ФАСОННЫЙ ЛОТОК ИЛИ ТАРЕЛКА ИЗ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК D21H11/00 D21H15/00 D21H21/56 D21H27/30 

Настоящее изобретение относится к способу изготовления фасонного лотка или тарелки из волокнистого материала. Настоящее изобретение также относится к фасонному лотку или тарелке из волокнистого материала, изготовленному с использованием способа согласно настоящему изобретению.

Уровень техники изобретения

Трехмерные изделия, такие как лотки и тарелки, изготавливаются из двумерного листа плотной бумаги или картона посредством термопрессования или глубокой вытяжки. Чтобы сделать картон пригодным для операции формования, в нем образуют складки или изгибы, проходящие как линии надреза по углам прямоугольного лотка или распределенные вдоль периферии, если лоток или тарелка имеет круглую или овальную форму. Такие изделия используются для упаковки пищевых продуктов или в качестве одноразовой столовой посуды.

Типичный упаковочный картон имеет трехслойную структуру, в которой средний слой из хемотермомеханической целлюлозы (CTMP) располагается между двумя наружными слоями химической целлюлозы. Когда картон лист посредством формования приобретает трехмерную конфигурацию, наибольшему напряжению подвергаются точки, которые превращаются в складки или изгибы. В результате этого возникает проблема, заключающаяся в том, что вследствие своей жесткости и ограниченной растяжимости картонный лист подвергается риску образования трещин в точках максимального напряжения.

Известный способ решения проблемы образования трещин представляет собой увеличение объема волокнистого листового материала. EP 1160379 B1 описывает пригодную для пресс-формования однослойную или многослойную основную бумагу для упаковочных контейнеров, которая может включать промежуточный слой низкой плотности (высокого объема) между двумя наружными слоями высокой плотности. Для достижения увеличенного объема указанная заявка предлагает добавление термически расширяющихся микрокапсул в качестве пенообразователя в суспензию целлюлозы, которая используется для изготовления слоя низкой плотности. Когда основная бумага пропускается через горячую воду, пенообразователь образует пену по мере высвобождения летучего расширяющегося вещества, и вспененная структура пониженной плотности сохраняется после высушивания основной бумаги. Сжимаемость слоя основной бумаги низкой плотности в направлении толщины составляет 10% или более, что обеспечивает улучшенную пригодность для формования и снижение растрескивания.

Еще одна технология вспенивания, предназначенная для увеличения объема волокнистого листа, представляет собой пенообразование, в котором целлюлоза превращается во вспененную суспензию, когда она поступает из напорного ящика на формующую сетку бумагоделательной или картоноделательной машины. Пенообразование отличается тем, объем увеличивается, но индекс растяжения уменьшается. Более объемная структура является более пористой, что вызывает уменьшение индекса растяжения. Для пенообразования требуется использование поверхностно-активного вещества, которое одинаково отрицательным образом влияет на прочность листа при растяжении в сухом и влажном состояниях. Считается, что такая потеря прочности при растяжении обусловлена поверхностно-активными веществами, которые адсорбируются на волокнах и, таким образом, препятствуют образованию водородных связей между волокнами.

Технология пенообразования оказалась особенно пригодной для использования в изготовлении тонкой бумаги. С другой стороны, при использовании пенообразования в изготовлении бумаги других типов было обнаружено ухудшение прочностных свойств по сравнению со стандартным влажным формованием, а также уменьшение стойкости к расслаиванию и модуля упругости. Однако WO 2013/160553 описывает изготовление бумаги или картона, в котором микрофибриллированная целлюлоза (MFC) смешивается с целлюлозой, имеющей волокна большей длины, и превращается в волокнистое полотно посредством использования пенообразования. Объем увеличивается, в частности, за счет среднего слоя, и в результате этого получается многослойный картон. MFC предназначается для создания мостиков между длинными волокнами, в результате чего получаемая бумага или картон приобретает повышенную прочность. Считается, что данная технология является применимой для складывания картонной тары и некоторых других изделий из бумаги и картона.

Следующий подход к использованию пены в изготовлении фасонных изделий описан в WO 2015/036659. Согласно этой ссылке, натуральные и синтетические волокна превращаются в водную вспененную суспензию, которая подается в форму и высушивается, образуя волокнистое изделие, такое как трехмерная упаковка, с соответствующей формой. Посредством введения различных вспененных суспензий на различных стадиях формование может использоваться для изготовления изделий, имеющих структуру с многослойными стенками.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обнаружить способ, который обеспечивает улучшение, в частности, в изготовлении фасонных трехмерных лотков и тарелок, для которых образование трещин на складках представляет собой проблему. Решение согласно настоящему изобретению представляет собой способ, который отличается следующими стадиями: (i) получение волокнистой целлюлозы, в которой волокна, в основном, состоят из по меньшей мере 85 мас.%, предпочтительно 90 до 100 мас.% волокон древесины мягких пород, имеющих среднюю длину волокна, составляющую по меньшей мере 2,0 мм и не более чем 15 мас.%, предпочтительно, от 0 до 10 мас.% бумажного брака, имеющего длину волокна, составляющую приблизительно 0,05 мм до 1,0 мм, (ii) превращение целлюлозы во вспененную суспензию, (iii) подача вспененной суспензии из напорного ящика на формующую сетку картоноделательной машины для формования волокнистого полотна, (iv) высушивание полотна для получения высушенного полотна, имеющего сжимаемость в направлении толщины, составляющую по меньшей мере 20% (посредством применения сжимающего напряжения, составляющего 20 кг/см²), и, (v) включение полотна в качестве слоя в картон, который превращается в вышеупомянутый лоток или тарелку посредством термопрессования или глубокой вытяжки.

Как правило, волокнистая целлюлоза, подлежащая вспениванию, может включать долю, составляющую 85 мас.% или более, свежей целлюлозы древесины мягких пород, имеющей длину волокон, которая описана выше, в смеси с долей, составляющей не более чем 15 мас.%, бумажного брака, имеющего длину волокон, которая описана выше. Соответствующие доли двух компонентов смеси составляют предпочтительно 88 мас.% и 12 мас.%, предпочтительнее - 90 мас.% и 10 мас.% и, наиболее предпочтительно - 95 мас.% и 5 мас.%. Хотя волокнистое вещество состоит, в основном, из вышеупомянутых компонентов, могут быть введены наполнители, которые не оказывают значительного влияния на формование.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что для изготовления фасонных трехмерных изделий, предназначенных для утилизации после использования, критические параметры представляют собой растяжимость и сжимаемость волокнистого полотна, которые определяются его большим объемом. Такой материал реагирует на формование посредством растяжения в точках максимального напряжения без образования трещин и в то же время сгибается, образуя складки, в которые помещается избыток материала. Желательные свойства неожиданно получаются без использования MFC в волокнистой смеси, подвергаемой пенообразованию. Оказывается достаточным, чтобы целлюлоза содержала длинные волокна древесины мягких пород в качестве своего преобладающего основного компонента, возможно смешанного с соответствующей меньшей долей бумажного брака, который представляет собой побочный продукт (отходы) от получения целлюлозы, используемой для изготовления картона. В случае многослойного картона, который может также включать невспененные слои высокой плотности (низкого объема), бумажный брак, пригодный для использования, содержит отходы целлюлозы для каждого из данных различных слоев. Короткие волокна, содержащиеся в бумажном браке, могут быть включены во вспененный слой высокого объема без ущерба для формуемости конечного картона, и при этом преимущественно никакой волокнистый материал не остается в качестве отходов от процесса в целом.

Помимо улучшения регулирования сгибания на стадии формования, настоящее изобретение обеспечивает более надежную герметизацию трехмерного лотка вдоль ее бортового края, когда лоток покрывается термически герметизируемой крышкой. Складки проходят в поперечном направлении по бортовому краю и должны блокироваться расплавленным покровным полимером таким образом, чтобы предотвращались утечки, которые могли бы загрязнять упакованный пищевой продукт.

В имеющем высокий объем полотне, изготовленном посредством пенообразование согласно настоящему изобретению измеренное прибором Ambertec нормированное формование может составлять ниже 0,8 г/м^0,5, предпочтительно ниже 0,6 г/м^0,5 и наиболее предпочтительно ниже 0,45 г/м^0,5. Объем высушенного полотна может находиться в интервале от 2,5 см³ до 7 см³.

При обычном влажном формовании на формующей сетке волокна ориентируются в плоскости получаемого полотна или ленты в машинном и поперечном машинному направлениях (ориентация в плоскости x-y). Однако в случае пенообразования волокна могут ориентироваться также и в вертикальном направлении (z), образуя пористую высокообъемную структуру с повышенной сжимаемостью. Увеличение до максимума доли длинных волокон древесины мягких пород увеличивает объем, достигается максимальная сжимаемость, и сжимающие силы распределяются более равномерно, обеспечивая в результате улучшенное препятствие для образования складок.

Особенное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что существующие картоноделательные машины, приспособленные для пенообразования, могут использоваться без дополнительной настройки. Производство картона и его превращение в лотки или тарелки может практически осуществляться экономичным образом.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере 95 мас.% волокон, используемых для вспененного слоя, представляют собой волокна древесины мягких пород со средней длиной волокна, составляющей 2,0 мм или более. Доля таких длинных волокон древесины мягких пород составляет от 95 до 100 мас.%, а остаток (от 0 до 5 мас.%) составляет бумажный брак с длиной волокна, составляющей не более чем 1,0 мм.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения волокна древесины мягких пород фракционируются таким образом, что уменьшается доля волокон, имеющих длину, составляющую менее чем 2,0 мм.

Волокна древесины мягких пород, используемые для настоящего изобретения, могут представлять собой волокна сосны (Pinus), ели (Picea) или дугласовой пихты.

Бумажный брак может также включать волокна древесины твердой породы. Это происходи, в частности, в том случае, когда картон представляет собой многослойный картон со слоями большей плотности (меньшего объема), изготовленными частично или полностью из волокон древесины твердой породы, таких как волокна березы (Betula).

Вспененная суспензия, поступающая на формующую сетку, может иметь концентрацию волокон в интервале от 0,65% до 2,5%. Это значительно превосходит концентрации, составляющие приблизительно от 0,35% до 0,60%, которые обычно используются в производстве бумаги. Для достижения хорошего формования плотной бумаги и картона требуется добавление коротких волокон, которые имеет недостаток уменьшенной прочности при разрыве. Однако за счет применения пенообразования концентрация может быть повышена, в то время как доля длинных волокон, составляющих 2,0 мм или более, увеличивается вплоть до 90 мас.% или более без ущерба для хорошей формуемости на сетке. Получаемое в результате высокообъемное полотно затем подвергается формованию для изготовления лотков или аналогичных трехмерных изделий без повреждения в точках максимального напряжения.

Например, додецилсульфат натрия (SDS) может использоваться в качестве поверхностно-активного вещества для образования пены. Подходящее количество поверхностно-активного вещества во вспененной целлюлозе, поступающей из напорного ящика, составляет от 10 до 100 массовых частей на миллион.

Настоящее изобретение может использоваться в изготовлении однослойных лотков или тарелок, а также многослойного материала, такого как плотная бумага или картон. Предпочтительно, полотно изготавливается посредством пенообразования, как описано выше, и располагается в качестве среднего слоя многослойного картона, в то время как наружные поверхностные слои на обеих сторонах от среднего слоя изготавливаются посредством обычного формования в водной среде из невспененной волокнистой целлюлозы. В данном случае е бумажный брак, используемый для среднего слоя, может включать волокнистый отходы от изготовления наружных поверхностных слоев.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, целлюлоза древесины мягких пород, используемая для среднего слоя, представляет собой CTMP, а целлюлоза для наружных поверхностных слоев представляет собой химическую целлюлозу или CTMP из древесины твердых пород или смесь целлюлозы из древесины мягких пород и древесины твердых пород. В данном случае бумажный брак, содержащийся в среднем слое, может включать смесь CTMP древесины мягких пород и целлюлозы древесины твердых пород или CTMP, т.е. отходы целлюлозы для каждого слоя.

Настоящее изобретение распространяется на фасонные лотки и тарелки из волокнистого материала, которые производятся с использованием способа, описанного выше.

На стадии термопрессования или глубокой вытяжки для формования лотка или тарелки в материале образуются складки или изгибы по углам или вдоль периферии фасонного изделия. Если это желательно, в материале могут быть предварительно сделаны линии надреза, определяющие положение складок. Посредством использования технологии пенообразования волокнистый слой допускает в местах линий надреза сжатие, составляющее по меньшей мере 20% в направлении толщины.

Пример

Для изготовления лотков получали трехслойный картон, включающий средний слой с поверхностной плотностью 180 г/м², расположенный между двумя наружными слоями с поверхностной плотностью по 60 г/м²; таким образом, картон имел полную поверхностную плотность 300 г/м². Волокнистый материал для наружных слоев содержал смешанную свежую химическую целлюлозу, включающую 60 мас.% березовой (древесины твердой породы) целлюлозы и 40 мас.% сосновой (древесины мягкой породы) целлюлозы. Волокнистый материал для среднего слоя представлял собой смесь 90 мас.% свежей сосновой (древесины мягкой породы) целлюлозы CTMP и 10 мас.% смеси бумажного брака, полученного от производства волокнистого материала для каждого из трех слоев. Таким образом, бумажный брак содержал долю целлюлозы, которая составляла приблизительно 25 мас.%. Сосновая целлюлоза CTMP для среднего слоя имела среднюю длину волокна выше 2,0 мм, в то время как длина волокна бумажного брака обычно составляла менее чем 1,0 мм.

Материал для среднего слоя был получен посредством смешивания (i) 90 мас.% сосновой целлюлозы CTMP и (ii) 10 мас.% бумажного брака, который включал отходы от производства вышеупомянутой сосновой CTMP, а также отходы от производства химической целлюлозы из березы (60%) и сосны (40%) для изготовления двух наружных слоев. Воду добавляли для достижения концентрации волокон, составляющей приблизительно 2% (не включая конечные наполнители).

Додецилсульфат натрия (SDS) в качестве поверхностно-активного вещества добавляли в смесь, чтобы превратить ее в пену, имеющую содержание воздуха от 60 до 70% и содержание SDS, составляющее приблизительно 50 частей на миллион. Пена немедленно поступала из напорного ящика на формующую сетку картоноделательной машины. Таким образом, вспененное полотно было изготовлено, обезвожено посредством всасывания воды через формующую сетку и высушено известным способом.

Полученное в результате высушенное полотно имело объем, составляющий приблизительно 5 см³/г, и поверхностную плотность 180 г/м².

Полотна для наружных слоев были изготовлены посредством смешивания 60 мас.% березовой целлюлозы и 40 мас.% сосновой целлюлозы (крафт-целлюлозы), превращения указанной смеси в водную композицию и изготовления полотен посредством использования стандартной технологии влажного формования на картоноделательной машине. Таким образом, были получены высокообъемные полотна, имеющие поверхностную плотность 60 г/м². Три полотна соединяли на картоноделательной машине, получая конечное трехслойное картонное изделие.

Для изготовления лотка прямоугольный кусок картона получали посредством линий разреза, выбитых с помощью пресса на четырех углах для определения положения складок, а затем осуществляли термоформование прямоугольного лотка глубиной 2,5 см при температуре, составляющей приблизительно 80°C, и влагосодержании, составляющем приблизительно 13%. Конечный лоток имел угловые складки, которые образовывались без трещин или других повреждений.

Изобретение относится к способу изготовления фасонного лотка или тарелки из волокнистого материала. Способ включает следующие стадии: (i) получение волокнистой целлюлозы, в которой волокна состоят из по меньшей мере 85 мас.% волокон древесины мягких пород, имеющих среднюю длину волокна, составляющую по меньшей мере 2,0 мм, и не более чем 15 мас.% бумажного брака, имеющего длину волокна 0,05-1,0 мм, (ii) превращение целлюлозы во вспененную суспензию, (iii) подача вспененной суспензии из напорного ящика на формующую сетку картоноделательной машины для формования волокнистого полотна, (iv) высушивание полотна для получения высушенного полотна, имеющего сжимаемость в направлении толщины, составляющую по меньшей мере 20%, и (v) включение полотна в качестве слоя в картон, который превращают в лоток или тарелку посредством термопрессования или глубокой вытяжки. Обеспечивается образование фасонных трехмерных лотков и тарелок без трещин. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 пр.

1. Способ изготовления фасонного лотка или тарелки из волокнистого материала, отличающийся следующими стадиями:

- получение волокнистой целлюлозы, в которой волокна, в основном, состоят из по меньшей мере 85 мас.% волокон древесины мягких пород, имеющих среднюю длину волокна, составляющую по меньшей мере 2,0 мм, и не более чем 15 мас.% бумажного брака, имеющего длину волокна, составляющую от 0,05 мм до 1,0 мм,

- превращение целлюлозы во вспененную суспензию,

- подача вспененной суспензии из напорного ящика на формующую сетку картоноделательной машины для формования волокнистого полотна,

- высушивание этого полотна для получения высушенного полотна, имеющего сжимаемость в направлении толщины, составляющую по меньшей мере 20%, и

- включение вышеупомянутого полотна в качестве слоя в картон, который превращают в вышеупомянутый лоток или тарелку посредством термопрессования или глубокой вытяжки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что от 90 до 100 мас.% волокон волокнистой целлюлозы представляют собой вышеупомянутые волокна древесины мягких пород, причем доля вышеупомянутого бумажного брака составляет от 0 до 10 мас.%.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что волокна древесины мягких пород фракционируют таким образом, что уменьшается доля волокон, длина которых составляет менее чем 2,0 мм.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что волокна древесины мягких пород представляют собой волокна сосны (Pinus), ели (Picea) или дугласовой пихты.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что вышеупомянутый бумажный брак включает волокна древесины твердых пород.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что вспененная суспензия, подаваемая на формующую сетку, имеет концентрацию волокон в интервале от 0,65 до 2,5%.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что вышеупомянутое полотно, полученное посредством пенообразования, располагают в качестве среднего слоя многослойного картона, в то время как наружные поверхностные слои на обеих сторонах вышеупомянутого среднего слоя изготавливают из невспененной волокнистой целлюлозы.

8. Способ по п. 5 или 7, отличающийся тем, что вышеупомянутый бумажный брак, используемый в качестве среднего слоя, включает отходы от изготовления вышеупомянутых наружных поверхностных слоев.

9. Способ по п. 7 или 8, отличающийся тем, что целлюлоза древесины мягких пород, используемая для среднего слоя, представляет собой хемотермомеханическую целлюлозу, а целлюлоза для наружных поверхностных слоев представляет собой химическую целлюлозу или хемотермомеханическую целлюлозу из древесины твердых пород.

10. Фасонный лоток или тарелка из волокнистого материала, изготовленный с использованием способа по любому из предшествующих пунктов.

11. Фасонный лоток или тарелка по п. 10, отличающийся тем, что он имеет складки, в которых слой, указанный в п. 1, сжимается по меньшей мере на 20% в направлении толщины.