塞，并且如表3中所列进行评级。
如表2中和图3中所示，使用具有4°C和8°C的最低玻璃化转变温度的SA粘结剂的条件严重受阻（评级为4）。使用具有14°C和23°C的中间玻璃化转变温度的SA粘结剂的条件没有阻塞那么多（评级为2-3）。使用具有39°C的最高测试玻璃化转变温度的SA粘结剂的条件仅显示出一点粘性（评级为1），并且有趣的是，它还具有最佳再浆化性（99.6％纤维接受物）。
表2。涂层配方和阻塞测试
SA Tg (°C) 4 8 14 23 39
粘土（份数） 50 50 50 50 50
CaCO<sub>3</sub>（份数） 50 50 50 50 50
SA（份数） 100 100 100 100 100
涂层重量(lb/3000f<sup>2</sup>） 7.7 7.9 7.6 7.4 7.6
阻塞 4 4 2.3 3.2 1.2
H<sub>2</sub>O Cobb (g/m<sup>2</sup>-30 min) 39 40 75 60 59
WVTR (g/m<sup>2</sup>-d) 996 968 853 892 892
再浆化 (%接受物) 94.1 94 99.4 94.6 99.6
表3。阻塞测试评级系统
0 =样品在没有施加任何力的情况下分开
1 =样品具有轻微粘性但是没有纤维撕裂而分离
2 =样品具有高粘性但是没有纤维撕裂而分离
3 =样品是粘的并且纤维撕裂或涂层损伤至多25％（面积基准）
4 =样品纤维撕裂或涂层损伤超过25％（面积基准）
基于表2中所见的有希望的结果，其中玻璃化转变温度为39°C，使用下表4中所见的配方进行了附加的测试，其中SA粘结剂的量变化（100份或 125份或150份），并且涂层以一层或两层施加。单涂层或基部涂层重量约为8.5 lb/3000 ft2（13.9 g/m2），并且顶部涂层（如果使用的话）约为6.3 lb/3000 ft2（10.3 g/m2）。阻塞结果再次良好（评级为1.3至1.5）。
表4。附加的涂层配方和测试。
Figure 801769DEST_PATH_IMAGE002
如表4中所示，热封测试（在用400°F（204°C）工具密封之后）给出98％至100％的纤维撕裂。再浆化性范围从对于使用100份SA粘结剂的单涂层的99.5％降至对于使用150份SA粘结剂的双涂层的92.1％。所有条件给出2分钟水-Cobb评级小于5 g/m2。
在单涂层的情况下，使用39°C SA粘结剂的涂层给出3M套件评级为7+（表4中未示出），并且30分钟油- Cobb评级小于1 g/m2。实现了820-860 g/m2 -d的水蒸气透过率（WVTR）。
在双涂层的情况下，30分钟水-Cobb评级为从52至28，具有150份SA的最佳（最低）值。实现了低至445-474 g/m2 -d的水蒸气透过率（WVTR）。
图4示出了来自热封测试的附加数据，其中利用了所有五种SA类型，并且密封温度为300、350或400°F（149、177或204°C）。对于Tg为4°C的SA粘结剂， 300和350°F（149和177°C）的密封条温度给出100％的纤维撕裂。对于Tg为8至23°C的SA粘结剂， 300°F（149°C）的密封条温度给出80-90％的纤维撕裂，并且350°F（177°C）的密封条温度给出100％的纤维撕裂。
对于Tg为39°C的SA粘结剂，300°F（149°C）的密封条温度没有给出纤维撕裂（0％），而350和400°F（177和204°C）的密封条温度分别给出90％和100％的纤维撕裂。
阻塞测试方法
通过评估屏障涂布侧和另一个未涂布侧之间的粘附性来测试样品的阻塞行为。阻塞测试的简化图示于图5中。将纸板切成2”×2”（5.1cm×5.1cm）的正方形样品。对每种条件测试若干次重复，每次重复评估一对样品252、254之间的阻塞。（例如，如果测试四次重复，则将使用四对-八件。）每对被定位为一件252的“屏障涂布”侧接触另一件254的未涂布侧。该对放入叠堆250中，在相邻对之间为间隔物256，间隔物是箔、剥离纸或甚至复印纸。将整个样品叠堆放入图5中所示的测试装置200中。
测试装置200包括框架210。调节旋钮212附接到螺钉214，螺钉214穿过框架顶部216。螺钉214的下端附接到板218，板218支承在重型螺旋弹簧220上。弹簧220的下端支承在板222上，板222的下表面224的面积为1平方英寸（6.5平方厘米）。刻度226使用户能够读取所施加的力（其等于通过下表面224施加到样品叠堆的压力）。
将样品叠堆250放置在下表面224和框架底部228之间。拧紧旋钮212，直到刻度226读取100 lbf的所需力（施加到样品的100psi）。然后将包括样品的整个装置200置于50°C的烘箱中24小时。然后将装置200从测试环境取出并冷却至室温。然后释放压力，并从装置取出样品。
通过分离每对纸板片来评估样品的粘性和阻塞。结果报告如表3中所示，“0”评级表明没有阻塞倾向。
当纤维撕裂时，可以看到阻塞损坏，如果存在，则通常会发生纤维从样品254的非屏障表面上拉。如果非屏障表面涂有印刷涂层，则阻塞也可能由印刷涂层受损而引起。
例如，如图5中象征性地描绘的，样品252（0）/ 254（0）可以表示“0”评级（无阻塞）。样品中的圆形形状指示在压力下的近似面积，例如总样品的约1平方英寸。样品252（3）/254（3）可以表示“3”阻塞评级，在压力下的面积中具有直到25％的纤维撕裂，特别是在样品254（3）的未涂布表面中。样品252（4）/ 254（4）可以表示具有超过25％纤维撕裂的“4”阻塞评级，特别是在样品254（4）的未涂布表面中。图5中的描绘仅意味着近似提出对此测试样品的百分比损害，而不是示出样品的真实外观。
通过剥离测试法的热封性评估
评估涂布纸板样品的热封性。如图6A中所描绘，从待测试的涂布纸板样品上切下一对3英寸×1英寸（7.6 cm×2.5 cm）的样品301和305。对于301和305两者，水性涂布侧面向下。接下来，如图6B中所示，通过放置在两个表面312、314之间将样品301、305一端处的部分密封在一起，仅加热顶部表面312。在这种情况下使用Sencorp White Ceratek 12ASL/1条密封剂，仅加热上部条。热封条件是密封温度为300、350或400°F（149、177或204°C），停留时间为1.5秒，并且压力为50 psi（345 kPa）。如图6C中所示，密封1平方英寸（6.5平方厘米）的区域303（例如1英寸×1英寸）。在样品冷却后，然后用手拉开密封的样品，如图6D中示意性示出。估计纤维撕裂面积为测试区域303的百分比。
再浆化测试过程
使用AMC Maelstom再浆化机测试可再浆化性。将切成1”×1”（2.5cm×2.5cm）正方形的110克涂布纸板加入到含有2895克水（pH为6.5±0.5，50°C）的再浆化机中，浸泡15分钟，并然后再浆化30分钟。然后通过振动平板筛（0.006”（152 μm）槽尺寸）筛分300 mL再浆化的浆料。收集、干燥并称重排斥物（由筛捕获）和纤维接受物。接受物百分比是基于接受物和排斥物的重量计算的，其中100％是完全可再浆化性。
屏障测试方法
通过WVTR（38°C和90％相对湿度下的水蒸气透过率；TAPPI标准T464 OM-12）和水Cobb（TAPPI标准T441 om-04）评估涂层的耐湿性。
通过3M套件测试（TAPPI标准T559 cm-02）在“屏障侧”上测量样品的耐油脂性（OGR）。通过该测试，评级为从1（对油脂的耐受性最小）到12（对油脂渗透的优异耐受性）。
除3M套件测试外，油吸收性（油Cobb）用于量化和比较OGR性质（耐油脂性），其测量在特定时间（例如30分钟）由1平方米的涂布纸板吸收的油的质量。对于每种测试条件，切割样品以提供每个6英寸×6英寸（15.2 cm×15.2 cm）的两件正方形。在测试之前将每个正方形样品称重。然后将4英寸×4英寸（16平方英寸或0.0103平方米的面积）正方形的花生油饱和的吸墨纸放在测试样品的中心（屏障侧）上，并轻轻按压以确保油性吸墨纸的整个区域与涂布表面接触。在通过秒表监测30分钟后，使用镊子轻轻地除去油性吸墨纸，并使用纸巾（KimwipesTM）从涂布表面擦去过量的油。然后再次称重测试样品。测试前后的单位为克的重量差除以0.0103平方米的测试面积给出以克/平方米计的油Cobb值。

Claims (22)

1.一种纸板，其具有第一侧和相对的第二侧，并且包括在所述第一侧上施加的层作为形成所述第一侧的外表面的水性涂层，其中所述水性涂层包含颜料和具有玻璃化转变温度高于20°C的粘结剂，并且其中所述涂布纸板是可热封的，其中粘结剂与颜料的重量比至少为1：1，其中所述纸板至少90％是可再浆化的，所述纸板具有低于3的阻塞评级。
2.如权利要求1所述的纸板，其中所述玻璃化转变温度高于30°C。
3.如权利要求2所述的纸板，其中所述玻璃化转变温度高于35°C。
4.如权利要求1所述的纸板，还包括在所述第二侧上的可印刷涂层。
5.如权利要求1所述的纸板，其中粘结剂与颜料的重量比至少为1.25：1。
6.如权利要求5所述的纸板，其中粘结剂与颜料的重量比至少为1.5：1。
7.如权利要求1所述的纸板，其中当在350°F和50 psi下用密封条制造持续1.5秒时，在所述第一侧和所述第二侧之间形成的热封对80％或更高的纤维撕裂程度提供粘合。
8.如权利要求7所述的纸板，其中当在400°F和50 psi下用密封条制造持续1.5秒时，在所述第一侧和所述第二侧之间的热封对至少80％的纤维撕裂程度提供粘合。
9.如权利要求7所述的纸板，其中当在400°F和50 psi下用密封条制造持续1.5秒时，在所述第一侧和所述第二侧之间的热封对至少90％的纤维撕裂程度提供粘合。
10.如权利要求1所述的纸板，其在50°C下在100 psi压力下保持24小时后表现出没有纤维撕裂并且不超过轻粘性。
11.如权利要求1所述的纸板，其中所述水性涂层的干重为从6至15 lb/3000 ft2。
12.如权利要求1所述的纸板，其中所述水性涂层的干重为从8至12 lb/3000ft 2。
13.如权利要求1所述的纸板，其中所述水性涂层以两层涂层施加。
14.如权利要求1所述的纸板，包括固体漂白硫酸盐和天然牛皮纸板中的至少一种。
15.如权利要求1所述的纸板，提供小于5 g/m2的2分钟水Cobb测试。
16.如权利要求1所述的纸板，提供小于60 g/m2的30分钟水Cobb测试。
17.如权利要求1所述的纸板，提供小于1 g/m2的30分钟油Cobb测试。
18.如权利要求1所述的纸板，提供小于900 g/m2的水蒸气透过率。
19.如权利要求1所述的纸板，提供小于500 g/m2的水蒸气透过率。
20.如权利要求1所述的纸板，具有至少7的3M套件测试评级。
21.如权利要求1所述的纸板，其具有低于2的阻塞评级。
22.如权利要求1所述的纸板，其至少95％是可再浆化的。
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