ОДНОСЛОЙНЫЙ ИЛИ МНОГОСЛОЙНЫЙ УТИЛИЗИРУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ С ВЛАГО- И ГАЗОИЗОЛЯЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C08J5/18 B32B9/06 D21H23/00 

Изобретение относится к однослойным или многослойным материалам и способам их получения. Материал обеспечивает защиту от влаги, газов и света, причем в его составе имеются вещества, которые делают его полностью утилизируемым.

Пригодность материала для переработки с целью повторного использования, обеспечиваемая настоящим изобретением, означает то, что после использования изделия, полученного из этого материала, его компоненты можно использовать в качестве основного материала для получения другого материала, аналогичного заявленному, и для изготовления других изделий.

Среди различных видов применения материала можно отметить изготовление бумажных или картонных упаковок: слоистых, формованных или полученных методом инжекции из целлюлозы, обработанной в соответствии с изобретением, и предназначенных для хранения в них пищевых продуктов, напитков или непищевых продуктов, например, жидких моющих средств, смазочных масел и жиров, паст или воска для полирования поверхностей, и среди прочего для красок и лаков. Листы/слой, изготовленные в соответствии с изобретением, можно применять также в различных отраслях промышленности, а не только для упаковки, например, для изготовления непроницаемых покрытий, применяемых в строительной промышленности, например, для покрытия кровель и т.п.

Листы /и/или слои, полученные в соответствии с изобретением, также обладают дополнительным свойством, а именно: они сохранят вкусовые качества и гигиенические характеристики пищевого продукта, который может быть упакован в контейнеры, изготовленные из этих материалов, до тех пор, пока соблюдаются обычные требования асептики.

Известны различные слоистые материалы, точнее многослойные материалы, которые обеспечивают эффективную защиту от влаги, света (облучения) и проникновения газов, и которые находят свое основное промышленное применение в изготовлении упаковок одноразового пользования для хранения в них пищевых продуктов, биологических веществ, особенно, когда эти вещества присутствуют в жидкой форме.

При таком использовании необходимо, чтобы материал, из которого будут изготовлять упаковку, имел определенные основные свойства, например, достаточную механическую прочность, чтобы упаковка могла выдерживать различные манипуляции в процессе изготовления, заполнения, транспортировки и использования заполненной упаковки. Также необходимо, чтобы слоистый материал упаковки был непроницаемым для влаги, газов и световых лучей.

Непроницаемость упаковки особенно важна при хранении жидкостей, чтобы исключить утечку, или при хранении продуктов, которые может повредить проникнувшая сквозь упаковку сырость, например, при заполнении под вакуумом или под давлением, которое значительно ниже, чем атмосферное, для вытеснения воздуха из содержимого упаковки.

Непроницаемость упаковки необходима и для того, чтобы предохранить содержимое от окисления, утечки и посторонних запахов, чтобы избежать разрушения витаминов или протеинов в содержимом и т.п.

Разрушающее действие света хорошо известно: например, облучение ультрафиолетовым излучением разрушает некоторые типы органических молекул; таким образом, упаковка, в которой хранятся органические вещества, должна обеспечить соответствующую защиту от этого типа облучения.

Большое разнообразие улучшенных известных многослойных материалов демонстрирует преимущества в отношении некоторых вышеупомянутых факторов, по сравнению с ранее известными многослойными материалами, применяемыми в технике.

Обычно многослойные материалы с защитными свойствами против влаги, газов и облучения светом состоят из опорного листа и/или слоя либо структурного листа из целлюлозы, на который наносят металлическую фольгу и/или слой из алюминия, цинка или олова, пленки, слои полиэтилена или полиэтиленгликолевых полиэфиров. Но сама природа слоистых компонентов и их интеграция с другими материалами препятствует утилизации и разложению многослойных материалов.

Разложение этих отслуживших промышленных изделий, все более и более необходимо для сохранения окружающей среды, а также для восстановления основных материалов или веществ, которые составляют почву. Если отслужившие промышленные материалы не разлагаются, необходимо выявить возможности их повторного использования, т.е. материалы, из которых изготовлено изделие, можно попытаться возвратить в производственный цикл для получения подобного или другого промышленного изделия и тем самым исключить применение природных материалов, запасы которых могут оскудеть, а их добыча станет дорогостоящей.

Чтобы утилизация этих продуктов стала практически осуществимой, их необходимо подвергнуть поэтапной переработке, причем количество стадий переработки должно быть ограниченным, а их реализация экономически выгодной.

Наиболее близкими аналогами к заявленному изобретению является материал, состоящий, по крайней мере, из одного листа или основы из целлюлозной массы, в которой диспергирован, по меньшей мере, один гелеобразующий гидроколлоид и способ его изготовления [1] в котором золь вводят в целлюлозную массу при температуре выше температуры желатинизации, а также способ изготовления утилизируемого материала [2] согласно которому осуществляют пропитку золем слоя бумаги.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, обеспечение пригодности и переработке для вторичного использования материалов.

Технический результат достигается за счет того, что лист и/или слой на структурной основе из целлюлозы, пропитанной или покрытой гелеобразующим гидроколлоидом, выбранным из группы агар-агаров, имеющих прочность геля, по меньшей мере, 600 г/см², причем минимальное массовое соотношение гидроколлоида к целлюлозе составляет примерно 1:1000. Целлюлозную основу можно также пропитать или покрыть материалом, защищающим от света, например, краской, основанной на окислах или солях титана или бария.

Вещество, применяемое в качестве светозащиты, должно быть электрически нейтральным и хорошо держаться на поверхности. Электрическая нейтральность материала светозащиты является существенным фактором для гарантии возможность повторного использования материала, образующего лист, поскольку иначе гелеобразующий гидроколлоид может изменить свои гелеобразующие свойства. С другой стороны, если для защиты от света служит краска проникающего типа, то она может концентрироваться в одном из соединительных материалов между двумя листами или слоями, изменять и его адгезионную способность.

Гелеобразующий гидроколлоид для защиты от влаги и газов, нанесенный на основу из целлюлозы, придает материалу особые свойства. Действительно, некоторые гидроколлоиды, подобно фикоколлоидам обладают термическим гистерезисом, что позволяет широко применять листы или слои, изготовленные с применением этих материалов, поскольку гелеобразующий гидроколлоид, например, агар-агар плавится при температуре 100^oC и образует гель при температуре 34^oC. Таким образом гель, пропитавший целлюлозную основу и должным образом дегидратированный, будет сохранять свои влаго- и газоизоляционные свойства до тех пор, пока материал не будет подвергнут температуре плавления гидроколлоида, когда гель начнет дегидратироваться и превратится в золь. Это позволяет применять листы и/или слои, изготовленные в соответствии с изобретением, для самых различных целей в широком диапазоне температур, пока они не достигнут температуры плавления гидроколлоида и, напротив, материал листа и/или слоев можно подвергнуть переработке при указанной температуре плавления, при которой образуется целлюлозная масса, содержащая некоторые гидроколлоиды и светозащитную краску.

Чтобы подробно объяснить изобретение опишем два основных варианта осуществления изобретения. В первом варианте листы и/или слои, изготовленные в соответствии с изобретением, наносят на основу из целлюлозной массы, а во втором варианте в качестве основы взяты готовые листы или слои картона или плотной бумаги, изготовленные по обычной технологии.

В первом варианте лист и/или слой по изобретению изготавливают из целлюлозной массы, которая может состоять из целлюлозной массы первичного применения или смеси ее с рециркулированной целлюлозной массой, причем последнюю получают из отходов бумаги, картона, трепья или других источников целлюлозы или утилизируемых волокон, в числе которых могут быть и отходы слоистых материалов согласно настоящему изобретению.

Гелеобразующий гидроколлоидный золь, например, агар-агар приготовляют в эквивалентной пропорции по массе, как минимум 0,5% по отношению к общему содержанию воды в целлюлозной массе, принимая прочность геля гелеобразующего гидроколлоида равной 600 г/см². Это количество будет обратно пропорционально прочности геля применяемого гелеобразующего гидроколлоида в сравнении с указанными 0,5% по отношению к прочности геля 600 г/см².

При оценке прочности геля, весовое отношение содержания гелеобразующего гидроколлоида к общему содержанию воды в целлюлозной массе должно учитывать возможное содержание гелеобразующих гидроколлоидов, которые содержатся в исходной целлюлозной массе в результате использования вторичного сырья.

При добавке смеси гидроколлоида в целлюлозную массу, температура последней должна быть не ниже температуры гелеобразования, чтобы гелеобразующий гидроколлоид не превратился в гель. Для предотвращения этого, рекомендуется добавлять золь в целлюлозу непосредственно перед тем, как целлюлозная масса поступает на сетку бумагоделательной машины или в тот момент, когда масса поступает на сетку.

После введения в целлюлозную массу гелеобразующего гидроколлоида, гидроколлоид распределится по всей целлюлозной массе. Затем масса проходит обычную обработку, применяемую при изготовлении листов и/или слове из картона или бумаги, пока не будет получен практический сухой лист или слой с включенным в него гелеобразующим гидроколлоидом, причем гель будет находиться в конечной стадии дегидрации, при этом отношение массы гидроколлоида к содержанию целлюлозы будет составлять минимум 1:1000.

На первой стадии изготовления, т.е. до или после добавки гелеобразующего гидроколлоида в целлюлозную массу или после изготовления листа и/или слоя картона или бумаги, можно добавлять светозащитный состав, причем в последнем случае светозащитный состав наносят на одну из поверхностей листа/слоя в качестве покрытия.

Во втором варианте осуществления способа по изобретению в качестве основы используют уже готовые картон или плотную бумагу, изготовленные обычными способами, на которые в виде покрытия наносят гелеобразующий гидроколлоид. В этом случае лист или слой плотной бумаги или картона пропитывают гелеобразующим гидроколлоидным золем, массовая доля которого составляет минимум 0,1 мас. по отношению к общему содержанию воды в смеси. Это отношение будет обратно пропорционально прочности геля применяемого гидроколлоида в сравнении с указанными 0,5% для прочности геля 600 г/см² в первом варианте.

Лист или слой, пропитанный гелеобразующим гидроколлоидом выдерживают при температуре, превышающей температуру гелеобразования золя, до тех пор пока гидроколлоид полностью не пропитает слой или лист.

На следующей стадии лист/слой бумаги, картона или плотной бумаги, уже пропитанный гелеобразующим гидроколлоидом, обезвоживают и охлаждают до комнатной температуры, получая дегидратированный гель, абсорбированный в целлюлозной массе, которая образует лист или слой основы, при этом полученная конечная влажность является обычной для бумаги и картона.

Как и в первом варианте получают сухое готовое изделие с гидроколлоидом, составляющим единое целое с листом или слоем, причем дегидратированный гель присутствует в отношении минимум 1:1000 по массе к содержанию целлюлозы.

Если промышленное применение слоистого материала требует этого, то лист или слой, уже пропитанный гелем и высушенный, будут покрывать светозащитным составом, применяя известные способы, например, печатание или другие соответствующие способы.

Независимо от того, какой вариант осуществления изобретения первый или второй был применен для изготовления слоистого материала, светозащитный состав будет состоять предпочтительно из краски или покрытия на основе окислов или солей бария или титана, которые растворяются в воде, электрически нейтральны и не просачиваются.

Для получения многослойного материала, например, гофрированного картона, будут применять листы или слои в соответствии с изобретением, изготовленные предпочтительно способом, описанным в первом или втором варианте, причем листы можно соединить известными способами при условии, что применяемый клей не ухудшает пригодность материала к переработке для повторного его использования. Или же листы или слои можно соединять, используя свойства гидроколлоида самосклеиваться. В этом последнем случае соединение листа и слоев предусматривает стадии нагрева листов и/или слоев и, если это требуется, то и увлажнение этих листов/слоев, предварительно обработанных гелеобразующими гидроколлоидами. Увлажнение осуществляют при температуре, которая соответствует температуре плавления гелеобразующего гидроколлоида или превышает ее, причем цель этого восстановление состояния золя в каждом вкраплении гидроколлоида в целлюлозной массе для обеспечения соединения листов вместе.

После доведения гидроколлоида до состояния золя, поверхности листов или слоев, на которых нет светозащитного покрытия, накладывают одна на другую и сдавливают так, чтобы золь на обеих поверхностях двух смежных листов или слоев слипся. В то время, как листы или слои соединяются подавлением, они охлаждаются для превращения золя снова в гель, после чего их дегидратируют до уровня, обычного для бумаги и картона.

Изобретение допускает применение любых гидроколлоидов, при условии, что они являются инертными по отношению к тем материалам, которые могут или должны находиться в контакте с слоистым материалом.

Второе требование, которому должны удовлетворять эти гидроколлоиды это требование в отношении их термического гистерезиса, который должен находиться в пределах температур, совместимых с промышленным применением слоистого материала. Для некоторых видов применения материала диапазон температур должен быть как можно шире; чаще всего этот диапазон должен включать температуру окружающей среды с тем, чтобы гелеобразующий гидроколлоид сохранял свое гелеобразное состояние; а температура плавления (т.е. температура, при которой гель превращается в золь) должна быть значительно выше максимальных температур окружающей среды в данном виде промышленного применения материала. Типичным примером промышленного применения, для которого требуется термический гистерезис в широком диапазоне указанного значения является производство упаковки для пищевых продуктов.

Третье требование, предъявляемое к гидроколлоиду, применяемому в слоистом материале согласно изобретению это его прочность, поскольку прочность гидроколлоида будет способствовать повышению общей прочности листа/слоя при трении и резании.

В числе наиболее предпочтительных гидроколлоидов, используемых по настоящему изобретению, которые лучше всего подходят для пропитки листов/слоев, идущих на производство упаковочных материалов, гидроколлоиды, принадлежащие к группе агар-агаров, охватывающей широкое разнообразие гидроколлоидов в составе определенного семейства "фикоколлоидов", а именно: агар-агар, альгинат натрия, водорастворимая камедь микробактериального типа, камеди Gellan и т.п.

Известно также, что комбинация гидроколлоидов дает синергистический эффект, если в этой комбинации, по крайней мере, один гидроколлоид является гелеобразующим; известно несколько примеров синергических смесей, с повышенной прочностью геля, которые могут быть использованы в изобретении и которые включают ксантан/каррагенен, камедь бобов белой акации, альгинат натрия/метоксипектин, а также смеси.

Другой синергистический эффект, который можно использовать в связи с данным изобретением, и который не следует путать с синергизмом, при составлении смесей гидроколлоидов, заключается в том, что прочность геля повышается при смешении гелеобразующего гидроколлоида и ионов Li в определенной концентрации, с целью повысить газоизоляционные свойства материала, или при добавке ионов Ca, Mg, Na и K для увеличения прочности геля. Таблица ниже демонстрирует повышение прочности геля камеди Gellan, при смешении с определенными ионами в определенных концентрациях.

(Источник: Обзор технологии изготовления упаковки для пищевых продуктов, США, апрель 1983, Джордж Сандерсон и Росс Кларк).

Изобретение ведет к улучшению основных вышеперечисленных свойств продукта, таких, как влаго- и газоизоляционные свойства, совместимость с утилизируемым продуктом и повышение механической прочности основы, например, основы из целлюлозы. Таким образом, выбор таких вариантов, как использование тканых материалов в качестве основы, пропитываемой гелеобразующим гидроколлоидом; использование в качестве основы ячеистых или сетчатых материалов; нанесение различных покрытий или добавка иных изоляционных составов, помимо упомянутых выше, таких, как утилизируемые покрытия для изоляции от различных излучений; а также использование различных промышленных форм целлюлозы и т.п будет зависеть от конкретного промышленного применения продукта.

Использование: однослойные или многослойные утилизируемые материалы с влаго- и газоизоляционными свойствами для изготовления упаковок для пищевых продуктов или других веществ, для изготовления покрытий в строительной отрасли. Сущность изобретения: материал получают из целлюлозной массы, листов бумаги или картона, которые пропитывают гелеобразующим гидроколлоидом. Гидроколлоид выбирают из группы агар-агаров, имеющих прочность геля, по меньшей мере, 600 г/см², причем минимальное соотношение гидроколлоида к целлюлозе составляет примерно 1:1000. После пропитки материал из целлюлозы и гидроколлоида обезвоживают и охлаждают. 3 с. и 11 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Однослойный или многослойный утилизируемый материал с влаго-, газоизоляционными и, возможно, светозащитными свойствами, предназначенный преимущественно для изготовления бумажных или картонных емкостей, кроющих материалов в строительстве, содержащий по меньшей мере один лист или слой основы из целлюлозной массы, в которой диспергирован по меньей мере один гелеобразующий гидроколлоид, отличающийся тем, что гидроколлоид выбран из группы агар-агаров, имеющих прочность геля по меньшей мере 600 г/см², причем минимальное массовое соотношение гидроколлоида и целлюлозы составляет примерно 1 1000. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что лист или слой основы представляет собой почти готовую, но не высушенную бумагу, пропитанную раствором гидроколлоида, который присутствует в материале в виде дегидратированного геля. 3. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит различные слои или листы, соединенные между собой либо способом, применяемым для изготовления бумаги и картона, либо посредством межфазного контакта гелеобразующего гидроколлоида при соприкосновении соответствующих поверхностей листов или слоев. 4. Материал по пп.1 3, отличающийся тем, что по меньшей мере один лист или слой дополнительно содержит электрически нейтральный и водорастворимый состав, обеспечивающий светозащиту, применяемый в виде краски, добавляемой в целлюлозную массу, либо наносимой по меньшей мере на одну из поверхностей слоя или листа в качестве покрытия. 5. Способ изготовления однослойного или многослойного утилизируемого материала, включающий стадию введения золя по меньшей мере одного гелеобразующего гидроколлоида в предварительно обрабатываемую целлюлозную массу, имеющую температуру выше температуры превышения золя в гель, которую осуществляют непосредственно перед поступлением массы на сетку для изготовления бумаги или картона, вторую стадию изготовления бумажного или картонного листа и третью стадию дегидратации с последующим охлаждением листа при температуре окружающей среды до достижения уровня влажности на сухой основе, типичного для бумаги, отличающийся тем, что гелеобразующий гидроколлоид выбирают из группы агар-агаров, имеющих прочность геля по меньшей мере 600 г/см², причем гелеобразующий коллоид используют в количестве примерно 0,5% от количества воды, содержащейся в целлюлозной массе. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что перед или после стадии добавки гидроколлоида в целлюлозную массу дополнительно вводят электрически нейтральный и водорастворимый состав, обладающий светозащитными свойствами. 7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что по меньшей мере одну из поверхностей сформованного бумажного или картонного листа покрывают светозащитным составом. 8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что в качестве светозащитного состава используют краску или покрытие на основе титана или бария. 9. Способ по одному из пп.5 7, отличающийся тем, что в гелеобразующий гидроколлоид добавляют посредством смешивания производные ионов лития для усиления газоизоляционных свойств материала. 10. Способ изготовления однослойного или многослойного утилизируемого материала, включающий стадию пропитки золем по меньшей мере одного гелеобразующего гидроколлоида листа или слоя бумаги или картона, вторую стадию, на которой указанный лист или слой выдерживают при температуре, превышающей температуру превращения золя в гель, до полного распределения золя или геля по листу или слою бумаги или картона, а также третью стадию, на которой обработанный лист или слой подвергают дегидратированию с последующим охлаждением при температуре окружающей среды для получения целлюлозного листа с абсорбированным в нем гелем с влажностью, типичной для бумаги, отличающийся тем, что гелеобразующий гидроколлоид выбирают из группы агар-агаров, имеющих прочность геля по меньшей мере 600 г/см², причем гелеобразующий гидроколлоид используют в количестве примерно 0,5% от количества воды, содержащейся в целлюлозной массе. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что листы или слои бумаги или картона, пропитанные гидроколлоидом, соединяют друг с другом посредством увлажнения их при температуре, по меньшей мере равной температуре плавления гелеобразующего гидроколлоида для перехода его в состояние золя, после чего свободные от светозащиты поверхности двух или более листов накладывают одна на другую и спрессовывают вместе с одновременным охлаждением для превращения золя в гель с последующей дегидратацией. 12. Способ по п.10, отличающийся тем, что по меньшей мере одну из поверхностей бумажного или картонного листа покрывают светозащитным составом. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве светозащитного состава используют краску или покрытие на основе титана или бария. 14. Способ по одному из пп.10 13, отличающийся тем, что в гелеобразующий гидроколлоид добавляют посредством смешивания производные ионов лития для усиления газоизоляционных свойств материала.