Картонный лист и втулка из такого листа для намотки санитарно-гигиенических изделий, распадающиеся в воде в условиях ее переменной жесткости Российский патент 2024 года по МПК A47K10/16 D21H17/21 D21F11/02 

Изобретение относится к бумажной промышленности и заключается в разработке проклеенного в массе связующим агентом картона из беленой лиственной целлюлозы, распускающегося в холодной воде в условиях переменной жесткости, с целью получения водорастворимой втулки туалетной бумаги, аналогичной Zewa Aqua Tube®.

Втулка или сердечник представляет собой расходный материал в промышленном производстве в качестве основы для намотки фольги, упаковочной стрейч-пленки, скотча, липких лент, чековых лент в кассовых аппаратах, бумаги, картона, линолеума и других рулонных материалов с целью их сохранности.

Материал втулки должен иметь достаточную жесткость, чтобы выдерживать нагрузки и силы, которые действуют на рулоны в процессе их производства, транспортировки и хранения. Если материал втулки не имеет достаточной прочности, то рулон подвергается деформации. Это оказывает негативное влияние на качество получаемого продукта и на всю выходящую продукцию.

В настоящем изобретении картонная втулка используется в производстве санитарно-гигиенических средств, в частности, туалетной бумаги. Втулка обладает дополнительным свойством - растворимостью в воде. Данное решение является актуальным, т.к. оно удобно для конечного потребителя (втулку не нужно выбрасывать в урну, пополняя тем самым массу твердых бытовых отходов), экологично.

Из уровня техники известно изобретение «Способ изготовления распадающегося в воде бумажного листа, применение такого бумажного листа для изготовления сердечника, являющегося опорным элементом для рулона, распадающийся в воде бумажный лист и сердечник, изготовленный из такого бумажного листа» (Патент RU №2517129, опубл. 27.01.2013). Данный способ включает следующие стадии: обеспечение наличия по меньшей мере одной ленты из растворимого в воде связующего материала в виде сухой пленки, обеспечение наличия по меньшей мере двух лент, каждая из которых образована по меньшей мере из одного слоя из целлюлозных волокон, размещение упомянутой ленты из растворимого в воде связующего материала между упомянутыми двумя лентами из целлюлозных волокон, увлажнение, соединение и сжатие упомянутых трех лент, высушивание полученной таким образом составной ленты. Полученный таким образом лист может быть использован для изготовления сердечника, являющегося опорным элементом для рулона, для чего одну или большее количество полосок, полученных из упомянутого листа, наматывают по винтовой линии на цилиндрическую форму-сердечник. Лист в сухом состоянии содержит растворимый в воде связующий материал в количестве от 20% до 70%, предпочтительно 25 - 50% от массы готового листа. В качестве связующего материала может быть использован, например, поливиниловый спирт.

Известно изобретение «Распадающийся в воде лист из волокнистого материала, способ изготовления такого листа и применение листа из волокнистого материала для изготовления сердечника для рулона из абсорбирующего материала» (Патент RU №2575071, опубл. 10.09.2013). Данное изобретение относится к листу из волокнистого материала с базовой плотностью от 20 до 1000 г/м², который изготовлен мокрым способом изготовления бумаги и высушен путем теплообмена, распадается в воде менее чем за 120 с при измерении в соответствии со стандартом NFQ 34-020 и содержит от 10 до 70% крахмала и по меньшей мере 30% бумагообразующих волокон от общей массы сухого листа из волокнистого материала, при этом крахмал распределен по всей толщине листа равномерно.

Наиболее близким аналогом (прототипом) выбрано изобретение «Рулон абсорбирующего листа без втулки и способ его изготовления» (Патент RU №2754029, опубл. 25.08.2021), в котором предлагается безвтулочная технология, но с сохранением прочностных свойств рулона туалетной бумаги за счет склеивания отдельных витков основной продукции в области полого осевого канала. При этом используется водорастворимое композиционное покрытие, которое придает бумаге прочность в сухом состоянии и не препятствует ее дезинтеграции в воде после применения по назначению. Покрытие состоит из полимера (например, полиэфирполиола) и связующего вещества - PVP (ПВП) - поливинилпирролидона. Массовое отношение полимера к связующему веществу по патенту составляет не менее 92:8, предпочтительно - не менее 96:4.

Недостатками аналогов и прототипа являются небольшая скорость роспуска листов из волокнистого материала в холодной воде и отсутствие сведений о влиянии жесткости воды на дезинтеграцию таких листов.

Жесткость воды в разных регионах может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Как известно, на растворимость веществ влияет то, содержатся ли в воде другие вещества, т.е. в жесткой и в мягкой воде растворимость веществ может отличаться.

Актуальность оценки способности к роспуску картонной втулки в воде переменной жесткости обусловлена разным качеством воды в домашних хозяйствах разных регионов страны. В соответствии с СанПиН 1.2.3685-21 общая минерализация питьевой воды из центральных систем водоснабжения должна составлять не более 1 г/л, т.е. классифицируется как мягкая вода.

Однако в России по данным РБК за 2019 г. более 12 млн жителей не имеют доступ к центральному водоснабжению и еще 11 млн человек в 83 субъектах не обеспечены качественной водой. [https://realty.rbc.ru/news/5d9dc79e9a79472e2f90ccb37ysclid=lgv9tvjrbs721258083].

По данным Росстата за 2023 г. 9,7% граждан страны вообще не имеют центрального водоснабжения. [https://news.rambler.ru/other/41978824/?utm_content=news_media&utm_medium=read_more&utm_source=copylink].

Туалетная бумага относится к товарам массового потребления и применяется независимо от региона и качества воды. Поэтому и водоразлагаемая втулка должна показывать хорошую способность к роспуску независимо от качества и жесткости воды.

Задачей предлагаемого изобретения является получение водорастворимого (распускающегося в воде) картонного листа и втулки из него с увеличенной скоростью роспуска в холодной воде в условиях ее переменной жесткости.

Технический результат совпадает с задачей, а также дополнительно включает простоту изготовления картонной втулки (использование доступного сырья, однослойный или двухслойный картон, стандартный однокомпонентный клей, подходящий и для изготовления картона в качестве связующего вещества, и для изготовления втулки в качестве склеивающего агента), повышенную удельную прочность картона для втулки.

С целью создания распускающегося в воде картона со скоростью не более 7 с использовали беленую товарную лиственную целлюлозу.

Все небеленые, полубеленые целлюлозы и механические массы непригодны для получения водораспускающегося с высокой скоростью картона. Такие полуфабрикаты характеризуются повышенным содержанием остаточного лигнина, который после сушки ороговевает (стеклуется), закупоривает поры на поверхности клеточной стенки целлюлозного волокна и, как результат, приводит к резкому снижению впитывающей способности волокнистого полуфабриката и, как следствие, картона.

Образцы картона изготавливали в лабораторных условиях мокрым способом путем осаждения переплетенной структуры из целлюлозных волокон на сетке в соответствии с ГОСТ 14363.4-89. Образцы стандартные, изотропной структуры. Базовая плотность образцов (масса одного квадратного метра в граммах) составляла 180, 250 и 340 г/м². Размол волокнистых полуфабрикатов проводили в центробежном размалывающем аппарате типа Йокро. Принятая степень помола составляла 18 и 20°ШР.

На этапе приготовления картонной массы в целлюлозную суспензию вводили связующий агент в виде водного раствора и через напускное устройство подавали на сетку для формования картонного листа. Из сформированного на сетке листа удаляли избытки воды методом прессования и последующей сушки. Температура сушки (температура поверхности сушильных цилиндров) 110-115°С.

В качестве водорастворимого связующего агента при производстве картона использовали следующие химические вещества:

- КМЦ - карбоксиметилцеллюлоза в форме белого порошка. Приготовление раствора проводили растворением навески КМЦ в воде комнатной температуры 20-25°С, концентрацией 0,5% - 1,0% (предпочтительно 0,5%) при постоянном перемешивании. Приготовленный раствор выдерживали перед применением в течение 2-4 часов для полного набухания частичек КМЦ. Наибольшая эффективность наблюдается при использовании клея в течение 4 часов после набухания. Срок хранения клея не более 7 дней. Имеет 3 класс опасности - умеренно опасные вещества, в соответствии с ГОСТ 12.1.007.

- ПВП - поливинилпирролидон марки К-30 в форме белого мелкодисперсного порошка. Приготовление раствора проводили растворением навески ПВП в теплой воде температурой не выше 50-60°С, концентрацией 1% - 15% (предпочтительно 1%, для удобства дозирования) при постоянном перемешивании до полного растворения порошка. Готовый раствор не требует выдерживания. Срок хранения клея не более 7 дней. Не классифицируется как опасный для водной среды. Не категорируется по классу опасности по степени воздействия на организм, ГОСТ 12.1.007.

- ПЭПА - полиэтиленполиамин, не требует приготовления, использовали в виде раствора желто-коричневого цвета. Срок годности раствора не более 6 месяцев. Имеет 3 класс опасности - умеренно опасные вещества, в соответствии с ГОСТ 12.1.007

Указанные добавки дозировали отдельно друг от друга и с получением разных образцов картона. Все они участвуют в связеобразовании, что приводит к повышению прочности картонного листа в сухом состоянии и повышению способности к роспуску в воде. Роспуск в воде обеспечивается водорастворимой природой используемых связующих добавок.

Содержание связующего агента в образце картона составляет 0,3-1,0 вес. %, целлюлозы - 99,0 - 99,7 вес. %.

Результаты испытаний на прочность и удлинение образцов картона при растяжении согласно ГОСТ ИСО 1924-1 показали, что образцы, проклеенные ПВП и ПЭПА имеют удовлетворительные результаты: 5-9 кН/м и 1,4 - 1,6% соответственно.

Способность образцов картона (втулки) к роспуску определяли по методике Afnor NFQ 34-020 при оборотах мешалки 400-800 мин^-1, температуре воды 16-20°С. Навеска образца картона составляла 3,88 г или размер образца - 9×8 см. Роспуск проводили на лабораторном гидроразбивателе - дезинтеграторе модели N2101, объемом 8 л (представлен на фиг. 1). Скорость вращения мешалки регулировали в диапазоне 400-800 мин^-1.

Все образцы картона независимо от массы, степени помола и клея имели удовлетворительную способность к роспуску в холодной воде. Размер нераспустившихся частиц в среднем составлял 20±10 мм при роспуске в течение 5 сек.

На фигурах 2, 3 и 4 показаны фотографии нераспустившихся кусков при диспергировании образцов картона степени помола 20°ШР разной базовой плотности (1 - 180 г/м², 2 - 250 г/м², 3 - 340 г/м²) и с разными связующими добавками при времени роспуска 5 сек.

Самые крупные нераспустившиеся куски обнаружены у образцов, проклеенных КМЦ.

Размер нераспустившихся кусков картона не зависит от времени роспуска. Колебания размеров нераспустившихся фрагментов картона в течение 5 и 7 с находятся в пределах погрешности эксперимента для всех исследуемых образцов.

При степени помола целлюлозы 18°ШР размеры нераспустившихся кусков примерно в 1,5 раза меньше, чем при степени помола 20°ШР.

Повышение массы 1 квадратного метра картона от 180 до 340 г приводит к худшему роспуску.

Таким образом, лучший результат растворимости в воде показал образец картона, состоящий из целлюлозы со степенью помола 18°ШР, базовой плотностью 180 г/м² в количестве 99 вес. %, проклеенный связующими агентами ПВП или ПЭПА в количестве 1 вес. % (предпочтительный состав).

Втулку для намотки санитарно-гигиенических изделий изготавливали из картонного листа, описанного выше, путем винтовой намотки в один или два слоя (для картона базовой плотностью 250 - 340 г/м² в один слой, для картона базовой плотностью 180 г/м² - в два слоя). В качестве водорастворимого связующего агента для склеивания использовали растворы ПВП или ПЭПА или КМЦ, приготовленные по описанным выше методикам, с расходом не более 5 г/м².

Оценку растворимости в воде переменной жесткости изготовленных втулок вели в сравнении с втулкой Zewa Aqua Tube. Необходимо отметить, что данных по способности к роспуску данной втулки в воде переменной жесткости в открытых источниках не представлено.

Воду с разной степенью жесткости моделировали в лабораторных условиях. В качестве солей жесткости использовали соли CaCl₂ и MgSO₄ в соотношении 4:1. Жесткость воды варьировали в диапазоне 1-10 г⋅экв/л: 1-2 г⋅экв/л - мягкая, 5 г⋅экв/л - средней жесткости, 10 г⋅экв/л - жесткая.

Испытания втулок на роспуск в холодной воде переменной жесткости показали, что разрабатываемый картон и втулка из него имеют значительные преимущества не только по скорости роспуска, но и по способности роспуска в воде переменной жесткости по сравнению с втулкой Zewa Aqua Tube.

Втулка Zewa Aqua Tube, покрытая крахмальным клеем по всей поверхности, в жесткой и среднежесткой воде смачивается хуже и не распускается за 5 сек и более. Это объясняется образованием на ее поверхности гидрогеля в результате взаимодействия катиона кальция в составе воды с клеящим веществом (крахмалом) на поверхности втулки. [The effect of Са ions on the pasting, morphological, structural, vibrational, and 2+ mechanical properties of corn starch-water system Maria de los Ángeles Cornejo-Villegas, Natalia Rincón-Londoño, Alicia Del RealLópez, Mario E. Rodriguez-Garcia]. Гидрогель в свою очередь препятствует дальнейшему проникновению воды вглубь втулки и, как следствие, ее дезинтеграции. Данный эффект ощущается тактильно. Применение в качестве водорастворимых связующих агентов КМЦ, ПВП и ПЭПА, которые имеют активные реакционные группы (амидные, карбоксильные и др.), вступающие в реакцию с солями жесткости, в первую очередь, с катионом Са²⁺, нейтрализует соли жесткости в воде. При этом поверхность картона остается смачиваемой и не препятствует дезинтеграции втулки.

На фигурах 5-8 представлены фотографии с нераспустившимися кусками втулок со связующими агентами ПВП, ПЭПА и КМЦ и втулки Zewa Aqua Tube в условиях переменной жесткости воды. Время роспуска 7 с. Как видно из данных фигур втулка Zewa Aqua Tube в воде средней жесткости и жесткой не распустилась на отдельные волокна, а только распалась на 2-4 крупных фрагмента, частично сохранивших форму втулки. При роспуске втулок со связующим агентами КМЦ, ПВП, ПЭПА через 7 с. втулка распустилась на отельные фрагменты со средним размером 30-40 мм для воды средней жесткости и жесткой. В мягкой воде все исследуемые образцы втулки, в том числе втулка Zewa Aqua Tube, распустились одинаково хорошо, размер нераспустившихся фрагментов не превысил 15-20 мм.

Таким образом, водорастворимая картонная втулка по предлагаемому изобретению характеризуется высокой скоростью роспуска в холодной воде с показателем общей жесткости выше 4 г⋅экв/л. Втулка может использоваться для намотки санитарно-гигиенических изделий, в том числе, туалетной бумаги.

Группа изобретений относится к области производства гигиенических изделий, а именно к водорастворимому картонному листу и втулке из водорастворимого картонного листа для намотки санитарно-гигиенических изделий. Масса одного квадратного метра водорастворимого картонного листа находится в пределах от 180 г до 340 г, при этом он получен мокрым способом из волокон беленой лиственной целлюлозы, связь между которыми осуществлена с помощью водорастворимого связующего агента - раствора карбоксиметилцеллюлозы либо поливинилпирралидона, либо полиэтиленполиамина, при этом содержание связующего агента в составе листа 0,3-1,0 вес. %, целлюлозы - 99,0-99,7 вес. %, а связующий агент добавлен в целлюлозную суспензию на этапе приготовления картонной массы. Втулка для намотки санитарно-гигиенических изделий из водорастворимого картонного листа, выполненна путем его винтовой намотки в один или два слоя, причем для склеивания втулки использован раствор поливинилпирралидона либо полиэтиленполиамина, либо карбоксиметилцеллюлозы с расходом не более 5 г/м2, втулка выполнена с возможностью распускаться не более, чем за 7 секунд в воде с жесткостью в диапазоне 1-10 мг-экв/л при температуре 16-20°С. Технический результат - получение водорастворимого (распускающегося в воде) картонного листа и втулки из него с увеличенной скоростью роспуска в холодной воде в условиях ее переменной жесткости. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Водорастворимый картонный лист, масса одного квадратного метра которого находится в пределах от 180 г до 340 г, характеризующийся тем, что он получен мокрым способом из волокон беленой лиственной целлюлозы, связь между которыми осуществлена с помощью водорастворимого связующего агента - раствора карбоксиметилцеллюлозы либо поливинилпирралидона, либо полиэтиленполиамина, при этом содержание связующего агента в составе листа 0,3-1,0 вес. %, целлюлозы - 99,0-99,7 вес. %, а связующий агент добавлен в целлюлозную суспензию на этапе приготовления картонной массы.

2. Втулка для намотки санитарно-гигиенических изделий из водорастворимого картонного листа, выполненная путем его винтовой намотки в один или два слоя, причем для склеивания втулки использован раствор поливинилпирралидона либо полиэтиленполиамина, либо карбоксиметилцеллюлозы с расходом не более 5 г/м², втулка выполнена с возможностью распускаться не более, чем за 7 секунд в воде с жесткостью в диапазоне 1-10 мг-экв/л при температуре 16-20°С, при этом масса одного квадратного метра водорастворимого картонного листа находится в пределах от 180 г до 340 г, водорастворимый картонный лист получен мокрым способом из волокон беленой лиственной целлюлозы, связь между которыми осуществлена с помощью водорастворимого связующего агента - раствора карбоксиметилцеллюлозы либо поливинилпирралидона, либо полиэтиленполиамина, а содержание связующего агента в составе листа 0,3-1,0 вес. %, целлюлозы - 99,0-99,7 вес. %, при этом связующий агент добавлен в целлюлозную суспензию на этапе приготовления картонной массы.