MX2008014143A - Material de carton con microesferas polimericas expandidas. - Google Patents

Abstract

La presente invención es concerniente con un producto de cartón que tiene un peso base en el intervalo de 45 Kg/929 centímetros cuadrados (100 libras/3000 bies cuadrados) a 159 Kg/929 centímetros cuadrados (350 libras por 3,000 pies cuadrados). El cartón comprende por lo menos una superficie recubierta apropiada para impresión. La por lo menos una superficie recubierta comprende fibras celulósicas y de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.5% en peso en base seca de microesferas poliméricas sintéticas expandidas en base al peso total de las fibras celulósicas dispersadas de las mismas. La superficie recubierta tiene una lisura de Parker menor de aproximadamente 2.0 y una lisura de Hagerty/Sheffield no menor de aproximadamente 20 unidad de Sheffield.

Description

MATERIAL DE CARTON CON MICROESFERAS POLIMERICAS EXPANDIDAS CAMPO DE LA INVENCION La presente invención es concerniente en general con la producción de artículos a partir de papel de baja densidad o cartón y con artículos aislados fabricados a partir de los mismos y en particular es concerniente con copas y cajas de cartón plegables fabricadas de papel de baja densidad y cartón con superficie de impresión y cualidades mejoradas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION El cartón es usado para crear empaques para una variedad de productos del consumidor tales como farmacéuticos, entretenimiento del hogar, auxiliares de salud y belleza, alimentos y productos de tabaco. Las copas aisladas y recipientes plegables son usados ampliamente para servir bebidas calientes y frías y otros artículos alimenticios. Tales artículos pueden ser fabricados a partir de ' una variedad de materiales en los que se incluyen espuma de poliestireno, recipientes de doble pared y recipientes a base de papel en multicapas tales como recipientes de cartón que contienen una capa espumada externa. Recipientes a base de papel son frecuentemente más deseables que los recipientes fabricados a partir de materiales a base de estireno debido a que los materiales a base de papel son en general son más propensos al reciclado, son biodegradables y tienen una superficie más aceptable a la impresión. Sin embargo, los recipientes a base de papel en multicapas y de múltiples paredes son relativamente caros para fabricar en comparación con los artículos a base de espuma de poliestireno y frecuentemente no exhiben propiedades aislantes comparables. Los recipientes de cartón que tiene una capa aislante de espuma externa son en general menos caros para producir que los recipientes de doble pared, pero la superficie externa es menos compatible con la impresión. El moteado de impresión es una calidad indeseable en impresión offset. Específicamente, el moteado de impresión de trampa posterior es observada en cartón recubierto y otros sustratos recubiertos cuando la impresión de la estación previa se pone en contacto con las estaciones subsecuentes que pueden fluctuar desde dos estaciones adicionales a tantas como seis o más estaciones adicionales. Este moteado de impresión puede ser provocado por una variedad de razones, en las que se incluyen migración del aglutinante durante' el secado del proceso de recubrimiento, formación de hoja base deficiente y distribución de peso de recubrimiento no uniforme. La reducción de moteado de impresión puede involucrar controlar las estrategias de secado después de recubrimiento, lo que puede limitar la productividad y requerir capital adicional para superarlo.

Cualquier método que puede reducir el moteado de impresión puede ser útil para generar un producto estéticamente agradable . Un cartón recubierto de baja densidad con moteado mejorado es deseable desde una perspectiva estética y económica. Una reducción en la densidad del cartón da como resultado un producto más económico que requiere menos material y entrada de energía para producir un área igual de cartón. Las características de impresión del cartón recubierto son dependientes de una interacción compleja de la estructura de hoja base, propiedades de recubrimiento y disposición física y el proceso de terminado del producto recubierto. En una situación ideal, una hoja base bien formada (buena formación) es ligeramente terminada antes de calandrado (para minimizar la densificación) y la formulación y equipo de recubrimiento permiten una distribución de recubrimiento uniforme que es luego terminada para dar una superficie más lisa sin mucha densificación adicional. En la práctica, esto es difícil de obtener, con formación de hojas base estando en regímenes de tal manera que se requiere calandrado excesivo para obtener niveles de lisura objetivo antes del recubrimiento. La densificación de cartón no es deseable desde una perspectiva de costo de manufactura. Además, la densificación excesiva de la hoja base puede contribuir a la migración de aglutinante no uniforme, que podria contribuir al moteado de impresión. Los métodos existentes de corrección de la densificación de hoja base incluyen 1) multiplicar las máquinas con fibras voluminosas; tales como BCTMP y otras fibras mecánicas en las capas centrales del cartón, 2) uso de secciones de prensa de laminación extendidas para reducir la densificación durante la remoción y 3) tecnologías de calandrado alternativas para la materia prima base, en las que se incluyen calandrado suave en caliente, calandrado de acero caliente, humidificación por vapor, calandrado de laminación de zapata. Estas opciones requieren comúnmente capital significativo y pueden ser económicamente prohibitivas. Si la materia prima base no es terminada a la lisura objetivo, se necesitan usar pesos de recubrimiento más altos para obtener calidad de impresión deseable. En tanto que la densidad de materia prima base puede ser más baja en este caso, el costo de recubrimiento se incrementaría significativamente e incrementaría el costo global e incrementaría la densidad de producto final. Por consiguiente, hay necesidad por un método y un aparato para reducir la densidad del cartón recubierto con lisura mejorada o deseable y calidad de impresión mejorada o deseable.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La materia prima base del cartón recubierto es modificada para mejorar el desempeño de impresión offset del cartón. Específicamente, una o más ventajas de la presente invención es una materia prima base de densidad reducida con moteado de impresión reducido del sustrato impreso puede ser producida con mobiliario, proceso y equipo existente. Similarmente , si el nivel actual de moteado es aceptable, el peso base del cartón puede ser reducido dando como resultado un producto más económico. Otra ventaja de la presente invención es que se puede usar microesferas expansibles para reducir la densidad del cartón en tanto que se mantiene la rigidez : del cartón y se mejora las características de compresibilidad del cartón para permitir mejora en el moteado de impresión en la impresión offset. Una ventaja adicional de la presente invención es que una reducción significativa de las microesferas expansibles necesarias para obtener las propiedades objetivo como un por ciento en peso por tonelada de peso base de cartón. Así, la presente invención es concerniente con un sustrato de papel o cartón que comprende fibras celulósicas y de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.5 % en peso. en base seca de microesferas poliméricas sintéticas expandidas en base al peso total del sustrato dispersado en las fibras celulósicas. El sustrato comprende por lo menos una superficie apropiada para impresión. La superficie comprende una lisura de Parker menor de aproximadamente 5.0, una lisura de Hagerty/Sheffield de menos de aproximadamente 180 unidades de Sheffield o una combinación de las mismas. Además, la presente invención es concerniente con un producto de cartón que tiene un peso base en el intervalo de 45 Kg/929 centímetros cuadrados (100 libras/3000 pies cuadrados) a 159 Kg/929 centímetros cuadrados (350 libras por 3,000 pies cuadrados) . El cartón comprende por lo menos una superficie recubierta apropiada para impresión. La por lo menos una superficie recubierta comprende fibras celulósicas y de aproximadamente 0.05. a aproximadamente 0.5 % en peso base seca de microesferas poliméricas sintéticas expandidas en base al peso total de la fibra celulósica dispersada de la misma. La superficie recubierta tiene una lisura de ' Parker menor de aproximadamente 2.0, una lisura de Hagerty/Sheffield no menor de aproximadamente 20 unidades Sheffield o una combinación de las mismas. Además, la presente invención es concerniente con un método para fabricar un sustrato de papel o cartón que comprende proporcionar una materia prima de fabricación de papel que contiene fibras celulósicas y de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.5 % en peso base seca de microesferas expandidas o expansibles ; formar un sustrato fibroso a partir de la materia prima de fabricación de papel; incrementar la lisura de un sustrato de cartón al hacer mover el sustrato fibroso a través de por lo menos una banda de prensa o dispositivo de fieltro de prensa o combinación de los mismos para formar un sustrato de cartón prensado; incrementar la velocidad de transferencia de calor entre el sustrato de cartón prensado . y un dispositivo de secado de una máquina de fabricación de papel al usar la banda de prensa o el fieltro de prensa y reducir la cantidad de las microesferas poliméricas expandidas usadas en el sustrato de cartón.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS Se obtendrá un pleno entendimiento de la invención a partir de la siguiente descripción de las modalidades preferidas cuando se lean en conjunción con las figuras adjuntas, en las cuales: La Figura 1 es una vista esquemática de una máquina de fabricación de papel que tiene por lo menos una banda de prensa en la sección de prensa para formar un sustrato de cartón de acuerdo con la modalidad preferida de la presente invención; La Figura 2 es una porción de la Figura 1 que ilustra una configuración detallada de la sección de prensa que muestra una pluralidad de bandas de prensa; La Figura 3 es una vista seccional de una porción de un dispositivo secador y un sustrato de cartón que ilustra el detalle de perfil de temperatura entre el sustrato de cartón y el dispositivo secador; y La Figura 4 es una gráfica que ilustra cambios en el calibre y microesferas expansibles de un sustrato de cartón usado con un fieltro de prensa y sin una banda de prensa .

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION En tanto que la presente invención es susceptible de implementarse en muchas formas diferentes, se muestran en las figuras y serán descritas en la presente en detalle modalidades preferidas de la invención con el entendimiento de que la presente revelación será considerada como una ej emplificación de los principios de la invención y no pretende limitar el aspecto de cartón de la invención a las modalidades ilustradas. Los recipientes tales como copas o cajas de cartón plegables son usados ampliamente para surtir bebidas calientes y frias . Los sustratos de cartón recubiertos con una capa aislante proporciona frecuentemente propiedades aislantes aceptables, sin embargo, la capa externa es usualmente una capa polimérica termoplástica espumada que eleva el costo y es difícil de imprimir. Los recipientes de cartón corrugados y de doble pared también proporcionan en general propiedades aislantes apropiadas, pero son más complejos y caros para la manufactura que los recipientes de una sola capa. Ambas de estas alternativas usan más material en su construcción, asi tienen más de un impacto ambiental. Hasta ahora, ha sido difícil producir un recipiente aislado económico fabricado sustancialmente de cartón que tenga la resistencia requerida de convertibilidad, exhiba propiedades aislantes y que tenga una superficie que sea receptora a la impresión. La presente invención proporciona un material de cartón de baja densidad mejorado que tiene propiedades aislantes apropiadas para recipientes de bebidas calientes y frías y que tiene las propiedades de resistencia necesarias para la conversión a copas en una operación de formación de copas. El material de cartón de baja densidad es fabricado al proporcionar una materia prima de fabricación de papel que contiene fibras de madera dura, fibras de madera blanda o una combinación de fibras de madera dura y madera blanda. Una materia prima de fabricación de papel preferida contiene de aproximadamente 60 a aproximadamente por ciento en peso seco de fibra de madera dura y de aproximadamente 20 a aproximadamente 40 por ciento en peso base seca de fibra de madera blanda. Preferiblemente, las fibras son de madera dura blanqueada y pulpa kraft de madera blanda. La materia prima de fabricación de papel también contiene de aproximadamente 0.25 a aproximadamente 10 por ciento en peso en base seca de microesferas expansibles, preferiblemente en un estado sin expandir. Más preferiblemente, las microesferas comprenden de aproximadamente 2 a aproximadamente 5 por ciento en peso de la materia prima de fabricación de papel en una base seca. Otros materiales convencionales, tales como almidón, rellenos, químicos de apresto y polímeros reforzantes pueden también ser incluidos en la materia prima de fabricación de papel. Entre los rellenos que pueden ser usados se encuentran pigmentos orgánicos e inorgánicos tales como, a manera de ejemplo solamente, partículas poliméricas tales como látex de poliestireno y polimetilmetacrilato y minerales tales como carbonato de calcio, caolín y talco. La producción de papel que contiene microesferas expansibles es en descrita en general, por ejemplo, en las patentes estadounidenses Nos. 6,846,529, 6,802,938, 3,556,934 expedidas a Meyer, las revelaciones de las cuales es incorporado por referencia como si se resumiera plenamente en la presente. Microesferas expansibles apropiadas incluyen partículas resinosas sintéticas que tienen un centro que contiene líquido en general esférico. Las partículas resinosas pueden ser fabricadas a partir de metacrilato de metilo, metacrilato de metilo, orto- cloroestireno, poliorto-cloroestireno, celular de polivinilbencilo, acrilonitrilo, cloruro de vinilideno, para-ter-butilo estireno, acetato de vinilo, acrilato de butilo, estireno, ácido metacrilico, cloruro de vinilbencilo y combinaciones de dos o más de los anteriores. Las partículas resinosas preferidas comprenden un polímero que contiene de aproximadamente 65 a aproximadamente 90 por ciento en peso de cloruro de vinilideno, preferiblemente de aproximadamente 65 a aproximadamente 75 por ciento en peso de cloruro de vinilideno y de aproximadamente 35 a aproximadamente 10 por ciento en peso de acrilonitrilo, preferiblemente de aproximadamente 25 a aproximadamente 35 por ciento en peso acrilonitrilo. El centro de las microesferas expansibles puede incluir un agente de espumado fluido volátil que preferiblemente no es un solvente para la resina polimérica. Un agente de espumado particularmente preferido es isobutano que puede estar presente en una cantidad que fluctúa de aproximadamente 10 a aproximadamente 25 por ciento en peso de las partículas resinosas. Después del calentamiento de las microesferas expansibles a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 80 °C a aproximadamente 190 °C en la unidad secadora de la máquina de fabricación de papel, las partículas resinosas se expandan a un diámetro que fluctúa de aproximadamente 0.5 a aproximadamente 50 mieras. Ejemplos de las composiciones de microesferas expansibles, su contenido, métodos de manufactura y uso se pueden encontrar en las solicitudes de patente estadounidense No. de serie -- / , presentada el 25 de abril de 2007 intitulada "Expandable Microspheres and Method of Making and Using the Same"; también como aquellas que tienen los números de publicación de Estados Unidos, 2007/0044929-A1; 2006/0231227-A1; 2001/0044477; 2003/0008931; 2003/0008932; y 2004/0157057, que son incorporadas en la presente en su totalidad por referencia. Referencias adicionales se pueden encontrar en las patentes estadounidenses Nos. 3,615,972; 3,864,181; 4,006,273; 4,044,176; y 6,617,364 que son incorporadas en la presente por referencia en su totalidad. La cantidad de microesferas es usualmente de alrededor de 0.001 a 10.0% en peso. En la modalidad preferida, la cantidad es de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 5.0% en peso. Por ejemplo en la modalidad preferida de la invención la cantidad de microesferas expansibles puede ser 0.001, 0.002, 0.005, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5 % en peso, en base al peso total del sustrato e incluyendo cualesquiera y todos los intervalos y sub-intervalos en los mismos. Preferiblemente, la cantidad de microesferas expansibles usadas en la práctica de esta invención es de aproximadamente 0.01 a 1.0% en peso, base seca de microesferas poliméricas sintéticas expandidas en base al peso total del sustrato, en de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.5, cuando la modalidad de elección. La proporción de pulpa convencional (cocción, refinado de blanqueo y los semejantes) y procesos de fabricación de papel pueden ser usados para formar sustratos de cartón a partir de la materia prima de fabricación de papel. Sin embargo, un aspecto de la invención es que el sustrato de baja densidad que contiene microesferas expandidas es producido preferiblemente de tal manera para exhibir un pegado interno promedio mínimo (promedio de pegado interno CD y MD) en conjunción con su densidad disminuida y calibre incrementado en relación con el cartón convencional usado para fabricar recipientes aislantes tales como copa de papel o caja de cartón plegable de densidad reducidas. Para este fin, aquellos de habilidad ordinaria en el arte están conscientes de varias medidos que solas o en combinación pueden ser tomadas para incrementar las propiedades de resistencia de pegado interno del sustrato de cartón para un peso base dado. Estos incluyen pero no están limitados a incrementar la adición de agentes de resistencia húmedos y/o secos tales como melamina formaldehído, poliamina-epiclorohidrina y poliamida-epiclorohidrina para resistencia en húmedo y agentes de resistencia en seco tales como almidón, gomas y poliacrilamidas 'para resistencia en seco en la materia prima de fabricación de papel, incrementar la refinación de la pulpa y prensado incrementado del sustrato húmedo en la sección de prensa de la máquina de fabricación de papel. Además de mejorar el pegado interno, el procesado húmedo incrementado también reduce la humedad en el sustrato y permite que el cartón sea secado a una. velocidad más rápido que la que es posible de otra manera. De acuerdo con la invención, es preferido que las medidas sean tomadas suficientes para obtener un puede interno promedio mínimo de por lo menos aproximadamente 0.013 metros-kilogramos fuerza (100 x 10~3 pies-libras fuerza) . Estas medidas son preferidas, por lo menos con respecto a la materia prima de copa que porta un peso convencional de recubrimiento barrera aplicado de manera convencional a una o ambas de sus superficies. Sin embargo, la resistencia de pegado interna mínima puede ser relajada un tanto para los recubrimientos de barrera de peso más pesado aplicados al extremo medio-superior del intervalo de 0.0127 mm a 0.089 mm (0.5 a 3.5 milésimas de pulgada) convencional de espesores de recubrimiento. Por ejemplo, a espesores de recubrimiento barrera por encima de aproximadamente 0.038 mm (1.5 milésimas de pulgada), se cree que un pegado interno mínimo de aproximadamente 0.011 metros-kilogramos fuerza (80 x 10"3 pies-libras fuerza) es suficiente para un desempeño de conversión aceptable.

También, la reducción en la velocidad de procesamiento de extrusión del orden de aproximadamente 25 por ciento permite la relajación del requerimiento de pegado interno a aproximadamente el mismo nivel mínimo. Entre los varios procedimientos para incrementar el pegado interno promedio, es preferido llevar a cabo el incremento deseado del pegado interno promedio a incrementar la refinación de la materia prima de pulpa, incrementar el nivel de almidón interno, aditivos de resistencia de secado y el prensado en húmedo de sustrato húmedo durante la fabricación de papel a un nivel menor que el aplastamiento del de sustrato e incrementar la cantidad de almidón y otros materiales aplicados a la superficie del sustrato de papel como se hace, por ejemplo en la prensa de apresto. La inclusión de microesferas expansibles en la materia prima de fabricación de papel en un estado sin expandir tiene el efecto de disminuir la densidad aparente del cartón seco resultante. Sin embargo, se ha encontrado que la reducción de la densidad del cartón mediante la inclusión de microesferas expandidas afecta adversamente la convertibilidad del cartón en copas y otros recipientes tales como cajas de cartón plegables. De acuerdo con la invención, se ha determinado que los productos de cartón de baja densidad que contienen microesferas expandidas producidas en un intervalo relativamente estrecho de densidades y calibres en conjunción con el pegado interno incrementado mencionado anteriormente proporciona las propiedades físicas necesarias para la procesabilidad en varias operaciones de conversión. La reducción de la cantidad de microesferas expansibles mejora la convertibilidad de la materia prima de copa aislada pero reduce las características aislantes. La presente invención permite que la misma densidad sea obtenida con menos microesferas expansibles, en tanto que exhibe buenas propiedades de convertibilidad, calidad de impresión y otras ventajas. Por ejemplo, la Tabla 1 muestra que la adición de microesferas expansibles sin usar una banda de prensa mejora las propiedades del sustrato de cartón.

TABLA 1 Por ejemplo, la Tabla 2 muestra una mejora en eficiencia de expancel y permite que un usuario compense las pérdidas de rigidez (rigidez promedio de MD y CD) observadas a los niveles más altos y mejora las propiedades del cartón sin pérdidas de rigidez.

TABLA 2 En términos de las otras de las otras propiedades físicas necesarias para los fabricantes de copas, los sustratos de cartón de baja densidad de acuerdo con esta invención también tienen preferiblemente una resistencia a la tracción mínima tal como se determina mediante la prueba estándar Tappi T de aproximadamente 2.1 Kg/cm2 (30 lbf/pulgada) , un valor mínimo para estiramiento de CD promedio del sustrato tal como se determina por la prueba estándar Tappi T494 de aproximadamente 3.3 por ciento.

Es un aspecto adicional de la invención que el cartón de baja densidad tenga una aspereza o rugosidad menor o igual a 300 en la escala de lisura de Sheffield, en tanto que exhibe calidad de impresión comparable en una operación de flexo impresión. La capacidad de impresión del cartón es bastante inesperada puesto que el cartón convencional tal como materia prima de fabricación de copas es ordinariamente calandrado a un calibre de aproximadamente 0.51 mm (20 milésimas de pulgada) con el fin de obtener una lisura superficial (sin recubrir) en general del orden de aproximadamente 125 a aproximadamente 200 SU (a partir de una lisura pre-calandrada en exceso de 400 SU) que se cree necesaria para una calidad de impresión aceptable. Similarmente , la compresibilidad de un cartón recubierto o sin recubrir que contiene microesferas expansibles también mejora la posibilidad de impresión litográfica y por grabado a una aspereza o rugosidad constante. En tanto que no se desea estar limitados por alguna teoría, se cree que la capacidad de impresión del cartón es atribuible a su compresibilidad relativamente alta, que permite desempeño mejorado en máquinas de impresión flexográficas y litográficas . El cartón recubierto es producido utilizando una sola capa o cartón de múltiples capas producido con tipos de fibras conocidas en las que se incluyen fibras blanqueadas/sin blanquear, de madera blanda, madera dura, fibras recicladas y mecánicas y otras fibras naturales y sintéticas. La química de las operaciones de fabricación de papel puede ser ácida o alcalina y puede involucrar una variedad de compuestos químicas conocidos para obtener propiedades funcionales tales como apresto o dimensionamiento , resistencia, propiedades ópticas tales como opacidad, brillantez, resistencia al aceite, grasa, etc. La presente invención incluye la adición de microesferas expansibles a una velocidad de dosificación en el intervalo de 0.45 - 9 Kg/tonelada (1-20 libras/tonelada). La adición se puede hacer en varios puntos en la sección del extremo húmedo del proceso de fabricación de papel, en los que se incluyen pero no limitados a, cofre de la máquina, caja de estopa, succión de la bomba de ventilador y otros sitios posibles. En el caso del cartón de multicapas, las microesferas son agregadas preferiblemente a una o más capas en el interior del sustrato. Químicos de retención tales como poliacrilamidas y PEI pueden ser usados para asegurar que las microesferas sean retenidas en el cartón húmedo. El sustrato de papel formado húmedo es prensado en la sección de prensa que contiene una o más bandas de prensa. El sustrato de papel es luego secado en una sección de secado, que puede contener, secado por cilindro, secado de banda, IR u otros mecanismos de secado. El cartón es secado a un nivel de humedad menor de 10%. El cartón se puede luego hacer pasar a través de una prensa de apresto, que puede ser una prensa de tamaño de modo de pudelado o rociado (inclinado, vertical, horizontal) o prensa de apresto dosificada (dosificada por hoja, dosificada por rodillo u otras formas de dosificación de prensas de apresto) . La operación de prensa de apresto aplicaría un número de aglutinantes posibles en los que se incluyen pero no limitados a almidones de varias formas (oxidado, catiónico, etilado, hidroxietilado y otros almidones), alcohol polivinílico, polivinilamina, alginato, carboximetil celulosa etc. La composición de prensa de apresto puede incluir pigmentos orgánicos e inorgánicos y otros aditivos funcionales. El método preferido de aplicación de prensa de apresto restringirá al aglutinante a penetrar a menos del 10% de espesor de los bordes externos. El cartón con almidón es luego secado a un nivel de humedad de menos de 10% antes de que sea calandrado. El calandrado puede ser efectuado en una variedad de procesos de calandrado en ' los que se incluyen calandrado de pila en húmedo y en seco, calandrado de laminación de acero, calandrado blando en caliente o calandrado de laminación extendido o un proceso tal como microterminado, en donde se usan procesos fricciónales para terminar la superficie. El cartón objetivo es terminado a una lisura objetivo de menos de 180 unidades de Sheffield.

Luego el cartón liso puede ser recubierto en un proceso de recubrimiento separado de la máquina o un proceso de recubrimiento en la máquina. El método preferido seria un proceso de recubrimiento en linea con una o más estaciones. Las estaciones de recubrimiento pueden ser cualquiera de los procesos de recubrimiento conocidos en los que se incluyen recubrimiento por brocha, recubrimiento por rodillo, recubrimiento por cuchilla de aire, recubrimiento por atomización, recubrimiento por hoja, recubrimiento por rodillo de transferencia, recubrimiento de rodillo inverso y recubrimiento por moldeo o vaciado. El producto recubierto es secado en operaciones de secado normales y terminado en una o más estaciones de terminado tal como en una calandria de lustre, calandria de laminación blanda o calandria de laminación extendida. El producto recubierto final tiene las siguientes especificaciones: Densidad: 8 - 12.0 lbs/3MSF/milésimas de pulgada PPS 10 Kgf/cm2: < 1.5 mieras Lisura de Sheffield < 20 SU Además, el cartón recubierto anterior, cuando es probado en una prensa offset comercial mostrará una reducción en moteo de impresión, en donde la reducción puede fluctuar de 10%-50% en comparación con un cartón de control o testigo producido sin microesferas expansibles en la materia prima base.

Previamente, se llevó a cabo una prueba para determinar si una pequeña cantidad de microesferas expansibles podrían ser agregadas a la materia prima de fabricación de papel de la máquina de fabricación de papel con el fin de reducir el peso base o mejorar la calidad de impresión. Niveles de 2.3 Kg/tonelada (5 libras/tonelada) y 4.5 Kg/tonelada (10 libras/tonelada) de microesferas expansibles mostraron alguna calidad de impresión y lisura superficial mejorada, pero con rigidez reducida. Niveles de 0.45 Kg/tonelada y 0.9 Kg/tonelada (1 y 2 libras/tonelada) no reducen la rigidez, pero no producen una mejora significativa en calidad de impresión o un método económicamente factible para reducir el peso base. En general, la presente invención es concerniente con la resolución de problemas concernientes con a) velocidad de la máquina mejorada y/o costo/tonelada reducido, b) clases superficial mejorado y c) calidad de impresión mejorada. Todos estos problemas son resueltos sin sacrificar la rigidez del cartón. Se debe notar que las soluciones a cualquiera de los problemas anteriores ofrecen una ventaja competitiva. Una ventaja es incrementar la velocidad de la máquina. Si las microesferas expansibles pueden ser sustituidas por fibras, de tal manera que para obtener global (espesor en dirección Z) con una cantidad reducida de fibra, entonces la velocidad de la máquina de fabricación de papel puede ser incrementada y el costo de fibra por tonelada puede ser reducido. Se notó que la combinación de una materia prima de fabricación de pulpa que contiene microesferas expansibles usadas con una banda de prensa da como resultado un incrementado inesperado en la eficiencia de microesferas expansibles. La combinación de una materia prima de fabricación de papel de pulpa que contiene microesferas expansibles permitió que la cantidad de microesferas expansibles sea reducida al nivel más bajo nunca registrado durante una corrida de copa aislada en la máquina de fabricación de papel. Antes de la corrida de la copa aislada, la operación con la banda de prensa sin microesferas expansibles daba como resultado lisura de cartón ligeramente mejorada. Se notó que la rugosidad o aspereza reducida del cartón sin expandir dé como resultado una distribución de transferencia de calor más uniforme a las microesferas expansibles. La eficiencia de expansión mejorada de las microesferas dio como resultado densidad más baja del cartón que la que se obtenía previamente. Puesto que el valor aislante de la materia prima de copa aislada es proporcional a la densidad del cartón y luego esto da como resultado una capacidad de manufactura más eficiente. La expansión mejorada de la eficiencia de microesferas también da como resultado un producto de costo reducido. El porcentaje de microesferas expansibles usadas tiene un impacto significativo sobre el costo total del cartón terminado y sus productos. Puesto que se usan menos microesferas expansibles, por consiguiente hay un pegado de fibra a fibra mejorado que ayuda a promover la resistencia del sustrato. La disminución inesperada en la cantidad de microesferas expansibles necesarias para obtener densidades de cartón objetivo vino de la lisura mejorada que permite mayor are de contacto entre el sustrato y el dispositivo secador. Las partes del sustrato en contacto intimo con el dispositivo de secador son calentados mediante conducción. Sin embargo, aquellas partes que están más cerca del secador, pero no se ponen en contacto con el dispositivo de secador, son calentadas por convección. Puesto que la preferencia de calor por convección es menos eficiente que la transferencia de calor por conducción, entonces la expansión de microesferas expansibles necesita ocurrir en tanto que hay suficiente humedad disponible en el cartón o sustrato. Si el sustrato ha sido secado a un bajo nivel de húmedo en donde las microesferas expansibles llegan a su temperatura de expansión, entonces no tendrán fuerza suficiente para desplazar las fibras. Si esto ocurre, entonces el calibre no se incrementará o la densidad del cartón no disminuirá también. Por consiguiente, la expansión del sustrato necesita ocurrir en tanto que la estera de malla de fibra de cartón todavía tiene humedad suficiente para proporcionar lubricidad entre las fibras. El cartón sin microesferas expansibles no es sometido a este defecto y puede ser secado a niveles de húmedo objetivo a incrementar la longitud de secado efectivo de la sección de secador (tal como ahogamiento, incrementando el vapor o agregando más capas) . Las microesferas expansibles comienzan a expandirse cuando la temperatura local llega a la temperatura de reblandecimiento de la cubierta termoplástica . El gas calentado en el centro de las microesferas expansibles y luego expande el diámetro de la esfera de plástico. Para una construcción polimérica dada de microesferas expansible, la temperatura para expansión comience- varía ligeramente dependiendo del espesor de la cubierta de las microesferas expansibles y la cantidad de gas en el interior de las microesferas expansibles. Cualquier lote de microesferas expansibles se comenzará a expandir en un intervalo de temperaturas. Si la temperatura de sustrato local en una banda en la dirección transversal de la máquina (CD) en contacto con un secador es uniforme, entonces' todas las microesferas expansibles con una temperatura de expansión dada en la banda se deben expandir al mismo tiempo. Esto da como resultado un incremento uniforme del espesor del cartón en la banda de CD calentada.

A medida que la temperatura del sustrato continúa incrementándose a medida que pasa a través de la sección de secador, más de las microesferas expansibles con temperaturas de expansión más altas se expandirán uniformemente. Dada una topografía del sustrato uniforme inicial y contacto uniforme con el dispositivo de secador, el sustrato se debe expandir uniformemente y todas las áreas del sustrato permanecerán en contacto con los dispositivos de secador y continuará siendo calentadas mediante transferencia de calor por conducción más eficiente. Si un sustrato que contiene microesferas expansibles tiene una topografía no uniforme, entonces las áreas bajas no estarán en contacto con los dispositivos de secador. Estas áreas serán calentadas más lentamente por transferencia de calor por convección y su temperatura permanecerá más baja que las áreas altas que están en contacto íntimo con los dispositivos de secador que son calentados por transferencia de calor por conducción. Puesto que está es una situación de transferencia de calor transitoria, el incrementar la temperatura corriente abajo no compensará las temperaturas reducidas localmente durante las fases de secado iniciales. Una vez que la temperatura local es deprimida, tenderá a permanecer deprimida. Por consiguiente, las áreas altas llegarán a la temperatura de expansión antes que las áreas bajas y se comenzarán a expandir antes que las áreas bajas. Con variaciones de topografía normales esto puede ser superado al incrementar la cantidad de microesferas expansibles usadas, de tal manera que es probable que todas las áreas contengan más de las microesferas expansibles con temperaturas de expansión más bajas que el promedio. Esto da como resultado costo de producto incrementado y eficiencia de microesferas expandibles reducidas. Si la topografía de la superficie de cartón es muy rugosa o áspera, la variación en temperatura locales puede provocar un defecto inaceptable conocido como "puntos de leopardo" que provocan variaciones de calibre excesivas a veces tan altas como 50% del espesor de cartón final . La Figura 1 es un conjunto de máquina de fabricación de papel que es usado para fabricar cartón de acuerdo con una modalidad preferida de la invención. La máquina de fabricación de papel 10 incluye un esparcidor de flujo 12, una caja de cabezal 14, fourdrinier o mesa de alambres gemelos 16, sección de prensa 18, sección de secador 20, pila de calandrado 22 y carrete 24. La materia prima de papel del tipo descrito anteriormente, es alimentada al esparcidor de flujo 12 vía la tubería 26 desde un tanque de almacenamiento de materia prima de pulpa (no ilustrado) . El esparcidor de flujo 12 distribuye el flujo de la materia prima de pulpa igualmente a través del eje de latitud de la máquina de fabricación de papel 10. El flujo de materia' prima de pulpa distribuido igualmente es introducido a la caja de cabeza 14 que descarga un chorro uniforme de materia prima de fabricación de papel sobre el alambre de formación móvil de la tabla de formación de fourdrinier 16. El alambre de formación es una superficie de soporte tejida porosa que se mueve a lo largo de una trayectoria sin fin de viaje arrastrado sobre varios rodillos 28. El alambre de formación forma la fibra en un sustrato de tapete continuo 30 en tanto que la mesa de formación de fourdrinier 16 drena el agua del sustrato de papel mediante fuerza de succión. Luego el sustrato de papel húmedo 30 pasa a través de la sección de prensa 18 a través de una serie de prensa de rodillo 19, en donde se remueve agua adicional en general y la estructura del sustrato de papel es consolidada. El sustrato de papel consolidado 30 es luego transportado a la sección de secador 20 en donde el sustrato de papel 30 es secado por contacto mediante una serie de dispositivo o cilindros calentados por vapor 32 que remueven la mayoría del agua restante mediante evaporación y desarrollan pegados de fibra a fibra. El sustrato seco del sustrato de papel 30 es transportado a una pila de calandria 22 en donde el sustrato de papel seco 30 es calandrado a través de una serie de rodillos de laminación que reducen el espesor de sustrato de papel e incrementan la lisura del sustrato de papel 30. El sustrato de papel calandrado seco o sustrato es luego acumulado mediante enrollamiento sobre el carrete 24. El prensado del sustrato de papel 30 se lleva a cabo en general en contacto con un fieltro (no mostrado) entre dos rayados convencionales en la sección de prensa 18. El fieltro comprende en general un tejido base burdo en una, dos o tres capas de diseños diferentes y niveles de grosor. El sustrato de papel 30 y el fieltro son prensados entre dos rodillos giratorios. En general en una sección de prensa convencional, el sustrato de papel 30 que está en contacto con el fieltro sufre una compresión. El agua fluye del sustrato de papel 30 al fieltro y cuando el fieltro está saturado con agua, el agua sale del fieltro. Después de la sección de prensa, el sustrato de papel avanza en la sección de secado 20 de la máquina de fabricación de papel 10. La Figura 2 ilustra una modalidad preferida de la presente invención en la cual por lo menos uno de los fieltros de prensa 34 es reemplazado por una banda de prensa 36. La banda de prensa 36 es fabricada en general de hule o caucho liso, que dependiendo del diseño, puede ser permeable, semi-permeable o completamente impermeable. La banda de prensa 36 puede también ser fabricada de otros materiales también. El sustrato de papel 30 está en contacto bajo compresión desde ambos lados mediante la banda de prensa 36. Durante la compresión del sustrato de papel 30 mediante los dos rodillos 19, el agua en el sustrato de papel 30 es distribuida uniformemente en el espesor del sustrato de papel 30 y cuando el sustrato de papel 30 se mueve a la sección de secado (no mostrada) , hay mucho más interacción de transferencia de calor eficiente entre el sustrato de papel 30 y los dispositivos de secado 20 que se muestra en la Figura 1. En la sección de secado 20, el agua en el sustrato de papel 30 es evaporada a una velocidad eficiente y bajo uso de vapor. La presente invención descubre que al usar la banda de prensa 34 en lugar del fieltro de prensa 32 provoca la distribución uniforme de microesferas expandidas a través del sustrato de papel 30. La velocidad de evaporación es influenciada extensamente por la presente del vapor utilizado al interior del cilindro secador. Por consiguiente, la evaporación del agua restante en el sustrato de papel 30 provoca que las microesferas se expandan uniformemente a través del espesor del sustrato de papel 30. La expansión uniforme de las microesferas permite que sustrato de papel 30 siga siendo voluminoso y también reduce la cantidad de microesferas inicialmente agregadas a la fibra. Además, la presente invención descubre que al utilizar la banda de prensa 34, la cantidad de microesferas es reducida sustancialmente sin afectar negativamente la rigidez o calibre del sustrato de papel 30. La sección de prensa 18 mostrada en las Figuras 1 y 2 es ejemplar y varios diseños de sección de prensa 18 que tiene por lo menos una banda de prensa 34 pone ser usados sin desviarse del alcance de la presente invención. Dependiendo en general del diseño, un sustrato de papel se puede mover a través de por lo menos una etapa o preferiblemente dos etapas o más preferiblemente más de tres etapas en la sección de prensa antes de entrar a la sección de secado. Sin embargo, se debe notar que sin consideración del número de etapas en la sección de prensa, por lo menos en una de las etapas dentro de una sección de prensa, una banda de prensa debe ser usada en lugar de fieltro de prensa de acuerdo con la modalidad preferida de la presente invención. La Figura 3 ilustra el perfil de temperatura entre el vapor 40 y el sustrato de papel 30 en los cilindros secadores 32. Las varias resistencias para transferir el calor desde el interior del cilindro secador es listada de conformidad. Las resistencias mayores son provistas usualmente por la capa de condensado 44 al interior del cilindro 32, la película - de suciedad 46 sobre la superficie externa y la capa de aire 48. Como se muestra en la Figura 2, las partes del sustrato de papel 30 en contacto íntimo con el dispositivo de secador 32 son calentadas por conducción. Sin embargo, aquellas partes que están cerca del dispositivo de secador 32, pero no se ponen en contacto con el dispositivo de secador 32, son calentadas por convección. Puesto que la transferencia de calor por convección es menos eficiente que la transferencia de calor por conducción, entonces la expansión de las microesferas expansibles necesita ocurrir en tanto que hay suficiente humedad disponible en el sustrato de papel 30. Si el sustrato de papel se ha secado a un nivel bajo de humedad en donde las microesferas expansibles llegan a su temperatura de expansión, entonces no tendrán suficiente fuerza para desplazar las fibras. Si esto ocurre, entonces del calibre no se incrementará o la densidad del sustrato de papel 30 no disminuirá también. Por consiguiente, la expansión del sustrato' de papel necesita ocurrir en tanto que el tapete de fibra de sustrato todavía tiene suficiente humedad para proporcionar lubricidad entre las fibras. La Figura 4 es una gráfica que ilustra cambios en el calibre y microesferas expansibles de un sustrato de cartón usado sin la banda de prensa 34 (por ejemplo, utilizando el fieltro de prensa 36) y con la banda de prensa 34 discutida anteriormente. En la gráfica, la línea A ilustra varios cambios de microesferas contra calibre de un nominal 20 puntos del sustrato de papel 30 con la banda de prensa 34. La línea B ilustra varios cambios de microesferas versus el calibre de un nominal 20 puntos del sustrato de papel 30 sin la banda de prensa 34 (utilizando el fieltro de prensa 36) . El experimento llevado a cabo con el fieltro de prensa 36 y la banda de prensa 34 para un peso base 200 de fibra. SE descubrió que la cantidad de microesferas puede ser reducida sustancialmente al utilizar una banda de prensa 34. En efecto, la rigidez del sustrato de papel es también impactada positivamente como se muestra en la siguiente tabla .

Tipo de Prensa Banda Fieltro B (lb/resma) 224 241 Flujo de microesferas expansibles (GPM) 8.9 9.0325 Velocidad de la máquina (FPM) 734 676 Rigidez de Taber MD promedio 303 261 Rigidez de Tber CD promedio 182 168 En tanto que la invención se ha descrito con referencia a una modalidad preferida, se comprenderá por aquellos experimentados en el arte que se pueden efectuar varios cambios y equivalentes pueden ser sustituidos sin desviarse del alcance de la invención. Además, muchas modificaciones se pueden hacer para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la invención sin desviarse de su alcance. Por consiguiente, se pretende que la invención no esté limitada a la modalidad particular revelada, sino que la invención incluirá todas las modalidades que caen dentro del alcance de las reivindicaciones .

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Un sustrato de papel o cartón caracterizado porque comprende: fibras celulósicas y de aproximadamente 0.0Q1 a aproximadamente 10% en peso base seca de microesferas poliméricas sintéticas en base al peso total del sustrato dispersadas en las fibras celulósicas, el sustrato que tiene por lo menos una superficie apropiada para impresión, en donde la superficie tiene una lisura de Parker menor de aproximadamente 5.0, una lisura de Hagerty/Sheffield menor de aproximadamente 180 unidades de Sheffield o una combinación de las mismas. 2. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos una superficie del sustrato incluye recubrimientos pigmentados y aglutinantes de recubrimiento que proporcionan una superficie de recubrimiento que tiene una lisura de Parker menor de aproximadamente 2.0 y una lisura' de Hagerty/Sheffield menor de aproximadamente 120 unidades de Sheffield. 3. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque los pigmentos son seleccionados del grupo que consiste de carbonato de calcio, arcilla, pigmentos de plástico, óxido de titanio, arcilla calcinada, satín blanco, sílice, silicatos de alúmina, talco, trihidratos de aluminio y perlas de metacrilato de polimetilo y los aglutinantes de recubrimiento son seleccionados del grupo que consiste de látex, PVAc, proteina y casina. A . El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato tiene un calibre de aproximadamente 0.25 mm (10 milésimas de pulgada) a aproximadamente 0.7 mm (28 milésimas de pulgada) . 5. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato tiene una densidad aparente de aproximadamente 8.0 a aproximadamente 12 lb/3MSF/milésimas de pulgada. 6. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato tiene propiedades de rigidez mejoradas. 7. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato tiene un peso base en el intervalo de 45 Kg/929 centímetros cuadrados (100 libras/3000 pies cuadrados) a 159 Kg/929 centímetros cuadrados (350 libras por 3,000 pies cuadrados) . .8. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el sustrato es fabricado de un sustrato fibroso formado sobre un alambre de fourdrinier al depositar una mezcla de una suspensión acuosa de fibras celulósicas y las microesferas poliméricas sintéticas expandidas sobre las mismas de una caja superior y remover agua de las fibras celulósicas para producir el sustrato fibroso y luego prensar el sustrato fibroso para reducir el contenido de humedad del mismo a por lo menos aproximadamente 60% en peso de agua. 9. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el sustrato fibroso es prensado mediante la banda de prensa. 10. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el sustrato fibroso es prensado mediante el fieltro de prensa. ¦ 11. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el sustrato fibroso es prensado mediante una combinación de la banda de prensa y el fieltro de prensa. 12. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el sustrato fibroso es sometido a presión y calor al provocar la evaporación de agua del sustrato fibroso para reducir mediante esto el contenido de humedad del sustrato fibroso a menos de aproximadamente 40% en peso de agua. 13. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el sustrato fibroso es transportado a través de una sección de prensa de una máquina de fabricación de papel y por lo menos una de las secciones de prensa contiene una banda de prensa semipermeable . 14. El sustrato de papel o cartón de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque las microesferas sintéticas en el sustrato fibroso se expanden en el calentamiento de las mismas, de tal manera que las microesferas sintéticas expandidas impulsan a las fibras celulósicas a apartarse e incrementar mediante esto el volumen del sustrato fibroso. 15. Un producto de cartón caracterizado porque tiene un peso base en el intervalo de intervalo de 45 Kg/929 centímetros cuadrados (100 libras/3000 pies cuadrados) a 159 Kg/929 centímetros cuadrados (350 libras por 3,000 pies cuadrados) y que comprende por lo menos una superficie recubierta apropiada para impresión, en donde la por lo menos una superficie recubierta comprende fibras celulósicas y de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 10% en peso en base seca de microesferas poliméricas sintéticas en base al peso total de las fibras celulósicas dispersadas en ' las mismas y en donde la superficie recubierta tiene una lisura de Parker menor de aproximadamente 2.0, una lisura de Hagerty/Sheffield no menor de aproximadamente 20 unidades de Sheffield o una combinación de las mismas. 16. Un método para fabricar un sustrato de papel o sustrato caracterizado porque comprende: proporcionar una materia prima de fabricación de papel que contiene fibras celulósicas y de aproximadamente 0.001 a aproximadamente 10% en peso en base seca de microesferas expandidas o expansibles; formar un sustrato fibroso a partir de la materia prima de fabricación de papel; incrementar la lisura del sustrato de cartón al hacer mover el sustrato fibroso a través de por lo menos una banda de prensa o dispositivo de fieltro de prens'a o combinación de los mismos para formar un sustrato de cartón prensado; incrementar la velocidad de transferencia de calor entre el sustrato de cartón prensado y un dispositivo secador de una máquina de fabricación de papel al utilizar la banda de prensa o el fieltro de prensa; y ¦ reducir la cantidad de las microesferas poliméricas expandidas usadas en el sustrato de cartón.