CN1184830A - 木质素基水汽屏蔽组合物 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适宜于在纸基质上涂布和层压的水汽屏蔽组合物;包括在分散体内的有机溶剂木质素、云母和胶乳。层压纸产品能再回收。

Description

木质素基水汽屏蔽组合物

一般来说，水汽屏蔽是一个或多个多层装货容器袋或包装袋屏障，它或者本身具有某种程度的防止水汽从周围大气进入包装品的能力，或者已涂布，浸渍或层压有使它具有这种抵抗性的材料。水汽屏蔽一般用水汽透过速率(WVTR)评估，WVTR是水汽在给定温度和相对湿度下透过水汽屏蔽的速率。水汽屏蔽一般用来保持产品免受能导致产品内部发生物理或化学变化从而无法使用的对潮气的亲和。

纸广泛用于许多工业和机械领域，例如生产挠性包装纸板、瓦楞纸板及固体纤维纸板。

纸的物理性质及相对低的成本是它在一些领域受欢迎的重量考虑因素。

传统纸的一些性能限制了它在许多机械领域内的应用，例如，传统纸易吸潮、湿强度格外低。当普通纸直接接触水或暴露在大气中时很容易吸收环境水，结果基本上没有湿强度。对于许多纸产品，这种暴露于潮气及所造成的湿强度降低能破坏它们的使用性，使纸不能用于某些领域的另一性质是它吸收油和脂从而不适于包装含油或脂的产品。

为了扩大纸的用途，一直用其它材料对纸进行处理、层压、涂布或结合以形成抗渗水屏蔽来满足特定最终用途的需要。最常见的要求纸有屏蔽用途有要求防水、防潮、耐脂、耐油、耐气和隔味的多层装货袋、包装纸和食品包装纸。

当多层牛皮纸与具有特殊性质的一种或多种屏蔽材料相结合时可得到成本/性能比值平衡的包装纸。涂层常以单层或多层挤压在多层牛皮纸基质上。除了由两层或更多层的特殊性质的树脂组成的复合单膜外，涂层和膜还利用数量日益增加的可得聚合物和改性聚合物，这些结构的膜可用挤压或粘结层压或复合挤压来制造。

装货袋膜常被称为自由或无载体膜。然而在所生产的袋中它们常显得象是有载体膜，即它们通过粘结或热层压而接合。至今为止用于多层装货袋的体积增加最高的塑料涂层或膜是聚乙烯，它可被制备有一定范围的密度、不同的强度、柔韧性和熔点。主要的优点因素有可得性、低成本和它作为水汽屏蔽的特性，该特性是对装货袋最常见的屏蔽要求。

层压纸是一种通称，涉及至少一层纸结合在一叠或多叠纸、塑料膜、玻璃纸、箔或其它材料上的任意组合，因而层压纸的范围例如可以从由淀粉胶粘结的两张平板牛皮纸变化到被层压到聚乙烯/箔/聚乙烯上的牛皮纸复杂结构。

箔/纸层压材料是通过粘结剂或层压剂，通常为蜡的热熔合或聚乙烯挤压把牛皮纸结合到连续金属箔板上。

耐脂纸同玻璃纸和植物羊皮纸一起用作含脂或油产品的屏蔽。耐脂纸利用特殊的被“水合”的亚硫酸盐或硫酸盐(牛皮)纸浆制造。玻璃纸是通过把耐脂板在高压和高温下穿过一系列交替的纤维与被蒸汽加热的钢轧辊而制造的。除了耐脂性外，玻璃纸还具有良好的加工性、优异的印刷面，并能容易地与各种膜和箔结合以满足特殊的包装要求。由于蜡层材料在120°F以上软化，因此蜡层压玻璃纸不适于在包装操作中直接接触很热的产品。

在植物羊皮纸中，现已用硫酸盐或牛皮木材纸浆代替了棉纤维，用经漂白的未上胶且没有其它填料的薄层纸作为原纸。植物羊皮纸用于包装用途的显著特性是它的耐脂性高且湿强度高。标准牌号纸能耐几乎任意类型的油、脂、松脂等的渗透，并在湿时保留高百分数的强度。由于其内在的低干燥强度性能，在覆盖设备时它难以操作。

卷筒纸用包装纸常被称为用于包裹纸卷以免它们再吸收潮气和白度回转的纸。在卷筒纸用包装纸中作为水汽屏蔽的最常用材料是石油基产品例如聚乙烯、聚丙烯或蜡。这些产物具有优异的水汽屏蔽性能；能经济地使用并已广泛用于工业中。卷筒纸用包装纸典型地是通过用蜡或聚乙烯把两层挂面纸层压在一起而制造的。

虽然塑料膜和卷筒纸用包装纸有良好的屏蔽性能，但由于屏蔽材料(聚乙烯、聚丙烯或蜡)污染最终产品并导致在筛选和其它造纸设备中的操作困难，故它们不能再回收进纸内。因此在使用后必须从纸回收***仔细地去除卷筒纸用包装纸并进行填埋。由于可利用填埋处的日益减小，故填埋的费用惊人的高。

填埋的一个替代方案是焚化和堆肥(composting)的方法，由于焚化涉及向大气的排放和灰的毒性而污染环境，考虑到这点，堆肥比焚化得到更广泛的应用。假定要被堆肥的材料具有合适的碳氮比即对每一个氮有25到30个碳，则堆肥就会得到越来越多人的接受。

由于填埋空间减少、再回收涉及的成本过高，故水汽屏蔽包装纸的再回收已成为一大问题。因此需要通过改变水汽屏蔽涂层或层压层使包装纸与典型纸再回收工艺更相容。

通过本发明的方法，提供了与环境相容的适于层压的木质素基组合物。该组合物是水基的，满足了水汽屏蔽的技术条件及包装产品的性能要求，与现行的工业标准相比促进了再循环性。有机溶剂木质素具有疏水性；是本发明的组合物的良好候选材料。

本发明的一个目的是提供水汽屏蔽组合物。该组合物由有机溶剂木质素、云母和胶乳组成。在一个实施方案中，该木质素被包括在氨水分散体内，在另一实施方案中，该木质素被包括在聚丙烯酸酯分散体内。本发明的组合物可被涂布和层压在纸基质上制造一种能再循环的层压纸产品。

从下面所给的优选实施方案的更详细说明中能较容易地确定本发明的其它特征和方面以及其它优点。

本发明所用的木质素是通过一种新颖的基于有机溶剂例如乙醇的化学脱木质素技术从植物生物悬浮物分离出的少量生物聚合物。它是一种自由流动的无毒粉末，一般称为有机溶剂木质素。它常于碱溶液和特定有机溶剂中，它的一般特征有疏水性、高纯度、熔体流动以及低水平的碳水化合物和无机杂质。

本发明的木质素可配成一种水基的水汽屏蔽组合物，其途包括但并不限于卷筒纸用包装纸、卷筒纸用封头纸、夹板包纸(skid wraps)、多层袋、抗潮纸芯、瓦楞箱和食品包装。进而，当层压在适宜的纸基质上时，用本发明的木质素能制备出与环境相容的最终产品。该最终产品能通过再打浆并把木质素留在再循环纸内而再循环，或者通过抽提从层压纸去除木质素。

该木质素可配成一种使用氨水的水分散体，获得该木质素分散体的方法一般是通过把木质素与氨水溶液一起混合使分散体的最终PH值为从大约8到大约12。为了得到适宜的粘度可把木质素的粒径磨细到最终粒径为从约0.1微米到20微米，优选从约0.5微米到约1.5微米，该分散体可为木质素产生自分散剂，而且氨水是易挥发的阳离子，它在干燥时能被驱走在组合物内留下疏术性的木质素，或者，也能使用其它分散剂或分散助剂。

这样所得的木质素分散体可与胶乳例如丁苯橡胶、偏二氯乙烯丁二烯、氯丁橡胶或任何其它能降低木质素的玻璃转变温度的非挥发性非迁移的胶乳相混合，必须时可添加填料例如云母，云母的作用是稳定涂布分散体且据认为它是一种水汽屏蔽材料。配比以干重计算为约40％到约60％的木质素、最高33％的云母和约5％到约35％的胶乳、这样所得的木质素组合物可层压在合适的纸基质如挂面纸或牛皮纸上。

在另一实施方案中，木质素可配成利用一种在酸***内稳定的分散剂例如聚丙烯酸酯的水基分散体。获得该木质素分散体的方法一般是通过把木质素与该分散剂的水溶液相混合以使分散体的最终PH值为微碱性到中性。为获得合适的粘度。可把木质素的粒径磨细到最终粒径为从约0.5微米到约5微米。

这样所得的聚丙烯酸酯木质素分散体可与胶乳例如聚乙酸乙烯酯或任何其它具有良好粘结性能并能降低木质素的玻璃转变温度的非挥发性非迁移胶乳相混合。必要时可添加一种填料例如云母、云母的作用是稳定涂布分散体且据认为它是一种水汽屏蔽增强剂。配比以干重计算为约5％到约40％的木质素、最高20％的云母和约40％到约60％的胶乳。

本发明的木质素组合物可用作适宜纸基质如牛皮纸或挂面纸的涂层。可使用任何适宜的技术如Meyer棒或前辊涂布器(forward rollcoater)。然后把已涂布纸基质层压到涂布量为从40到约60g/m²。组合物内作为粘结剂的胶乳的类型将决定要使用的层压工艺。因而如果胶乳降低了木质素的玻璃转变温度但不具有冷粘结性能，涂层就需要进行干燥然后通过加热、加压进行层压。如果胶乳具有良好的粘结性能，涂层就不需进行如上种情况内相同程度的干燥，并且层压不需同样多的加热或加压。本发明的层压材料可提供的WVTR值为从约4到约600g/m²/天。

本发明的层压纸可通过与无机碱例如氢氧化钠、氢氧化铵或PH值为从约10到约12的高碱性碳酸盐一起打浆而再循环。浆料在典型的打浆条件下混合以使层压纸碎裂成单独的纤维素纤维和一种碱性木质素溶液。该纸浆在例如滚筒过滤机或压滤机上进行过滤以把木质素溶液与被用来造纸的纤维毡分离。滤液可酸化到PH值为从约4到约6以再生木质素，或者，层压产品可在中性条件下再打浆使木质素留在纤维上。由于这种类型的手段导致再循环纸多少有些斑点，因此所得到的纤维更适于用在看不到斑点的多层纸产品的内层。相反，含蜡和聚乙烯的纸甚至不能用作内层中的填料，因为在造纸机的干燥区内它们迁移或渗漏到纸的表面引起操作故障。因而现在蜡或聚乙烯层压纸是被填埋或烧掉。

实施例1

通过在氨水溶液内混合45％的木质素使PH值为10而准备好木质素分散体。为了降低粒径，木质素分散体流过由Premier MillCorporation制造的称为Supermill的水平研磨机，粒径从1微米以下10％磨细到1微米以下87％。

实施例2

实施例1的木质素分散体被加在表1所示的涂料组合物里。

          表1

组分	重量百分比(％)
		木质素	27.45
填料	14.10
		胶乳	8.30
流变改性剂	0.15
		水	50

在25℃和100rpm下测得的最终Brookfield粘度为约2000cps。最终固体含量为约50％，PH值为约8。

实施例3

通过在聚丙烯酸酯溶液内混合45％的木质素使PH值为6到7而准备好木质素分散体。为了降低粒径，对木质素分散体进行如实施例1中的处理。

实施例4

实施例3的木质素分散体被添加  以制成表2所示的组合物。

        表2

组分	重量百分比(％)
		木质素	20.30
填料	8.70
		胶乳	28.71
分散剂	0.29
		水	42.0

在25℃和100rpm下测量的最终Brookfield粘度为约2500cps，最终固体含量为约58％，  PH值为约6.5。

实施例5

在卷筒速率为30m/min下把实施例2的组合物施加在原纸上以便达到预定湿度为5％，层压涂布量为44到54g/m²。涂布了三种不同的原纸：26磅挂面纸，50磅牛皮袋和60磅的薄层卷纸原纸。WVTR的测量结果表明，在25℃和50％RH下对于涂布量为44.5g/m²的WVTR的平均值为7.3g/m²/天，测量是在MOCONPermatran-W3/31上进行的。

实施例6

在卷筒速率为400m/min下把实施例4的组合物施加在78磅挂面纸原纸上以达到预定层压涂布量为40到48g/m²和湿度为8到10％。WVTR的测量结果表明在40℃和100％RH下对于涂量为43.9g/m²的WVTR平均值为483g/m²/天。测量是在MOCONPermatran-W3/31上进行的。

实施例7

用实施例6的木质素涂布包装了7个卷筒纸，用蜡包装纸包装了7个对比卷筒纸(两次包装)。在包装站和卷曲站没发现差异。发现木质素包装卷为紧密的包装，这起因于卷筒纸用包装纸的水分含量稍高。

把卷筒分为两组。一组8卷(4卷蜡纸+4卷木质素包装纸)贮放在25℃和56％RH下，另一组贮放在37℃和40％RH下以模拟高温贮放条件。从卷筒抽取纸样，间隔1/2英寸一直到深度5/2英寸。贮放32天后分析纸样有无任何温度和白度变化。

对于用涂蜡包装纸包装的或用有机溶剂木质素组合物包装的卷筒没有显著的白度和湿度变化差异。如表3所示，变化的幅度很小，认为是在涂层纸或测量本身的波动范围内。

                       表3

	白度(ISO)	湿度(％)
			蜡包装纸
起始	74.2	4.52
			最后(25℃，56％RH)	74.3	4.65
最后(37℃，40％RH)	73.7	4.65
木质素包装纸
			起始	74.1	4.41
最后(25℃，56％RH)	74.0	4.6
			最后(37℃，40％RH)	73.9	4.6

实施例8

本实施例中，通过在PH值75、稠度4.5％条件和在高速度下使用200HP打浆机与水再打浆而再回收实施例6的层压纸。

再打浆的木质素涂层纸含有大片黑色木质素涂层。该料与作为纤维的旧报纸以50∶50的配比使用来制造6层粗纸板产品的中间层(第2层到第5层)。这是在130英寸切边(trim)、100m/min下用6筒kobayashi Ultra-Former制造的以生产出基重为720g/m²的多层粗纸板，其湿度为5.5％，厚度为500微米，所得粗纸板的质量与只使用旧报纸时所得的产品的质量一样好。没有证据表明木质素从内层迁移到表面。没观察到翘曲现象或其它尺寸问题。

总之，木质素涂层纸被证明能再打浆。如果再循环纸内不许出现木质素斑点，则可把含木质素的备料限用在例如粗纸板的领域，这里它可被加在内层中以隐藏起可见的木质素斑点。

以前述说明可了解本发明及其许多附属优点，很显然只要不脱离本发明的本质和范畴或牺牲的所有其材料优点，可以进行各种改变和变动，前面所述的特定材料，工艺和实施例只是优选实施方案。

Claims (18)

1.一种适宜层压在纸基质上的水汽屏蔽组合物，包括以干重计算从约40％到约60％的有机溶剂木质素，最多33％的云母和从约5％到约35％的胶乳。

2.根据权利要求1的组合物，其中所说的木质素被包括在氨水分散体内。

3.根据权利要求2的组合物，其中所说的木质素粒径为从约0.2到约20微米。

4.一种适宜层压在纸基质上的水汽屏蔽组合物，包括以干重计算从约5％到约40％的有机溶剂木质素，最多33％的云母和从约5％到约35％的胶乳。

5.根据权利要求4的组合物，其中所说的木质素被包括在聚丙烯酸酯分散体内。

6.根据权利要求5的组合物，其中所说的本质素的粒径为从约0.5到约5微米。

7.一种由纸基质和含有水汽屏蔽组合物的涂层组成的可再回收层压纸，水汽屏蔽组合物包括以干重计算从约40％到约60％的有机溶剂木质素、最多33％的云母和从约5％到约35％的胶乳。

8.根据权利要求7的层压纸，其中所说的木质素被包括在氨水分散体内。

9.根据权利要求8的层压纸，其中所说的木质素的粒径为从约0.1到约20微米。

10.一种由纸基质和含有水汽屏蔽组合物的涂层组成的可再回收层压纸，水汽屏蔽组合物包含以干重计算约5％到约40％的有机溶剂木质素、最多33％的云母和从约5％到约35％的胶乳。

11.根据权利要求10的层压纸，其中所说的木质素被包括在聚丙烯酸酯分散体内。

12.根据权利要求11的层压纸，其中所说的木质素的粒径为从约0.5到约5微米。

13.一种具有水汽屏蔽性能层压纸的制造方法，所说的方法包括下列步骤：

在组合物中混合以干重计算从约40％到约60％的有机溶剂木质素，最多33％的云母和从约5％到约35％的胶乳，

把所说的组合物施加在纸基质上以制备涂布量为从40到约60g/m²的涂层，并

层压所说的涂层。

14.根据权利要求13的方法，其中所说的木质素被包括在氨水分散体中。

15.根据权利要求14的方法，其中所说的木质素粒径为从约0.1到约20微米。

16.一种具有水汽屏蔽性能的层压纸的制造方法，所说的方法包括下列步骤：

在组合物中混合以干重计算从约5％到约40％的有机溶剂木质素素、最多33％的云母和从约5％到约35％的胶乳，

把所说的组合物施加在纸基质上以制备涂布量为从约40到约60g/m²的涂层，并

层压所说的涂层。

17.根据权利要求16的方法，其中所说的本质素被包括在聚丙烯酸酯分散体中。

18。根据权利要求17的方法，其中所说的木质素的粒径为从约0.5到约5微米。