Картонный продукт и способ его изготовления - RU2322353C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу изготовления многослойного картона согласно п.1 формулы изобретения.

Изобретение относится также к картонному продукту, пригодному для применения в качестве внутреннего полотна картона.

Картон используют в качестве материала для нанесения печати, а наиболее часто - для изготовления упаковок различного типа. Важными характеристиками упаковочного картона являются прочность и жесткость упаковочного материала, а также достаточно высокое качество печатной основы, если на упаковке должен быть напечатан текст или изображение. Часто картон снабжают непроницаемыми барьерными слоями, если его используют, например, для упаковки жидкостей или продуктов, содержащих летучие компоненты, например кофе, и других пищевых продуктов. Качество поверхности печатной основы определяют в соответствии с требованиями, установленными к качеству печати на упаковке продукта, при этом очевидно, что дорогостоящие предметы должны быть упакованы в материалы, отличные от тех, которые используют для транспортировочной и потребительской упаковки товаров массового производства.

Для того чтобы обеспечить достаточную жесткость картона, приходится увеличивать его толщину, при этом для производства картона требуется большое количество волокнистого сырья. С другой стороны, чем более высокие требования устанавливают к качеству печатной основы, тем более дорогостоящее сырье необходимо использовать, чтобы придать продукту достаточно хорошую гладкость и другие характеристики. Поскольку жесткость картона определяется главным образом его толщиной, удельный расход материала и стоимость сырья возрастают почти линейно при увеличении толщины и плотности продукта. Поэтому предпочтительно было бы изготавливать такой картон, который имел бы облицовочные слои из прочного материала высокой плотности с хорошими печатными свойствами, в то время как внутреннее полотно может иметь низкую плотность. Обычно плотность картонного полотна является практически постоянной по всему поперечному сечению, поскольку традиционные способы изготовления не позволяют получать полотно с существенным изменением плотности по его толщине. При фальцевании плотность картона в поверхностном слое несколько отличается от плотности внутреннего полотна, однако это изменение плотности настолько мало, что не представляет собой эффективного способа снижения расхода материала для толстого картона, в отличие от изготовления гофрированного картона, который содержит рифленое внутреннее полотно.

Гофрированный картон представляет собой слоистый продукт, содержащий два наружных слоя, называемых облицовочными, и внутреннее гофрированное полотно, известное как гофра и расположенное между ними. В многослойном гофрированном картоне может быть несколько внутренних гофрированных полотен, отделенных одно от другого слоями плоского картона, которые аналогичны облицовочным слоям. Форма, расстояние между выступами и высота гофры могут варьировать, однако выступы гофры неизменно ориентированы в направлении, перпендикулярном машинному направлению полотен из сырого материала. Поскольку все полотно, используемое для внутреннего слоя, гофрируют без деформации непрерывной гладкой поверхности боковых сторон полотна, гофрированные выступы образуют линейные и непрерывные связанные структуры на поверхности, по которой их затем приклеивают. В результате жесткость внутреннего слоя становится различной в поперечном и продольном направлении. В картонном полотне волокна ориентируются в процессе изготовления полотна главным образом в направлении его обработки, т.е. в продольном направлении полотна. В результате прочность полотна становится различной в направлении обработки и в направлении, перпендикулярном ему. В гофрированном картоне это различие выравнивается большей жесткостью внутреннего слоя в направлении гофр. В данном описании термин "в направлении гофр" означает продольное направление относительно выступов и впадин гофр.

Гофрированный картон является полезным упаковочным материалом, однако он обладает несколькими недостатками. Предел прочности при сжатии гофрированного картона изменяется в широких пределах с зависимости от того, приложена ли сила сжатия к выступу или к впадине, и, кроме того, облицовочные слои не обязательно являются плоскими во всех точках, но могут иметь деформацию, вызванную такими факторами, как, например, небольшая усадка после приклеивания. Свойства поверхностного слоя гофрированного картона, конечно, зависят от толщины и качества облицовочного картона, но тем не менее гофрированный картон не всегда является предпочтительным материалом для обработки способами контактной печати, что ограничивает его применение для высококачественной упаковки. Сорта гофрированного картона, как правило, имеют относительно большую толщину, однако за последнее время уже освоен промышленный выпуск более тонкого гофрированного картона с пониженной плотностью. Чрезмерная толщина этого материала ограничивает его применение как для печатных продуктов, так и для мелкой потребительской упаковки, внешние размеры которой имеют ограничения. Поэтому гофрированный картон обычно не является альтернативой тонкому картону по меньшей мере в упаковках высокого качества.

В патенте США №5374468 описан комбинированный картонный продукт, в котором на внутреннее полотно, состоящее из трех слоев, наносят двустороннее тиснение, пропуская влажное картонное полотно через перфорированные вакуумные барабаны. Влажное полотно в местах отверстий вакуумного барабана образует тисненые чашеобразные выступы, при этом с обратной стороны полотна появляется тиснение в форме углублений. Поскольку полотно обрабатывают в вакууме, его необходимо обрабатывать во влажном состоянии и подвергать сушке после окончания процесса тиснения. С другой стороны, поскольку углубления должны быть относительно большими и глубокими, сложно использовать этот способ для производства тонкого картона, пригодного для нанесения печати.

Задачей настоящего изобретения является способ получения картона, содержащего внутреннее полотно, имеющее особые свойства, при этом указанный картон должен обладать хорошей жесткостью и отношение расхода сырья к жесткости картона должно быть меньшим, чем у известных сортов картона.

Задача изобретения решается с помощью комбинированного картона, состоящего по меньшей мере из двух, а предпочтительно - из трех слоев, приклеенных друг к другу в зонах соединения, а также с помощью обработки материала внутреннего полотна в сухом состоянии перед нанесением клея таким образом, чтобы создать участки с необратимой деформацией, вершины которых выступают за пределы поверхности внутреннего полотна, при этом толщина внутреннего полотна не превышает 3 мм.

Более подробно способ изготовления картонного продукта согласно изобретению описан в отличительной части п.1 формулы изобретения.

Кроме того, получение многослойной структуры продукта согласно изобретению описано в отличительной части п.7 формулы изобретения, а картонный продукт согласно изобретению описан в отличительной части п.8 формулы изобретения.

Изобретение обладает существенными достоинствами.

Изобретение позволяет получать высококачественные сорта картона, пригодные для нанесения печати, при этом отношение жесткости к удельному расходу сырья, в частности волокнистого сырья, является гораздо более благоприятным, чем в случае обычных сортов картона. Свойства нового картона можно легко изменять, при этом можно также получать сорта с чрезвычайно низкой плотностью. Продукт отличается большим объемом, жесткостью и сопротивлением изгибу по отношению к плотности. Жесткость продукта может фактически даже превышать жесткость гофрированного картона. И, наоборот, по сравнению с продуктом, имеющим равную жесткость и прочность, картон согласно изобретению можно получить при меньшем расходе волокнистого материала. Поэтому новый сорт картона является более экономичным в изготовлении и создает меньшую нагрузку на окружающую среду, чем обычный картон, в котором все слои являются сплошными. Продукт можно полностью и легко утилизировать, учитывая, что все слои продукта получены из растительного, волокнистого материала. При необходимости защиту продукта от влаги или газа можно легко обеспечить с помощью обычных фольговых/пленочных материалов. Таким образом, утилизация продукта определяется типом используемой фольги/пленки, при этом с точки зрения утилизации предпочтительно выбирать фольговые и пленочные материалы, которые можно утилизировать совместно с волокнистым сырьем.

Свойства картона можно изменять различными способами. Изменяя форму и размеры участков деформации, создаваемых во внутреннем полотне, можно регулировать не только толщину готового продукта, но и прочностные характеристики в различных направлениях, в то время как качество наружных слоев можно изменять, чтобы получить желаемые свойства картона для нанесения печати. Так, например, чтобы придать продукту хорошие печатные свойства, на наружный слой картона можно нанести покрытие и каландровать его. Поскольку толщина профиля картона плавно регулируется, а сопротивление сжатию картона в направлении, перпендикулярном его поверхности, является однородным, на новый картон можно наносить печать высокого качества с помощью обычных способов контактной печати, например офсетными, флексографическими и цифровыми печатающими устройствами.

На свойства картона может оказывать влияние конфигурация деформированных участков внутреннего полотна. Поскольку бумажное и картонное полотно неизбежно имеют небольшие различия характеристик обеих сторон вследствие технологии их изготовления, эти различия можно выровнять или усилить за счет выбора односторонней или двухсторонней деформации. Деформированные участки могут иметь замкнутую конфигурацию и быть расположены таким образом, чтобы они не создавали регулярной решетки или прямых линий, по которым материал полотна может разрушаться под нагрузкой. Форму деформированных участков предпочтительно выбирают такой, чтобы в процессе обработки она сохраняла выступающие вершины и кромки максимально невредимыми, обеспечивая тем самым высокую прочность внутреннего полотна. С другой стороны, клей, которым склеивают различные слои полотна, выполняет функцию ремонтного компонента, который устраняет возможные разрывы, в особенности на вершинах образованных выступов. Что касается сопротивления разрыву деформированных участков, установлено, что закругленные и криволинейные формы являются более предпочтительными, чем угловые формы. Наиболее предпочтительной формой является закругленная деформация, поскольку она обеспечивает высокую прочность и создает минимальное напряжение при обработке полотна.

Ниже приводится более подробное описание изобретения со ссылками на варианты его реализации, рассматриваемые в тексте.

Патентная заявка Финляндии 20001799 описывает картонный продукт, содержащий внутреннее полотно и наружные облицовочные слои, а также способ изготовления указанного продукта. Согласно этому способу внутреннее полотно подвергают прессованию (штамповке), создавая на нем выступы, а затем соединяют друг с другом различные полотна картона с помощью клея. Поскольку настоящее изобретение относится к способу и продукту, описанным в указанной патентной заявке, краткое описание этого способа включено в настоящее описание. Дополнительные детали описания можно найти в указанных патентных заявках, включенных в данную патентную заявку в качестве ссылки.

Для изготовления трехслойного продукта требуется три полотна, которые подают на технологический процесс в рулонах. Если способ используют для производства тонких сортов картона, пригодного для печати, толщину полотна можно выбрать достаточно низкой. При этом толщина полотна сырого материала для бумаги изменяется в более широких пределах, чем для картона. Процесс начинается с разматывания рулонов сырого материала на соответствующую длину полотна и заканчивается, когда полотна пропускают через связывающий/калибрующий зазор, образованный между двумя вращающимися валками. В этом конечном приспособлении полотна соединяются. Вначале внутреннее полотно обрабатывают, пропуская его между валками с рельефной поверхностью и подвергая полотно прессованию (тиснению) в сухом состоянии, чтобы создать на поверхности полотна участки с необратимой деформацией. В данном контексте сухое полотно следует понимать как полотно с нормальным содержанием влаги, доставленное со склада или с прокатной машины, т.е. рулон полотна с содержанием влаги в состоянии поставки типично - менее 10%, как правило, от 3 до 12%. Кроме того, операцию прессования выполняют, не подвергая полотно нагреву или пропариванию. Наиболее предпочтительно поверхность полотна подвергают прессованию (тиснению) трехмерным рельефом, в частности рельефом, образованным усеченными конусами, полусферами или сотовыми чашечками, при этом прочность полотна после прессования является одинаково хорошей как в направлении волокон, так и в поперечном направлении, чего не происходит, например, в случае двумерной рифленой среды гофрированного картона. Наружные полотна пропускают через ролики аппликатора клея. Их функция заключается в том, что ролик, проходя по внутренней стороне облицовочного полотна, служит в качестве опорного ролика, в то время как клей наносят на внутренние стороны облицовочного полотна с поверхности аппликаторного ролика. Клей можно также наносить на вершины тисненых выступов, выполненных на внутреннем полотне, при этом система нанесения клея отличается и может содержать аппликаторный зазор вышеописанного типа для нанесения клея, установленный вдоль направления перемещения внутреннего полотна. Далее облицовочные слои, покрытые клеем, вместе с обработанным внутренним полотном пропускают через соединительный зазор, где полотна приклеиваются друг к другу и где одновременно калибруется толщина картона за счет сжатия полотна между валками. Таким образом, наложение полотен и их соединение в единый продукт можно произвести на одной операции, при этом происходит также калибровка толщины картонного продукта. Соединительное устройство служит также в качестве протяжного устройства для полотен. После соединения продукт можно в случае необходимости высушить в соответствии с требованиями к условиям сушки применяемого клея. Клей может быть высушен также с помощью других типов реакций, которые определяются клеем, нанесенным на полотно.

Изобретение направлено на изготовление картона для недорогих потребительских упаковок, при этом задачей изобретения является снижение удельного расхода сырья, применяемого для упаковки. При этом картон согласно настоящему изобретению можно определить как многослойный упаковочный картон с плотностью от 100 до 500 г/м². Типичная толщина продукта составляет от 0,5 до 1,5 мм, что делает продукт пригодным для множества различных способов нанесения печати. Продукт с более высокой толщиной можно получить, используя внутреннее полотно, изготовленное с максимальной толщиной, например 3 мм, для применения способов печати, которые не ограничиваются толщиной листа или полотна.

Достоинство внутреннего полотна согласно изобретению заключается в том, что внутреннее полотно имеет фактуру, образованную множеством мелких выступов с относительно небольшой высотой выпрессованных (тисненых) вершин. Наиболее важным параметром такой фактуры является высота выступов, которая должна обеспечивать толщину внутреннего полотна, не превышающую 3 мм. При этом, однако, не требуется, чтобы выступы покрывали очень большую рабочую зону полной поверхности внутреннего полотна при условии, что обеспечено достаточно большое количество точек или участков, создающих опору для облицовочного полотна. Поэтому выступы могут занимать от 5 до 70% полной площади поверхности внутреннего полотна. При этом площадь поверхности внутреннего полотна определяется как площадь исходного внутреннего полотна, не подвергнутого прессованию, в то время как площадь тисненых выступов следует понимать как общую выступающую площадь тисненой фактуры в плоскости внутреннего полотна. Если тиснению подвергают обе поверхности внутреннего полотна, то очевидно, что суммарная площадь выступов на обеих сторонах не может превышать общей площади поверхности исходного внутреннего полотна. Количество тисненых точек на единицу площади, естественно, зависит от размера и формы выступов. Согласно изобретению количество выступов должно быть более 0, но менее 50 на см². Поскольку площадь бесконечной тисненой фактуры, в частности различных кривых, может составлять несколько квадратных сантиметров, в настоящем контексте следует рассматривать каждую часть отдельной кривой, находящуюся в пределах единицы измерения площади образца, как отдельный выступ. Расстояние между стенками вершин криволинейных выступов не должно быть чрезмерно большим, поскольку в противном случае снижается несущая способность картона на участках, расположенных между стенками вершин. Согласно известному практическому правилу среднее расстояние между противоположными стенками вершин выступов в любой точке тисненой фактуры не должно превышать 3 мм. Среднее расстояние между стенками следует понимать как среднее расстояние, измеренное на различной высоте выступов, в плоскости, параллельной поверхности полотна. Для сферических или конических выступов это означает диаметр 3 мм. Для линейных, криволинейных и меандрических выступов расстояние между противоположными стенками измеряют у кромок приподнятых вершин. Это расстояние измеряют в плоскости приподнятой стороны полотна. Угол наклона стенок элементов фактуры от базового уровня полотна может изменяться в широких пределах, однако он должен составлять предпочтительно от 20° до 90°. Этот угол определяют, проводя одну виртуальную линию по поверхности полотна, от которой начинается тиснение фактуры, и вторую линию - касательную к внутренней стенке тисненых элементов фактуры. Для сферических и иных криволинейных поверхностей можно использовать средний угол наклона. Для того чтобы изготовить продукт достаточно тонким и пригодным для печатной машины и уменьшить расход сырья для готового продукта, базовый лист внутреннего полотна не должен иметь слишком большую толщину. Практические испытания, проведенные в рамках настоящего изобретения, показали, что предпочтительно использовать базовый лист с толщиной не более 200 мкм. Поскольку на эти размеры оказывает влияние упругая деформация, которая возникает после тиснения, измерения следует проводить после выдержки тисненого материала.

Остаточная деформация впадин в форме сферы или усеченного конуса с круговым периметром на деформированной стороне внутреннего полотна является наиболее предпочтительной, поскольку она создает минимальное напряжение волокна и меньшую опасность разрыва материала полотна, однако можно рассматривать и другие фактуры в пределах области распространения и идеи изобретения, в частности с круговой вершиной, эллиптическую, многоугольную или аналогичную желаемую фактуру. Однако чем более сложной является форма элементов фактуры, тем выше стоимость изготовления инструмента для тиснения. Полотно наиболее предпочтительно обрабатывать нажимным роликом, однако изобретение включает любые способы механической обработки, которые используют один или несколько прижимных инструментов. Инструмент или его рабочая траектория должны проходить таким образом, чтобы избежать прямых линий между элементами тисненой фактуры по меньшей мере в машинном и перпендикулярном машинному направлениях. Если тиснение фактуры получено роликами в форме линейных матриц, то такие линейные матрицы должны быть ориентированы в направлении, отличном от машинного направления, предпочтительно - под углом примерно -45° и +45° к направлению, перпендикулярному машинному направлению.

Кроме вышеописанных вариантов изобретение может иметь альтернативные варианты реализации.

Внутреннее полотно обрабатывают предпочтительно в сухом состоянии. Для улучшения обрабатываемости полотно можно нагреть с помощью валков, лучеиспускающих нагревателей, обдувом горячим воздухом или нагревать с увлажнением путем подачи горячего пара. Количество подаваемого пара поддерживают таким, чтобы влага, поглощенная полотном, испарялась из горячего полотна без последующей сушки. Если желательно большее количество влаги или возможно даже смачивание водой, последующая сушка часто является обязательной. Однако при этом повышаются капиталовложения и удельное потребление энергии оборудованием. По меньшей мере основная часть внутреннего полотна состоит из растительного волокна. Хотя на внутреннее полотно можно нанести покрытие, а также каландрировать его и обработать агентами, улучшающими полотно, такая обработка дает лучший конечный результат на облицовочном полотне. Фактически поверхностная проклейка внутреннего полотна или объемная проклейка сырья, используемого для изготовления внутреннего полотна, является более эффективным способом повышения прочности внутреннего полотна. Для изготовления внутреннего полотна можно использовать все известные наполнители и добавки, при этом сырьевая смесь может содержать один или несколько составов, имеющих происхождение из различных волокнистых источников или изготовленных различными способами. Эту возможность можно использовать для регулирования прочности волокна, смешивая относительно короткие и длинные волокна для изготовления внутреннего полотна.

Структуры слоистого продукта, содержащие внутреннее полотно и по меньшей мере одно облицовочное полотно, можно объединять для получения многослойных структур желаемой толщины.

Реферат

Способ изготовления пригодного для нанесения печати картонного продукта, содержащего по меньшей мере два слоя. Способ включает операцию соединения отдельных полотен бумаги или картона с помощью клея с получением комбинированного продукта. При этом по меньшей мере одно из полотен обрабатывают механически путем прессования, чтобы создать элементы с остаточной деформацией, выступающие наружу из поверхности полотна на высоту, которая обеспечивает толщину полотна, не превышающую 3 мм. Причем полотно, подвергаемое механической обработке, обрабатывают в сухом состоянии при содержании влаги в полотне меньше 12%. Заявленное изобретение также относится к продукту из картонного или бумажного полотна, который выполнен согласно вышеописанному способу. Предложенные способ и продукт обеспечивают получение картона, содержащего внутреннее полотно, обеспечивающее получение картона с хорошей жесткостью и хорошим отношением расхода сырья к жесткости картона. 2 н. и 11 з.п. ф-лы.

Формула