SE0950819A1 - Ett bestruket substrat, en process för tillverkning av ett bestruket substrat, en förpackning och en dispersionsbestrykning - Google Patents

Abstract

Uppfinning hänför sig till ett bestruket fiberbaserat substrat innehållande en dispersionsbestrykning varvid dispersionsbestrykningen innehåller mikrofibrillerad cellulosa. Uppfinningen hänför sig även till en förpackning bildad av nämnda substrat, en dispersionsbestrykning och en process för tillverkning av nämnda substrat.

Description

15 20 25 30 35 ske med en enhet för barriärdispersionsbestrykning, vilket kommer utnyttja konventionella bestrykningstekniker. US 2002136913 beskriver en fiberbaserad produkt innehållande en barriär mot vattenånga tillverkad genom dispersionsbestrykning av vattenlösliga polymerer på den fiberbaserade produkten.

En annan viktig egenskap för en fiberbaserad produkt innehållande en barriär är att styrkan och framförallt dess böjstyvhet är tillräckligt bra för att en förpackning ska kunna bildas. Det är viktigt att förpackningen är tillräckligt stark för att säkerställa skydd för de förpackade produkterna både vid transport, förvaring och konvertering. Om böjstyvheten är för låg kommer den fiberbaserade produkten att bli spröd och det kommer att bli problem vid konvertering, speciellt vid bigning av produkten för att bilda en förpackning.

Det är också väldigt viktigt att barriären kan tåla kraven för det bestrukna fibersubstratet vid hantering, transport och konvertering.

Dispersionsbestrykningar kan, såsom tidigare har nämnts, användas för tillverkning av barriärer på en fiberbaserad produkt. Det har dock visat sig att dispersionsbestrykningar kommer att minska böjstyvheten hos den bestrukna fiberbaserade produkten och det kommer således bli problem vid bigning av produkten för att bilda en förpackning.

Det finns således ett behov för en förbättrad fiberbaserad produkt som innehåller en barriär.

Sammanfattning av uppfinningen Ett syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förbättrat fiberbaserat substrat innehållande en dispersionsbestrykning.

Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett återvinningsbart fiberbaserat substrat innehållande en dispersionsbestrykning.

Dessa syften och andra fördelar erhålls av substratet enligt krav 1.

Föreliggande uppfinning hänför sig till ett bestruket fiberbaserat substrat innehållande en dispersionsbestrykning varvid nämnda dispersionsbestrykning innehåller mikrofibrillerad cellulosa. Det har visat sig 10 15 20 25 30 35 att tillsats av mikrofibrillerad cellulosa (MFC) till en dispersionsbestrykning ökar styrkan och framförallt minskar sprödheten hos dispersionsbestrykningen och således även hos det bestrukna fiberbaserade substratet. MFC är dessutom ett återvinningsbart material vilket underlättar återvinning av det bestrukna substratet.

Díspersionsbestrykningen innehåller företrädesvis 0,5-20 vikts-% mikrofibrillerad cellulosa. Mängden MFC i dispersionsbestrykningen beror på slutanvändningen av det bestrukna substratet.

De mikrofibrillerade fibrerna kan ha en vid längdfördelning, företrädesvis mellan 100nm--200 um, dvs längden av den tillsatta MFC kan vara längre än MFC som normalt tillverkas. Det har visat sig att genom att öka längden på den tillverkade MFC ökar böjstyvheten av barriärskiktet.

Díspersionsbestrykningen innehåller åtminstone en polymer, företrädesvis polyvinylidenklorid (PVdC), polyvinylalkohol (PVOH), etylenvinylalkohol (EVOH), akrylatkopolymerer, modifierad styren, butadien, polyolefin, akrylonitril, fumar eller maleindiester, cellulosaester, stärkelseester, olika akrylat och metakrylat, vinylacetat eller en blandning av någon av dessa polymerer. Det är föredraget att använda polymerer som gör det möjligt att återanvända eller återvinna det bestrukna fiberbaserade substratet på ett enkelt sätt. Detta är en stor fördel med användningen av dispersionsbestrykning jämfört med till exempel extrusionsbestrykning.

Díspersionsbestrykningen bildar en barriär på ytan av substratet, det är föredraget att det är en barriär mot vätskor, ånga, fett, detergenter, syre eller andra gaser. Olika polymerer ger det bestrukna substratet olika barriäregenskaper, dvs valet av polymer kontrollerar egenskaperna på barriären.

Föreliggande uppfinning hänför sig också till en förpackning som är tillverkad av det bestrukna substratet beskriven ovan. Det bestrukna substratet är således försedd med en big och vikt för att bilda en förpackning.

Den bestrukna sidan av substratet är företrädesvis placerad inuti förpackningen. Det har visat sig att det bestrukna fiberbaserade substratet när substratet är försedd med en big och vikt, enligt uppfinningen, har 10 15 20 25 30 35 förbättrad motståndskraft mot, till exempel fett, när en polymer som ger barriären motståndskraft mot fett används. Den bildade förpackningen kommer således ha förbättrade egenskaper och vara mycket mer motståndskraftig, speciellt i bigarna.

Dispersionsbestrykningen enligt uppfinningen innehåller mikrofibrillerad cellulosa. Det har visat sig att tillsatts av MFC till en dispersionsbestrykning ökar dispersionens stabilitet.

Föreliggande uppfinningen hänför sig även till en process för att tillverka ett bestruket substrat varvid processen innefattar stegen; tillhandahålla ett substrat innehållande cellulosafibrer, applicera en dispersionsbestrykning till ytan av substratet varvid dispersionsbestrykningen innehåller mikrofibrillerad cellulosa och torka substratet för att bilda ett torkat bestru ket substrat.

Dispersionsbestrykningen appliceras företrädesvis genom valsbestrykning, spraybestrykning, slitsbestrykning, immersionsbestryknlng, gravyrvalsbestrykning, omvänd direkt gravyrvalsbestrykning och/eller kombinationer av dessa.

Dispersionsbestrykningen appliceras företrädesvis on-line i en pappers eller kartongmaskin. En stor fördel med processen enligt uppfinningen är att det är möjligt att tillsätta dispersionsbestrykningen innehållande MFC on-line i pappers eller kartongmaskinen.

Detaljerad beskrivning Uppfinningen hänför sig till ett bestruket fiberbaserad substrat innehållande en dispersionsbestrykning på åtminstone en sida av substratet.

Dispersionsbestrykningen innehåller mikrofibrillerad cellulosa. Det har visat sig att tillsats av mikrofibrillerad cellulosa till en dispersionsbestrykning förbättrar både vattenhållningsförmågan så väl som bigningsegenskaperna, dvs reducerar sprödheten hos bestrykningen och således även hos det bestrukna fibersubstratet. Tillsatsen av MFC till dispersionsbestrykningen förbättrar även dispersionens stabilitet. 10 15 20 25 30 35 Mikrofibrillerad cellulosa (MFC) (även känd som nanocellulosa) är ett material tillverkat från träcellulosafibrer, där de individuella mikrofibrillerna har delvis eller helt separerats från varandra. MFC är normalt väldigt tunn (~20 nm) och längden är vanligtvis mellan 100 nm to 1 pm. Dock kan mikrofibrillerna vara längre, till exempel mellan 10-100 pm men längder upp till 200 pm kan också användas. Fibrer som har flbrillerats och som har mikrofibriller på ytan och mikrofibriller som är separerade och lokaliserade i en vattenfas av en slurry inkluderas i definitionen MFC.

MFC kan produceras på ett antal olika sätt. Det är möjligt att mekaniskt behandla cellulosaflbrer så att mikrofibriller bildas. Produktionen av nanocellulosa eller mikrofibrillerad cellulosa med bakterier är ett annat alternativ. Det är även möjligt att tillverka mikrofibriller från cellulosa med hjälp av olika kemikalier och/eller enzymer som kommer bryta ner eller lösa upp fibrerna.

Ett exempel på tillverkning av MFC visas i WO2007091942 som beskriver tillverkning av MFC med hjälp av malning i combination med tillsats av enzym.

Monomerer eller hjälpbindemedel tillsätts ofta till en dispersionsbestrykning för att öka vattenhållningsförmågan hos dispersionen.

Mikrofibrillerad cellulosa har en väldigt hög vattenhållningsförmåga och det är således möjligt att minska mängden monomerer eller hjälpbindemedel som tillsätts till dispersionsbestrykningen. Tillsatsen av MFC till dispersionsbestrykningen gör det möjligt att kontrollera viskositeten hos dispersionen och detta gör det möjligt att förbättra körbarheten av bestrykningsutrustningen på ett väldigt enkelt sätt. Dessutom kan både vattenhållningsförmågan och förmåga att motstå fukt (hold out) hos bestrykningsskiktet förbättras genom den förbättrade möjligheten att kontrollera och justera dispersionens viskositet. En annan fördel med den ökade möjligheten att kontrollera och justera viskositeten är att fixering och penetration av bestrykningssmet i bestrykningsnypet förbättras så väl som det möjliggör bättre täckning och mindre håligheter när dispersonsbestrykningen appliceras till ytan av substratet. 10 15 20 25 30 35 Mikrofibrillerad cellulosa bildar dessutom ett vidsträckt nätverk i dispersionen och detta förbättrar kraftigt flexibiliteten av det torkade bestrykningsskiktet så väl som det reducerar sprickbildning av bestrykningsskiktet i konverteringsprocesser. Det tillsatta MFC ändrar även bindningsegenskaperna mellan baskartongen och barriärskiktet och detta påverkar och bidrar till förbättrat motstånd mot sprickbildning. Det har således visats att genom tillsats av MFC till en dispersion som företrädesvis innehåller en polymer ökar flexibiliteten och således även styrkan vid bigning och vikníng av det bestrukna fiberbaserade substratet.

Det har visats att tillsats av ganska långa mikrofibrillerade fibrer, till exempel med en längd av 5-200 pm eller företrädesvis mellan 5-50 um ytterligare ökar böjstyvheten av den bildade barriären.

Det är även möjligt att modifiera den mikrofibrillerade cellulosan innan tillsats till dispersionsbestrykningen. På detta sätt är det möjligt att erhålla en ännu starkare stabiliseringseffekt av dispersionen. Hur modifieringen av de mikrofibrillerade fibrerna sker, beror till exempel på de andra komponenterna närvarande i dispersionsbestrykningen. En möjlighet är att tillsätta kemikalier som kommer ändra laddningen på fibrerna och på detta sätt öka dispersionens stabilitet.

Dispersionsbestrykningen fungerar som en barriär och den kan således ge substratet förbättrat motståndskraft mot, till exempel, vätskor, ånga, fett, syre eller andra gaser. De mest vanligt använda barriärerna för vätskekartong är vattentållga barriärer. Produkter som används som matförpackningar innehåller ofta en barriär mot vattenånga, fett och/eller syre.

Dispersionsbestrykningen kan tillsättas till ytan av substratet med hjälp av flera olika tekniker, föredragna bestrykningstekniker är, blad, filmpress eller ridåbestrykning. Andra bestrykningstekniker kan även användas, såsom valsbestrykning, spraybestrykning, slitsbestrykning, immersionsbestrykning, gravyrvalsbestrykning, omvänd direkt gravyrvalsbestrykning och/eller kombination av dessa. Det kan också vara möjligt att använda stav, limpress, luftkniv, limpress, flexobestrykning, aniloxvals eller kombinationer av de nämnda teknikerna. 10 15 20 25 30 35 Dispersionsbestrykning som används för att bilda en barriär, dvs en barriärbestrykning, hänför sig till en bestrykningsteknik vid vilken en vattendispersion innehållande fina polymerpartiklar, såsom latex, appliceras på ytan av fibersubstratet för att efter torkning bilda en fast, icke-porös film.

På detta sätt är det möjligt att erhålla ett barriärskikt mot vätskor, ånga, fett, syre eller andra gaser genom en miljövänlig (återvinningsbar) och återuppslagbar bestrykning.

Dispersionsbestrykningar kan vara baserade på åtskilliga polymerdispersioner. Dispersionen innehåller spridda kolloidala polymerpartiklar och ett lösningsmedel, företrädesvis vatten. Exempel på polymerer och/eller tillsatsåmnen som vanligtvis används är polyvinylidenklorid (PVdC), poly(vinyl)alkohol (PVOH), etylenvinylalkohol (EVOH), akrylatkopolymerer, modifierad styren, butadien, polyolefin, akrylonitril, fumar eller maleindiester, cellulosaester, stärkelseester, olika akrylat och metakrylat, vinylacetat, sampolymerer av dessa eller andra naturliga blpolymerer och blandningar de nämnda polymererna. Ett antal ämnen kan också tillsättas för att förbättra barriär och andra egenskaper, såsom ytspånning, vätning, uppslamning, gnidmostånd, filmbildning etc på det bestrukna substratet.

“Polymefi såsom det används häri, kan användas för att referera till homopolymerer, sampolymerer, interpolymerer, terpolymerer, etc, Dispersionen kan också innehålla olika mängder fyllmedel för att öka till exempel körbarheten och kostnadseffektiviteten av processen och det tillverkade substratet. Dessutom kan vaxer, såsom parafin, carnauba vax och/eller akd kan användas för att hydrofobera ytan av det bestrukna substratet.

Det fast innehållet av dispersionsbestrykningen kan vara mellan 25-70 vikts-%. Viskositeten av dispersionen som används för dispersionsbestrykning är företrädesvis mellan 500-1000 mPas. Dispersionen kan dock spädas med vatten eller annat lösningsmedel för att erhålla den önskade viskositeten. 10 15 20 25 30 35 Substratet kan bestrykas med en konventionell bestrykning innan tillsats av dispersionsbestrykningen till ytan av substratet. På detta sätt kommer dispersionsbestrykningen binda starkare till substratet då ytan av substratet är jämnare. Penetreringen av vatten och/eller dispersionsbestrykningen in i ytan av substratet kommer även att minskas.

Det är också möjligt att applicera mer än ett skikt av dispersionsbestrykning till ytan av substratet. På detta sätt kommer ett mer jämnt bestrykningsskikt bildas då mängden bestrykning i varje skikt kan reduceras. Det är lättare att applicera ett tunt skikt bestrykning jämfört med om stora mängder bestrykning ska applicera i ett skikt.

Det är viktigt att kunna återanvända och återvinna fibrerna i en pappers eller kartongprodukt. Återvinning av en fiberbaserad produkt som har dispersionsbestrukits underlättas både vid tillverkningsprocessen av papperet och vid återvinning i slutet av livscykeln. Det är mycket enklare att återvinna en dispersionsbestrykning som är tillsatt till ett papper eller kartong jämfört med en laminerad eller extrusionsbestruken barriär. Det är också föredraget att dispersionsbestrykningen innehåller produkter som kommer från förnyelsebara källor, såsom från potatis, majs, spannmål, trä, xylan eller liknande produkter. Mikrofibrillerad cellulosa är en förnyelsebar källa och tillsatsen av mikrofibrillerad cellulosa kommer också förbättra och underlätta återvinning av dispersionsbestrukna produkter enligt uppfinningen.

Tillsatsen av dispersionsbestrykning sker företrädesvis on-line i pappers eller kartongmaskinen. Det kan dock även ske off-line.

Det bestrukna substratet kan vara bestruket på en eller bägge sidorna.

Det bestrukna substratet torkas efter tillsats av dispersionsbestrykningen och vilken konventionell torkningsteknik som helst kan användas.

Substratet är företrädesvis en pappers eller kartongprodukt. Andra produkter såsom textilier, plaster etc kan dock också användas.

Exempel En obestruken kartong användes som baskartong. Baskartongen har en ytvikt av 210 gsm och ett ytråhetstal enligt Bendtsen av 400-500 ml/min. 10 15 20 25 30 35 Baskartongen var dispersionsbestruken med en kommersiell tillgänglig dispersionsbestrykning vid namn Cartaseal TXU som är en latexbaserad dispersion i vatten som tillverkas av Clariant (UK). Dispersionen användes både som sådan som referens som hädanefter kallas ”Ref prov", och genom att blanda mikrofibrillerad cellulosa med dispersionen, som hädanefter kallas ”Prov MFC”. MFC tillsattes till dispersionen för prov MFC tills viskositeten (Brookfield) var ungefär 1000mPas.

Ark bestående av den obestrukna kartongen dispersionsbeströks med hjälp av en stavbestrykningsenhet. Dispersionsbestrykningen på bägge proven har en vikt av 15 gsm.

Arken torkades därefter.

Den mikrofibrillerade cellulosan tillverkades vid hög konsistens från blekt gransulfitmassa. Den blekta massan behandlades först mekaniskt i en raffinör vid en konsisten av 25% följt av enzymatisk behandling med cellulas med en aktivitet av 250ECU och massan behandlades slutligen mekaniskt i en raffinör vid en konsistens av 25%.

Vattenånggenomgång (VVVT R) mättes för barriärbestrykningarna enligt metoden beskriven i standarden ASTM F-1249. Ett Permatran - W 3/31 (Mooon) instrument användes. Ett provområde av kartongen av 5 cmz användes. Ngmmflödet var 200ml/min, Ngmafrief) flödet 100ml/min och RH var 50-51 %.

Fettgenomträngligheten bestämdes enligt den modifierade ASTM F119-82 metoden. Testproven provades både platta, och försedda med en big och vikta av en 2,07 kg vals. Proven på barriärsidan var därefter utsatta för kycklingfett vid 40°C and 0% RH. Tiden som krävdes för att en visuell ändring på motsatt sida av kartongen, dvs tiden för genomsynlighet, samt på TLC plattan med en 254 nm fluorescerande indikator placerad under kartongen, dvs tiden för fettet att tränga igenom, noterades. Proven kontrollerades var 15:e minut under den först timmen och en gång varje timme de efterföljande timmarna. Under andra dagen kontrollerades fettgenomträngligheten en gång. 10 Resultat: Tabell 1: WVTR mätt på proven.

WVTR vid 25°C och 50%RH Ref Prov 250 Prov MFC 190 5 Som kan ses från Tabell 1 minskar WVTR vid tillsats av MFC, dvs kartongen är mer motståndskraftig mot vattenånga.

Tabell 2: Motstånd mot fett Tiden för Tiden för genomsynlighet genomträngning (Show-throglh ) (Break-through) Ref Prov Platt 32-48 hours 32-48 hours Försedd med big <15 min <15 min och Vikt Prov MFC Platt 32-48 hours 32-48 hours Försedd med big 8-24 hours 32-48 hours och Vikt 10 Det kan ses från Tabell 2 att provet innehållande MFC i barriärbestrykningen erhåller god motståndskraft mot fett jämfört med referens provet. Det har överraskande visat sig att motståndskraften mot fett för provet försedd med big och som är vikt, förbättrades så mycket när MFC 15 tillsatts till dispersionsbestrykningen. Resultatet ovan visar att dispersionsbestrykningar som tidigare har använts inte är tillräckligt motståndskraftiga mot fett när provet är försedd med big och vikt. 20

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 11 Krav

1. Ett bestruket fiberbaserat substrat innehållande en dispersionsbestrykning kännetecknad av att nämnda dispersionsbestrykning innehåller mikrofibrillerad cellulosa.

2. Substratet enligt krav 1, kännetecknad av att dispersionsbestrykningen innehåller 0,5-20 víkts-% av mikrofibrillerad cellulosa.

3. Substratet enligt något av föregående krav kännetecknad av att längden på de mikrofibrillerade fibrerna är 100nm-200um.

4. Substratet enligt något av föregående krav kännetecknad av att dispersionbestrykningen innehåller åtminstone en polymer, företrädesvis polyvinylidenklorid (PVdC), polyvinylalkohol (PVOH), etylenvinylalkohol (EVOH), akrylatkopolymerer, modifierad styren, butadien, polyolefin, akrylonitril, fumar eller maleindiester, cellulosaester, stärkelseester, olika akrylat och metakrylat, vinylacetat, polymerer som kommer från potatis, majs, spannmål, trä, xylan eller liknande produkter eller en blandning av någon av dessa polymerer.

5. Substratet enligt något av föregående krav kännetecknad av att dispersionsbestrykningen bildar en barriär på ytan av substratet.

6. Substratet enligt krav 5 kännetecknad av att barriären är en barriär mot vätskor, ånga, fett, detergenter, syre eller andra gaser.

7. En förpackningen tillverkad av det bestrukna Substratet enligt krav 1- 6 kännetecknad av att Substratet är böjt eller vikt för att bilda en förpackning.

8. En dispersionsbestrykning kännetecknad av att dispersionsbestrykningen innehåller mikrofibrillär cellulosa.

9. Dispersionsbestrykningen enligt krav 8 kännetecknad av att dispersionsbestrykningen innehåller en polymer, vilket företrädesvis är 10 15 20 25 30 12 polyvinylidenklorid (PVdC), polyvinylalkohol (PVOH), etylenvinylalkohol (EVOH), akrylatkopolymerer, modifierad styren, butadien, polyolefin, akrylonitril, fumar eller maleindiester, cellulosaester, stärkelseester, olika akrylat och metakrylat, vinylacetat, polymerer som kommer från potatis, majs, spannmål, trä, xylan eller liknande produkter eller en blandning av någon av dessa polymerer.

10. Dispersionsbestrykningen enligt något av kraven 8-9 kännetecknad av att dispersionsbestrykningen innehåller 0,5-20 vikt-% av mikrofibrillerad cellulosa.

11. Dispersionsbestrykningen enligt något av kraven 8-10 kännetecknad av att dispersionsbestrykningen bildar en barriär på det bestrukna substratet.

12. En process för att tillverka ett bestruket substrat varvid processen innehåller stegen: -tillhandahålla ett substrat innehållande cellulosafibrer, - applicera en dispersionsbestrykning till ytan av substratet varvid dispersionsbestrykningen innehåller mikrofibrillerad cellulosa, -torka substratet för att bilda ett torrt bestruket substrat.

13. Processen enligt krav 12 kännetecknad av att dispersionsbestrykningen appliceras genom valsbestrykning, spraybestrykning, slitsbestrykning, immersionsbestrykning, gravyrvalsbestrykning, reversible direkt gravyrbestrykning och/eller kombinationer därav.

14. Processen enlig något av kraven 12-13 kännetecknad av att dispersionsbestrykningen tillsätts on-line i en pappers eller kartongmaskin.