阅读说明：本技术 具有自然外观的防油、防脂和防潮的纸板 (Oil-, grease-and moisture-resistant paperboard with natural appearance ) 是由 逄杰斌 S.J.雷格尔 N.G.梅尔顿 T.克拉克 T.克鲁格 S.帕克 于 2018-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了具有自然外观的经涂布纸板,其包含基本不含有含氟化学品或蜡的防护涂层,表现出良好的防油性、防脂性和防潮性,并且不具有倾向于粘连的趋势。(coated paperboard with a natural appearance comprising a protective coating that is substantially free of fluorochemicals or waxes, exhibits good oil-, grease-, and moisture-repellency, and has no tendency to block.)

具有自然外观的防油、防脂和防潮的纸板

发明背景

发明领域：本公开涉及具有防油性、防脂性和防潮性，同时具有自然外观并同时保持高度可再浆化，并且不具有倾向于粘连的趋势的纸板基材。

相关技术描述：对食品服务和食品包装而言，越来越强烈期望使用可再生、可再循环和/或可堆肥材料的可持续包装。纸张或纸板本身是用于包装应用的最可持续材料之一；但是，纸张或纸板常常涂布或层合有防护材料以满足包装的要求。这些额外的防护涂层或膜常常使成品包装无法再浆化或堆肥。例如，广泛使用的经聚乙烯涂布的纸板在典型条件下既不可堆肥也不可再循环。经聚交酯涂布的纸板可以在工业条件下堆肥，但不可再循环。

防油脂性是食品与食品服务行业中对纸板包装的首要需求之一。多项技术，包括特种化学品（蜡、含氟化学品、淀粉、聚乙烯醇(PVOH)、藻酸钠等等）处理、聚合物挤出涂布（聚乙烯等等）已经用于提供纸板包装的防油脂性。但是，用蜡处理或用聚乙烯涂布的纸张或纸板（其目前用于防油脂包装）难以再浆化。用特种化学品（如含氟化学品）处理过的纸张或纸板具有潜在的健康、安全和环境问题，科学家呼吁停止在普通消费品（包括包装材料）中不必要地使用含氟化学品。水性涂料是实现这些目标的有前景的解决方案之一，特别是如果经涂布纸板可高度再浆化的话。

具有自然棕色外观的包装和其它纸制品越来越受到零售商和品牌所有者的青睐以传达环保信息。但是，用于施加至未漂牛皮纸纸板的传统涂料设计为提供白色表面，包装图形通常印刷在该白色表面上。尽管可以由未经涂布的原纸制成包装，但所得包装将几乎不具有或不具有防油性、防脂性或防潮性。另一方面，基于聚乙烯、含氟化学品或蜡的涂层等等可以使未漂纤维能够被看到，但是受制于上文讨论的各种缺点。

存在对避免环境或安全问题的防油、防脂和防潮的具有自然外观的纸板的需要。

发明概述

本发明的总体目的是通过施加一层或多层不含有含氟化学品或蜡的水性涂料在未漂纸板上提供油、脂和湿气防护。该涂料可以在造纸机上施加或通过离线涂布机来施加。根据本发明涂布的纸板提供了防油性、防脂性和防潮性，不具有任何粘连的趋势，符合安全和环境法规，具有良好的可再浆化性，表现出自然外观，并可以以低成本制造。

在一个实施方案中，公开了一种经涂布的未漂纸板，其包含具有第一面和第二面的未漂纸板基材；以及与第一面接触的第一涂层，第一涂层具有大约6至14 lbs/3000 ft²的涂层重量，并包含粘合剂和颜料，第一涂层基本不含有含氟化学品或蜡。第一涂层中粘合剂与颜料之比可以为按重量计每100份颜料30至50份粘合剂。

可以在第一涂层上施加第二涂层，第二涂层也基本不含有含氟化学品或蜡。经涂布纸板提供对油、脂和湿气中的至少一种的防护性质；并可以为至少98.5%可再浆化。

具体实施方式

图1示出了在纸板机上制造基纸的方法；

图2示出了通过在纸板机上向一面施加涂层来处理来自图1的基纸的方法；

图3示出了通过在机外涂布机上向一面施加涂层来处理来自图1的基纸的方法；

图4是几个样品的L-a-b颜色值的a和b分量的图；

图5显示了测量粘连的装置和方法；

图6是防油/脂性（3M抗油脂性能(kit)水平）vs.涂层重量的图；和

图7是防潮性（WVTR）vs.涂层重量的图。

发明详述

图1和图2示出了用两层水性涂料涂布纸板纸幅的一面的示例性造纸机上方法。呈环形带形式的成型网110绕过邻近流浆箱120旋转的胸辊115。该流浆箱提供具有相当低稠度（例如，大约0.5%固体）的在水中的未漂纤维浆料，该浆料递送至移动的成型网110上。在第一距离230过程中，从浆料中通过成型网110排水，形成湿纤维的纸幅300。在距离130过程中的浆料可能仍具有潮湿外观，因为在其表面上存在游离水。在随着排水继续进行的某时刻，游离水可能从表面上消失，并且经过距离231，尽管表面看上去没有水，但仍可能继续排水。

最终，该纸幅由引纸毡或压榨毡携带通过一个或多个压榨装置，如压榨辊130，其有助于进一步将纸幅脱水（通常伴随着压力、真空和有时热的施加）。在压榨后，例如使用干燥器或干燥部401、402干燥仍然相对潮湿的纸幅300以产生干纸幅（“原纸(raw stock)”）310，其随后可以运行通过施胶压榨机510，其施加表面施胶以产生经施胶的“基纸(basestock)”320，基纸320随后可以运行通过另外的干燥部403和（在图2上）平滑步骤，如压光机520。

未漂基纸320随后可以运行通过一个或多个涂布机。例如，涂布机530可以将第一涂层（“BC”）施加至纸幅的第一面（“C1”），并且第一涂层可以在一个或多个干燥部404中干燥。涂布机540可以将任选的第二涂层（“TC”）施加至纸幅的第一面，并且第二涂层可以在一个或多个干燥部405中干燥。

可以如图3中所示通过机外涂布机施加涂层，替代如图2中所示通过机上涂布机施加涂层。在此类情况下，随后可以将已经在造纸机上生产并卷绕到纸卷572上的纸板运送（以纸卷形式或以较小的卷形式）至机外涂布机600，在那里将纸板从纸卷572上解卷，通过涂布机610赋予第一涂层，在（一个或多个）干燥器601中干燥，通过涂布机620赋予任选的第二涂层，在（一个或多个）干燥器602中干燥，任选施以进一步处理（如光泽压光）并随后卷绕到纸卷573上。机外涂布机可以替代地将单一涂层施加到纸板的一面上，或可以将单一涂层施加到每一面上，或可以将超过一个涂层施加到任一面或两面上。或者，可以在造纸机上进行一部分涂布，在机外涂布机上进行另外的涂布。

可以使用各种类型的涂布装置。图2-3中所示的涂布机是如下的装置——其中将涂料放在盘中，通过辊运送到纸幅的下表面（根据纸幅路径，其可以是第一面或第二面），并随后在纸幅围绕支承辊部分盘绕时通过刮刀刮去多余的涂料。但是，也可以替代地使用其它涂布机类型，包括但不限于幕帘涂布机、气刀涂布机、棒涂机、涂膜机、短驻留涂布机、喷涂机和计量膜施胶压榨机。

在涂布机之后，可以存在附加的设备以便进行进一步加工，如附加的平滑处理，例如光泽压光。最后，将纸幅紧密地卷绕到纸卷570上。

在先前的描述中并参照图1-3以高水平概述了造纸和涂布的总体过程，现在转向本发明的涂料。未漂原纸通常涂布有含颜料的涂料以用于提供适于印刷的光滑白色表面。此类纸板的一个实例是由WestRock Company制造的CNK®纸板。虽然可以用材料可替代地或附加地涂布未漂原纸以增强防油性、防脂性或防潮性，但典型的水性防护涂料常常使用（一种或多种）特种聚合物、蜡和/或更高的聚合物粘合剂水平（与常规印刷涂料相比）。因为该涂料通常难以分解到可接受的尺寸或倾向于在使用再循环纤维的纸板制造中形成“胶粘物”，这些涂料可能导致与经涂布纸板的可再浆化性相关的问题。

此外，许多防护涂层使纸板倾向于在纸卷570、571、572、573中或将其重新卷绕成卷之后“粘连”（多层粘着在一起）。特别是在纸卷570中，可能存在来自干燥器的余热，由于纸卷的体量大，余热可能相当缓慢地耗散。较高的温度可能增加倾向于粘连的趋势。

已知涂布有常规适印性涂料的纸板通常不会粘连，并通常是可充分再浆化的。如果非粘连且可充分再浆化的涂料还提供至少一定程度的防护性质，这将是有利的。但是，常规适印性涂料不能提供令人满意的防护性质。它们的配方具有相对较低水平的粘合剂以便吸收而不是排斥流体（例如印刷墨水）。

对底涂层而言，常规适印性涂料中的粘合剂量可以为按重量计每100份颜料15-25份，对顶涂层而言为按重量计每100份颜料10-20份。印刷级往往在这些范围的下半部分。限制顶涂层中的粘合剂量可以允许印刷墨水或胶粘剂容易地吸收到适印性涂料中。简单地增加粘合剂以改善防护性质最终会干扰适印性，并导致另外的问题，包括粘连和可再浆化性问题。

许多使用（一种或多种）特种聚合物和/或更高的聚合物粘合剂水平的水性防护涂料（与适印性涂料相比）存在类似的粘连和可再浆化性问题，其有害效果在于，经涂布纸板不可完全再循环，并在提高的温度或压力下倾向于粘连。

在任何情况下，可以预期含有（一种或多种）粘合剂和（一种或多种）颜料的常规适印性涂料具有高不透明度水平。如果纸板意在提供用于印刷的白色基材，则这种特性是高度合意的。其不适于意在具有自然外观的包装材料。

已经令人惊讶地发现，即使在配方中含有颜料（例如粘土）的情况下，本申请中公开的本发明的涂料仍可提供保持其自然棕色外观的经涂布的未漂牛皮纸纸板。所得经涂布纸板显示出优异的不吸油性质和显著增强的湿蒸气防护性质。该纸板在提高的温度和压力下不会粘连，并且其与相应的可印刷级牛皮纸纸板相比类似或更好地再浆化。此外，该涂料使用低成本且作为纸张或纸板行业的涂布材料易得的常规颜料。

在本发明中使用常规颜料，该常规颜料可以包括但不限于高岭土、碳酸钙等等。本文的实施例中使用的颜料具有以下“简写”名称：

“粘土-A” #2粘土，常规亮度，粒度80-94% < 2微米

“粘土-B” #1粘土，高亮度，粒度90-100% < 2微米

“粘土-C” 具有高纵横比的扁平型粘土

“CaCO₃-A” 粗磨碳酸钙，粒度60% < 2微米。

对于本文的涂料中的粘合剂，使用SBR胶乳和蛋白质。实施例中粘合剂的选择并不意味着以任何方式加以限制，并且可以包括而不限于苯乙烯丁二烯共聚物、蛋白质、苯乙烯丙烯酸酯共聚物、聚乙酸乙烯酯和乙烯基丙烯酸类共聚物中的至少一种。

根据表1中所示的配方制备涂料，表1提供了以用于实现防油脂性而不具有粘连或可再浆化性问题的水性涂料配方的干份数计的主要成分的列表。在该涂料中基本不使用含氟化学品。“基本不含有含氟化学品”意味着不有意使用含氟化学品，并且存在的任何量最多为痕量。尽管在实验室实验中可以排除含氟化学品，但在一些造纸机系统中，由于制造各种等级的产品，因而可能存在痕量的此类材料，或者痕量的此类材料可能经由再循环过程引入到造纸系统中。同样，在该涂料中基本不使用蜡，“基本不含有蜡”具有类似的含义。

表1. 涂料配方

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使用未漂硫酸盐法（牛皮纸）基材制造厚度为14 pt（0.014''）的纸板样品。使用中试刮刀涂布机在一面（在本文中称为“经涂布面”）上涂布样品以施加单一涂层，或施加底涂层并随后施加顶涂层。预期中试结果代表在生产型造纸机上或生产型机外涂布机上可能实现的结果。

表2中显示了作为单-道次涂层施加时表1的配方的试验结果，对于所有样品选择10.0-10.5 lbs/3000 ft²的涂层重量。样品C-2、C-3、C-4、C-5和C-9表现出自然外观，其中未漂纸板原纸的棕色纤维透过所施加的涂层清晰可见，使得该涂层可以被认为具有基本“透明”或“半透明”的外观，而没有显而易见的白度。这与样品C-1、C-6、C-7和C-8形成对比——其均表现出一定程度的白度，这阻碍或减损了纸板的自然外观。尤其是，涂布有所含粘合剂水平相对较低（例如每100份颜料19或25份）的C-6和C-7的样品显示出经涂布表面的不匀称白度。与分别含有粘土-B、粘土-C或CaCO₃的涂料（C-2、C-3、C-4）相比，含有粘土-A的涂料（C-1）的确显示出更白的外观。

根据TAPPI标准T524使用Technidyne Brightimeter Micro S-5设备以L-a-b颜色空间值的形式测量样品的颜色，其显示在表2中。a颜色和b颜色分量值图示在图4中，其中注意到具有自然外观的样品均聚集在右上角。表现出可接受的自然外观的样品具有在小于72、优选小于62和更优选小于60的颜色空间内的L值。此类样品的b值大于6，优选大于9.5。

根据TAPPI标准T452在Technidyne Brightimeter Micro S-5上测量样品的亮度，所得值显示在表2中。表现出可接受的自然外观的样品的亮度值具有小于40、优选小于30和更优选小于25的值。

通过3M抗油脂性能试验（TAPPI标准T559 cm-02）在“经涂布面”上测量样品的防油脂性（OGR）。对于该试验，评级为1（对油脂的抗性最低）至12（对油脂渗透的抗性优异）。

如表2中所示，与具有小于1的3M抗油脂性能评级的印刷级CNK®对照物相比，具有自然外观的水性防护涂布样品C-2、C-3、C-4、C-5和C-9给出了4.8或更高的3M抗油脂性能水平。通过在38℃和90%相对湿度下的WVTR（水蒸气透过率）（TAPPI标准T464 OM-12）和水Cobb（TAPPI标准T441 om-04）来评价涂层的防潮性。对于具有相对较高的粘合剂水平（即超过30份）的样品，WVTR显著降低，水Cobb评级也是如此。与相同厚度（14 pt）下印刷级CNK®对照物的1098 g/m²-d的WVTR相比，涂布有C-2、C-3、C-4、C-5和C-9的样品（均表现出自然外观）具有189至379 g/m²-d范围内的WVTR值，表明显著改善的湿蒸气防护。注意到的是，含有CaCO₃-A作为颜料的涂料C-4显示出对液体水的最强抗性，其2-分钟水Cobb为3.5 g/m²，这比具有自然外观的其它样品好十倍。

表2. 经涂布纸板的结果

*未经涂布的未漂原纸具有55.5-3.8-15.1的L-a-b值。

**未经涂布的未漂原纸具有19.2的亮度值。

除了3M抗油脂性能试验外，还使用吸油率（油Cobb）来量化和比较OGR性能（防油脂性），其测量特定时间（例如30分钟）内1平方米的经涂布纸板所吸收的油的质量。对于每种受试条件，切割样品以提供两片各6英寸×6英寸的正方形。在临试验前将每个正方形样品称重。随后将4英寸×4英寸（面积为16平方英寸或0.0103平方米）正方形的用花生油饱和的吸墨纸放在试验样本（防护面）的中心并轻轻按压以确保含油吸墨纸的全部面积与经涂布表面接触。在通过秒表监测30-分钟后，用镊子轻轻移除含油吸墨纸，并用纸巾（Kimwipes™）从经涂布表面上擦拭掉过量的油。然后再次将试验样本称重。测试前后的重量差（以克为单位）除以试验面积0.0103平方米得到油Cobb值（以克/平方米为单位）。

与上文讨论的3M抗油脂性能试验结果一致，具有自然外观的样品C-2、C-3、C-4、C-5和C-9的油Cobb（30-分钟暴露）值低于表现出一定程度的白度的样品C-1、C-6、C-7和C-8的那些值。作为比较，测得印刷级CNK®对照物（14 pt）的30-分钟油Cobb为9.4 g/m²。经防护涂布的样品在提高的温度和压力下没有显示出任何倾向于粘连的趋势。

通过评价经防护涂布面与另一未经涂布面之间的粘附力来测试样品的粘连行为。图5中显示了粘连试验的简化图解。将纸板切成2''×2''的正方形样品。对于每种条件测试多个重复样本，每个重复样本评价一对样品752、754之间的粘连（例如，如果测试四个重复样本，则使用四对——八片试件）。放置每一对以使一片试件752的“经防护涂布”面接触另一试件754的未经涂布面。将成对试件放入堆叠件750中，相邻成对试件之间具有间隔件756，该间隔件为箔、离型纸或甚至复印纸。将整个样品堆叠件放入图5中所示的试验装置700中。

试验装置700包括构架710。调节旋钮712与穿过构架顶部716的螺杆714连接。螺杆714的下端与盘718连接，盘718压在重螺旋弹簧720上。弹簧720的下端压在盘722上，盘722的下表面724具有一平方英寸的面积。刻度726使用户能够读取所施加的力（其等于通过一平方英寸的下表面724施加至样品堆叠件的压力）。

将样品堆叠件750放置在下表面724与构架底部728之间。拧紧旋钮712，直到刻度726读取所需的100 lbf的力（施加到样品上的100 psi）。然后将包括样品的整个装置700放置在50℃下的烘箱中24小时。随后将装置700从试验环境中取出并冷却至室温。随后释放压力，并从装置中取出样品。

通过分离每对纸板片材来评价样品的粘着性和粘连。如表3中所示报道结果，“0”评级表明无粘连的趋势。

表3. 粘连评级

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粘连破损作为纤维撕裂可见，如果存在的话，其通常随着纤维从样品754的非防护表面上拉起而发生。如果非防护表面涂布有印刷涂层，那么粘连也可能体现为对该印刷涂层的损坏。

例如，如图5中象征性描绘的那样，样品752(0)/754(0)可代表“0”粘连（无粘连）。样品中的圆形表示大致的受压面积，例如整个样品的大约一平方英寸。样品752(3)/754(3)可代表“3”粘连评级，具有在受压面积中最多25%的纤维撕裂（特别是在样品754(3)的未经涂布表面中）。样品752(4)/754(4)可代表“4”粘连评级，具有超过25%的纤维撕裂（特别是在样品754(4)的未经涂布表面中）。图5中的描绘仅仅意味着大致表明此类试验样品的破损百分比，而不是显示样品的真实外观。

使用来自表1的涂料配方C-2制备另一系列的样品。使用厚度为14 pt（0.014''）的未漂硫酸盐法（牛皮纸）基材制成的纸板样品在一面（“经涂布面”）上用中试刮刀涂布机涂布以施加配方C-2的底涂层（“BC”），随后对一些样品使用中试刮刀涂布机施加配方C-2的顶涂层（“TC”）。这些样品的试验结果显示在表4中。与之前一样，通过3M抗油脂性能试验和油Cobb（30分钟）在“经涂布面”上测量样品的防油脂性（OGR）。还通过测量这些样品的WVTR来评价湿蒸气防护性。

表4. 经涂布纸板的结果

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施加2-道次涂层将获得至少10的3M抗油脂性能水平，对于图4的样品而言，实现了12的结果。尽管具有1-道次涂层的样品显示出略低的30-分钟油Cobb，但注意到的是，具有2-道次涂层的样品在油Cobb试验后几乎没有表面油污点；但是，具有1-道次涂层的样品在油Cobb试验后显示出许多油污。如表4中可见，2-道次涂层显著改善了WVTR。

对于表4中的各个样品，经涂布纸板均具有自然外观。

使用AMC Maelstrom碎浆机测试表4中样品的可再浆化性。将切成1''×1''正方形的110克的经涂布纸板加入到含有2895克水（pH为6.5±0.5，50℃）的碎浆机中，浸泡15分钟，随后再浆化30分钟。然后，使300毫升的再制浆料通过平板振动筛（0.006''筛孔尺寸）筛分。将废浆（由筛网捕获）和纤维良浆收集、干燥并称重。良浆的百分比基于良浆和废浆的重量来计算，100%为可完全再浆化性。与使用在经涂布的未漂牛皮纸纸板的对照印刷级样品上进行的相同的再浆化试验实现的96.3%相比，样品均实现了98.8%良浆的可再浆化性。

制备涂料配方C-2的附加样品，其中以1-道次和2-道次施加涂层。在每种情况下，底涂层以8.6或9.8 lb/3msf的涂层重量施加，顶涂层以不同的涂层重量施加。对于所示的所有涂层重量，各样品均表现出自然外观。通过参考图6可以看到总涂层重量对3M抗油脂性能值的影响，而通过参考图7可以看到总涂层重量对WVTR的影响。如图6中所示，对于1-道次和2-道次涂层，3M抗油脂性能水平均随着涂层重量的增加而增加；但是，在相似的总涂层重量下，2-道次涂层显示出比1-道次涂层更高的抗油脂性能水平。如图7中所示，1-道次和2-道次涂层均具有类似的相对于总涂层重量的WVTR趋势。

如表1、2和4所示，采用30至50、优选35至45的涂料配方的总粘合剂与颜料之比（按重量计，粘合剂的份数比100份颜料）可以获得令人满意的自然外观以及良好的防油性、防脂性和防潮性。这大于典型适印性涂层（其中期望快速吸收墨水）的粘合剂与颜料之比且小于典型防护涂层的粘合剂与颜料之比。此外，使用至少部分包含SBR胶乳的涂料实现了良好的结果。

总而言之，结果表明，通过用常规涂料材料涂布获得了具有良好的防油性、防脂性和防潮性的具有自然外观的纸板。上述试验使用刮刀涂布机来施加涂层。如前文所讨论的那样，可以使用各种类型的涂布装置。

一旦获得上述公开内容，许多其它特征、修改或改进对本领域技术人员而言将变得显而易见。因此，此类特征、修改或改进被认为是本发明的一部分，本发明的范围由所附权利要求书来确定。

虽然已经描述和举例说明了本发明的优选实施方案，应显而易见的是，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的实施方案和实施方式进行许多修改。因此，要理解的是，本发明不限于本文中公开（或由本公开内容显而易见）的具体实施方案，而是仅受随之附上的权利要求书的限制。