Связующая композиция для изоляционных изделий
Группа изобретений относится к связующей композиции на водорастворимой основе, способу получения изделия и изделию. Связующая композиция на водорастворимой основе улучшает структурную целостность и изоляционные свойства, когда она наносится на целлюлозную подложку. Связующая композиция включает множество микросфер и полученный полимеризацией в эмульсии полимер, который имеет (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C. Технический результат, достигаемый группой изобретений, заключается в повышении изоляционных свойств и структурной целостности целлюлозного листа. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил., 6 табл., 5 пр.
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение предлагает связующую композицию для изоляционных изделий. В частности, настоящее изобретение предлагает связующую композицию и изделие, которое включает связующую композицию для обеспечения изоляции и структурной целостности.
Уровень техники, к которой относится изобретение
[0002] Традиционные и широко используемые одноразовые пищевые упаковки и контейнеры изготовлены из экструдированных пенополистиролов с закрытыми порами. Поскольку они полностью состоят из пластмассы, они не подвергаются биоразложению и, таким образом, производят неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Некоторые правила запретили использование таких упаковок и контейнеров по экологическим соображениям.
[0003] Более благоприятные для окружающей среды альтернативные пищевые упаковки составляют более пригодные для восстановления подложки, такие как целлюлозный лист, например, картон, плотная бумага, бумага, мелованная бумага, пленка, которые соединяются друг с другом посредством связующей композиции. Альтернативные упаковки, как правило, включают, по меньшей мере, две целлюлозные подложки, причем между этими двумя подложками находится воздушный промежуток. Когда упаковка обрабатывается и складывается, воздушный промежуток между двумя подложками сжимается, и в сжатых областях ухудшается изоляция. Чтобы улучшить изоляционные свойства упаковки, между двумя подложками можно поместить разделитель (например, прокладку) в качестве опорной конструкции, или в качестве подложки могут использоваться материалы, имеющие более высокую поверхностная плотность или немакулатурный картон. Однако вышеупомянутые решения повышают себестоимость, а также увеличивают выбросы углекислого газа в атмосферу.
[0004] Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы усовершенствовать изоляционный целлюлозный лист посредство использования связующей композиции, которая усиливает изоляционные свойства и структурную целостность целлюлозного листа. Настоящее изобретение предлагает благоприятную для окружающей среды и экономически выгодную упаковку, которая обеспечивает теплоизоляцию и структурную целостность.
Сущность изобретения
[0005] Настоящее изобретение предлагает связующую композицию, которая обеспечивает изоляцию и структурную целостность, когда связующая композиция наносится на целлюлозную подложку. Кроме того, настоящее изобретение предлагает содержащее многослойную подложку изделие, которое включает связующую композицию, помещенную между подложками. Эта связующая композиция придает изделию изоляционные свойства и структурную целостность.
[0006] Согласно одному варианту осуществления, предлагается связующая композиция, включающая: (a) полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации; (b) множество расширяющихся микросфер; и (c) необязательно добавку. Полимер на водной основе имеет (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C.
[0007] Согласно еще одному варианту осуществления предлагается способ получения изделия, включающий следующие стадии: (1) получения композиции, включающей полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации и множество расширяющихся микросфер; (2) нанесение композиции на подложку, которая представляет собой бумагу, картон, древесину, фольгу, пластмассу или полимерную пленку; (3) высушивание композиции до практически полного удаления воды; и (4) расширение композиции. Полимер на водной основе имеет (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C.
[0008] Согласно следующему варианту осуществления, предлагается изделие, которое включает целлюлозную подложку и композицию, включающую полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации и множество расширяющихся микросфер. Полимер имеет (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C.
Краткое описание чертежей
[0009] Фиг. 1 представляет график зависимости температуры от времени для двух композитных материалов, из которых один материал содержит связующую композицию согласно настоящему изобретению (толстая линия), а в другом материале не содержится связующая композицию согласно настоящему изобретению (тонкая линия).
[0010] Фиг. 2 представляет график зависимости процентного сжатия от времени при сжатии композитного материала при температуре 191°F (88,3°C) под давлением 2 фунта на квадратный дюйм (13,79 кПа) в течение двух минут.
Подробное описание изобретения
[0011] Настоящее изобретение предлагает связующую композицию, которая обеспечивает изоляцию и структурную целостность при воздействии нагревания или излучения на связующую композицию. Связующая композиция и изделие, в состав которого входит связующая композиция, являются например, биоразлагающимися, и, следовательно, более благоприятными для окружающей среды, чем традиционные контейнеры из экструдированного полистирола с закрытыми порами.
[0012] Основой настоящего изобретения является обнаружение того, что связующая композиция, включающая полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации, и множество расширяющихся микросфер, обеспечивает улучшенную структурную целостность и теплоизоляцию. Связующие композиции, описанные в настоящем документе, могут быть пригодными для применения для многослойных подложек, в частности, для целлюлозных подложек. Посредством использования изобретенной связующей композиции, которая наносится в месте соединения, становится возможным увеличение изоляционного пространства между двумя подложками. Для такого изделия, содержащие многослойные подложки, исключается необходимость разделителя, и, таким образом, оно представляет собой изделие, более благоприятное для окружающей среды. Изоляционные изделия, пригодные для применения согласно настоящему изобретению, включают бумажные изделия для потребительского применения, например, стаканы и крышки для горячих напитков, стаканы и крышки для холодных напитков, контейнеры и крышки для горячих пищевых продуктов, контейнеры и крышки для холодных пищевых продуктов, картонные коробки и ящики для замороженных продуктов и т. п.
[0013] Связующая композиция может состоять из любого числа материалов. Связующая композиция желательно включает эмульсионный полимерный компонент, множество микросфер и необязательно пластификатор и воду. Связующая композиция может дополнительно включать в единственном или множественном числе консерванты, придающие клейкость вещества или наполнители. Другие материалы, которые не производят неблагоприятного воздействия на связующие и изоляционные свойства связующей композиции, могут также использоваться, если это желательно.
[0014] Связующая композиция включает полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации. Эмульсионный полимер может присутствовать в связующей композиции в любом количестве, причем он желательно присутствует в количестве от приблизительно 50% до приблизительно 99,5 мас.% и предпочтительно от приблизительно 50% до приблизительно 70 мас.% по отношению к массе связующей композиции перед отверждением композиции. В зависимости от эмульсионного полимера содержание твердого вещества составляет от приблизительно 40 мас.% до приблизительно 60 мас.% по отношению к массе эмульсионного полимера.
[0015] Полимер на водной основе может выбираться таким образом, чтобы он мог в высокой степени пластифицироваться водой. Это обеспечивает эффективное расширение микросфер в процессе нагревания. Предпочтительно эмульсионный полимер стабилизируется посредством гидрофильных защитных коллоидов. Полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации, может представлять собой полимер одного сорта или смесь синтетических эмульсионных полимеров или полимеров природного происхождения. Полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации, может включать любые желательные полимерные компоненты, такие как дисперсия сополимера этилена и винилацетата, поливинилацетат, сополимер винилацетата и винилового спирта, стабилизированный декстрином поливинилацетат, поливинилацетатные сополимеры, сополимеры этилена и винилацетата, винилакриловый, стиролакриловый, акриловый, стиролбутиловый каучук, полиуретан и их смеси. Особенно предпочтительные эмульсионный полимерные компоненты представляют собой дисперсии сополимера этилена и винилацетата и поливинилацетат.
[0016] Согласно одному варианту осуществления, полимер на водной основе имеет модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C. Все представленные значения модуля упругости были измерены в соответствии со стандартом ASTM D5026. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер на водной основе имеет модуль упругости более чем 5 МПа в температурном интервале от 85°C до 100°. Согласно следующему варианту осуществления, полимер на водной основе имеет абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер на водной основе имеет абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,008 в температурном интервале от 85°C до 100°C. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер на водной основе имеет значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C.
[0017] Связующая композиция дополнительно включает многочисленные предварительно расширенные или расширяющиеся микросферы. Предварительно расширенные микросферы являются полностью расширенными, и для них не требуется дополнительное расширение. Расширяющиеся микросферы, пригодные для применения согласно настоящему изобретению, должны иметь способность увеличения в размерах под действием энергии нагревания и/или излучения (такой как, например, микроволновая, инфракрасная, радиочастотная и/или ультразвуковая энергия). Микросферы, пригодные для применения согласно настоящему изобретению, включают, например, термически расширяющиеся полимерные микросферы, в том числе микросферы, имеющие углеводородную сердцевину и полиакрилонитрильную оболочку (такие как микросферы, продаваемые под торговым наименованием DUALITE®), и другие аналогичные микросферы (такие как микросферы, продаваемые под торговым наименованием EXPANCEL®). Расширяющиеся микросферы могут иметь любой нерасширенный размер, составляющий от приблизительно 12 мкм до приблизительно 30 мкм в диаметре. При воздействии нагревания расширяющиеся микросферы согласно настоящему изобретению могут иметь способность увеличения диаметра от приблизительно трехкратного до приблизительно десятикратного. При расширении микросфер, содержащихся в связующей композиции, эта связующая композиция превращается в пеноподобный материал, который имеет улучшенные изоляционные свойства. Может оказаться желательным, как будет разъясняться ниже, чтобы расширение микросфер происходило в частично отвержденной связующей композиции.
[0018] Расширяющиеся микросферы характеризует определенная температура, при которой они начинают расширяться, и вторая температура, при которой их расширение достигает максимума. Микросферы различных типов имеют различные температуры расширения (Texp) и максимальные температуры расширения (Tmax). Например, микросферы одного особенно пригодного для применения типа имеют Texp от приблизительно 80°C до приблизительно 100°C. Хотя согласно настоящему изобретению могут использоваться микросферы любого конкретного типа, значения Texp и Tmax микросфер следует принимать во внимание при составлении и обработке композиции. Температура (Tmax), при которой расширение микросфер достигает максимума, желательно составляет от приблизительно 120°C до приблизительно 130°C.
[0019] Хотя выбор микросфер конкретного типа и их соответствующих значений Texp и Tmax не имеет решающего значения для настоящего изобретения, в зависимости от этих температур могут изменяться температуры обработки. До тех пор, пока связующая композиция не высыхает полностью, эти микросферы сохраняют способность перемещения в объеме композиции, а также способность расширения. Однако как только связующая композиция становится полностью сухой, микросферы практически фиксируются на своих местах, что делает их расширение затруднительным, если вообще возможным.
[0020] Согласно предпочтительным вариантам осуществления, оказывается желательным, чтобы расширяющиеся микросферы присутствовали в связующей композиции в количестве от приблизительно 0,1% до приблизительно 10% по отношению к массе связующей композиции перед отверждением композиции; причем, более желательным является их содержание от приблизительно 0,5% до приблизительно 7% по отношению к массе связующей композиции перед отверждением композиции, и наиболее желательным является их содержание от приблизительно 1% до приблизительно 5% по отношению к массе связующей композиции перед отверждением композиции. Коэффициент расширения расширяющихся микросфер и уровень содержания микросфер являются взаимосвязанными.
[0021] В зависимости от полностью расширенного размера микросфер, может изменяться количество расширяющихся микросфер в связующей композиции. В зависимости от конкретных расширяющихся микросфер, используемых в композиции, может изменяться желательное количество микросфер в композиции. Как правило, если связующая композиция содержит расширяющиеся микросферы в чрезмерно высокой концентрации, получается недостаточная адгезия и прочность при расширении микросфер, и в результате этого ослабляется структурная целостность композитного материала.
[0022] Было обнаружено, что добавление от 0,1% до приблизительно 10% расширяющихся микросфер по отношению к массе связующей композиции перед ее затвердеванием обеспечивает улучшенную структурную целостность. Расширенная связующая композиция проявляет полное увеличение объема, составляющее более чем 150% и предпочтительно более чем 200%, по сравнению с влажным или частично сухим покрытием из связующей композиции. Как представлено на фиг. 2, связующая композиция составляет приблизительно 75% разделения по высоте композитного материала (бумажные подложки, которые удерживает друг с другом связующая композиция), даже в условиях сжатия при температуре 191°F (88,3°C) под давлением 2 фунта на квадратный дюйм (13,79 кПа) в течение двух минут. Таким образом, связующая композиция придает многослойным подложкам структурную целостность даже после воздействия нагревания под давлением.
[0023] Связующая композиция необязательно включает пластификатор. Примерные пластификаторы представляют собой дибензоаты, выпускаемые под наименованием BENZOFLEX®, такие как дибензоат диэтиленгликоля, дибензоат дипропиленгликоля и т. п.
[0024] В составе связующей композиции может необязательно содержаться любой полярный растворитель, в частности, вода.
[0025] Связующая композиция необязательно дополнительно включает любые придающие клейкость вещества, увлажняющие вещества, сшивающие вещества, консерванты, например, антиоксидант, биоцид; наполнитель, пигмент, краситель, стабилизатор, реологический модификатор, поливиниловый спирт и их смеси. Эти компоненты могут содержаться в количестве от приблизительно 0,05% до приблизительно 15% по отношению к массе связующей композиции перед отверждением композиции. Примерные консерванты представляют собой 1,2-бензизотиазолин-3-он, 5-хлор-2-метил-4-изотиазолин-3-он и 2-метил-4-изотиазолин-3-он. Как правило, консерванты могут использоваться в количестве от приблизительно 0,05% до приблизительно 0,5% по отношению к массе связующей композиции перед отверждением композиции.
[0026] Добавление сшивающего вещества дополнительно улучшает структурную целостность связующей композиции после того, как микросферы расширяются.
[0027] Связующая композиция может дополнительно содержать ускоритель. Ускорители представляют собой многозарядные катионы в составе водорастворимых солей, таких как общедоступный нитрат алюминия (Al(NO3)3), ацетат циркония, цирконилкарбонат аммония (поставляется под наименованием Bacote 20 от компании Zirconium Chemicals). Добавление водорастворимой соли многозарядного катиона сокращает время, требуемое для облучения в процессе расширение связующей композиции. В случае его добавления он можно использоваться в количестве от приблизительно 0,05 до приблизительно 1 и предпочтительно от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,3 мас.% по отношению к полной массе связующей композиции,.
[0028] Хотя в связующей композиции может начинаться коалесценция при комнатной температуре, связующая композиция может все же иметь высокое влагосодержание и сохраняться в текучем состоянии. В случае связующих композиций, содержащих расширяющиеся микросферы, энергия в некоторой форме может передаваться связующей композиции для расширения микросфер, прежде чем произойдет полное высушивание связующей композиции. Форма энергии, как правило, представляет собой тепло, которое передается путем теплопроводности, индукции или излучения. В случае связующих композиций, содержащих предварительно расширенные микросферы, введение энергии в какой-либо форме не является обязательным.
[0029] В случае расширяющихся и предварительно расширенных микросфер, которые содержатся в связующих композициях, могут использоваться нагреватели и вентиляторы, которые удаляют избыточную воду и способствуют высушиванию связующих композиций. Согласно особенно желательному варианту осуществления, в целях изготовления изделий связующая композиция может наноситься на поверхность (или поверхности) подложки и подвергаться достаточному термическому воздействию в целях коалесценции связующей композиции. В начале коалесценции связующей композиции, пока связующая композиция сохраняет практически текучее состояние, связующая композиция может способствовать удерживанию связующей композиции и микросфер на своем месте, но предоставляет микросферам свободу расширения. Согласно одному варианту осуществления, можно тогда осуществлять нагревание до температуры, достаточной для расширения микросфер. Оказывается предпочтительным, чтобы нагреватель обеспечивал температуру в интервале между Texp и Tmax микросфер. Наконец, можно также осуществлять нагревание до температуры, достаточной для полного удаления воды из связующей композиции. Нагревание можно осуществлять любым желательным способом, в том числе с использованием печи или нагретых валков. Следует отметить, что различные стадии (начало затвердевания, расширение микросфер и полное высушивание связующей композиции) можно осуществлять, используя энергию излучения, в том числе в качестве альтернативы или в качестве дополнения непосредственного нагревания. Таким образом, различные стадии можно осуществлять, например, используя микроволновое или радиочастотное излучение. Помимо теплопроводности, в данном процессе может использоваться способ индукционного нагревания. Кроме того, способ может включать любое сочетание применения нагревания и применения излучения. Например, начальная коалесценция связующей композиции может осуществляться за счет непосредственного нагревания, в то время как расширение микросфер может осуществляться за счет применения энергии излучения.
[0030] В композиции могут содержаться и другие добавки, которые усиливают коалесценцию связующей композиции, если это желательно.
[0031] Связующая композиция согласно настоящему изобретению является особенно подходящей для изоляционных упаковок, которые обычно предназначаются для использования при повышенных и/или пониженных температурах, и для которых требуется теплоизоляция.
[0032] Согласно еще одному варианту осуществления, предлагается способ получения изделия, имеющего улучшенную структурную целостность и изоляционные свойства, который включает следующие стадии: (a) изготовление первой подложки, имеющей первую сторону и вторую сторону; (b) изготовление второй подложки, имеющей первую сторону и вторую сторону; (c) изготовление связующей композиции, в которой сочетаются (i) полученный полимеризацией в эмульсии полимер, выбранный из группы, которую составляют дисперсия сополимера этилена и винилацетата, поливинилацетат, сополимер винилацетата и винилового спирта, стабилизированный декстрином поливинилацетат, поливинилацетатные сополимеры, сополимеры винилацетата и этилена, винилакриловый, стиролакриловый, акриловый, стиролбутиловый каучук, полиуретан и их смеси; (ii) множество расширяющихся микросфер, и необязательно (iii) пластификатор и (iv) вода, и образуется связующая композиция; (d) нанесение связующей композиции (i) на поверхность первой стороны первой подложки, (ii) на поверхность второй стороны второй подложки или (iii) на обе поверхности, включая поверхность первой стороны первой подложки и поверхность второй стороны второй подложки; (e) введение в контакт первой подложки и второй подложки друг с другом таким образом, что нанесенная связующая композиция помещается между двумя подложками, и образуется структура композитного материала; и (f) применение нагревания и/или излучения в целях расширения расширяющихся микросфер и образования соединения, скрепляющего первую и вторую подложки друг с другом. Получаемая в результате многослойная подложка со связующей композицией, в которой содержатся микросферы, имеет улучшенную структурную целостность и теплоизоляцию.
[0033] Связующие композиции можно изготавливать непосредственно перед их нанесением на подложку или изготавливать заблаговременно и сохранять до их применения.
[0034] Согласно еще одному варианту осуществления, предлагаются изоляционные упаковки и способ изготовления изоляционных упаковок. Эти упаковки представляют собой стаканы, пищевые контейнеры, футляры, картонные упаковки, пакеты, крышки, ящики, оболочки, обертки, ковши и т. п. Оказывается предпочтительным, чтобы подложки упаковок имели уменьшенную поверхностную плотность, толщину и концентрацию волокон по сравнению с традиционными подложками, используемыми для таких же упаковок.
[0035] Подложки представляют собой древесноволокнистые плиты, древесностружечные плиты, гофрированный картон, гофрированные материалы, твердый беленый картон (SBB), твердый беленый сульфитный картон (SBS), твердый небеленый картон (SLB), белый оклеенный макулатурный картон (WLC), крафт-бумага, крафт-картон, мелованная бумага, переплетный картон, а также подложки, имеющие пониженную поверхностную плотность.
[0036] Согласно одному варианту осуществления, предлагается изоляционный лист, включающий практически плоскую бумагу, имеющую первую сторону и вторую сторону. Первая сторона бумаги включает множество расширяющихся микросфер, закрепленных в объеме связующей композиции, причем многочисленные расширяющиеся микросферы расширяются, и связующая композиция высушивается. Таким образом, данное изделие включает бумагу, на первую сторону которой наносится пеноподобная композиция. Расширяющиеся микросферы включают микросферы, которые описаны выше, и связующая композиция включает компоненты, которые описаны выше, в том числе эмульсионный полимер, а также необязательный полярный растворитель, пластификатор, увлажняющие вещества, консерванты или наполнители.
[0037] Связующая композиция может быть нанесена на первую поверхность бумаги в любой желательной конфигурации, включая ряды точек, полос, волн, клетчатые рисунки, любые обычные многогранные формы, которые имеют практически плоские основания, и их сочетания. Нанесение согласно этим рисункам уменьшает количество связующей композиции в упаковках. Кроме того, связующая композиция может быть нанесена на первую поверхность в форме ряда цилиндров. Кроме того, если это желательно, связующая композиция может быть нанесена на первую поверхность в форме практически плоского листа связующей композиции, которая покрывает полностью первую поверхность (полное ламинирование) или покрывает часть первой поверхности. Связующая композиция может быть нанесена в условиях нагревания, если это желательно; однако важно, чтобы температура при таком нагревании достигала такого высокого уровня, при котором связующая композиция полностью отверждается перед расширением расширяющихся микросфер. Специалист в данной области техники может определить этот уровень без излишних экспериментов. Необязательно второй бумажный лист можно наносить на верхнюю поверхность связующей композиции, образуя многослойную конфигурацию, которую составляют первый бумажный лист, связующая композиция, содержащая расширенные микросферы, и второй бумажный лист.
[0038] После того, как связующая композиция наносится на первую сторону бумаги, или, в качестве альтернативы, бумагу покрывает влажная связующая композиция, может применяться энергия нагревания и/или излучения в целях коалесценции связующей композиции. Таким образом, в связующей композиции фиксируются на своем месте ее компоненты, в том числе многочисленные микросферы, которые прикрепляются к поверхности бумаги. Может оказаться желательным лишь частичное высушивание связующей композиции до такого уровня, при котором компоненты композиции фиксируются на месте и прикрепляются к поверхности бумаги, но при этом композиция не становится полностью сухой. Специалист в данной области техники может определять это состояние без излишних экспериментов. Как разъясняется выше, только частичное высушивание связующей композиции (при котором в связующей композиции остается более высокое количество влаги, такое как влагосодержание, составляющее, по меньшей мере, 10%) позволяет расширяющимся микросферам расширяться.
[0039] После того, как начинается коалесценция связующей композиции, на бумагу воздействует достаточная энергия нагревания и/или излучения для расширения множества микросфер. Согласно одному варианту осуществления, бумага, на которую нанесена влажная связующая композиция, подвергается нагреванию до температуры, достаточной для расширения, по меньшей мере, большинства микросфер, в интервале от Texp до Tmax. Согласно еще одному варианту осуществления, на бумагу, на которую нанесена влажная связующая композиция, воздействует достаточная энергия микроволнового или инфракрасного излучения для расширения, по меньшей мере, большинства расширяющихся микросфер. Получаемое в результате изделие представляет собой бумагу, на которую нанесена связующая композиция, содержащая расширенные микросферы. На связующую композицию затем может воздействовать достаточная энергия нагревания и/или излучения для полного затвердевания связующей композиции.
[0040] Если это желательно, после нанесения связующей композиции на первую сторону бумаги, может быть изготовлен второй лист бумаги, имеющий первую сторону и вторую сторону, и первая сторона второго листа бумаги накладывается на поверхность нанесенной связующей композиции, образуя многослойную конфигурацию. После этого расширение микросфер и затвердевание связующей композиции может происходить, как разъясняется выше.
[0041] Согласно настоящему изобретению, многослойная конфигурация упаковки, которая включает подложки и связующие композиции, содержащие микросферы, улучшают способность упаковки выдерживать деформацию при постоянном напряжении при повышенных и/или пониженных температурах. Как предполагают специалисты в данной области техники, деформация связующей композиции увеличивается в случае добавления микросфер при повышенной температуре. Связующая композиция согласно настоящему изобретению является особенно подходящей для потребительских упаковок, которые обычно предназначаются для использования при повышенных температурах. Связующая композиция согласно настоящему изобретению обеспечивает структурную опору, находясь между картонными листами упаковки, что сохраняет структурную целостность упаковки, и в результате этого улучшаются изоляционные свойства упаковки.
[0042] Согласно одному варианту осуществления, предлагается многослойная подложка, которая содержит два слоя и связующую композицию, причем отсутствуют какие-либо дополнительные слои, например, разделитель. До настоящего времени оказывалось затруднительным изготовление изделия, в котором обеспечивается необходимая теплоизоляция и структурная целостность, без включения разделительного слоя. Связующая композиция может наноситься таким образом, чтобы полностью покрывать две подложки или образовывать выбранный или случайный рисунок. В изоляционном изделии, содержащем нанесенную в форме рисунка связующую композицию, остаются просветы между двумя подложками.
[0043] Согласно следующему варианту осуществления, изоляционное изделие включает практически плоскую подложку и неплоскую закругленную подложку. Связующая композиция наносится на практически плоскую подложку, или на неплоскую подложку, или на обе подложки, и получается изоляционное изделие. Связующая композиция может наноситься таким образом, чтобы полностью покрывать поверхность подложки (подложек) или избирательно покрывать части поверхности подложки (подложек). Рисунок может быть случайным или одним из разнообразных упорядоченных рисунков. Таким образом, получаемое в результате изделие имеет изолированное пространство между поверхностями подложек. Изделия, в которых связующие композиции нанесены согласно рисунку, имитируют разделитель, помещенный между двумя подложками. Пространство между двумя подложками создает и сохраняет связующая композиция.
[0044] Еще одна примерная потребительская упаковка представляет собой упаковку в форме гофрированного ящика, материал которого составляют имеющие пониженную поверхностную плотность подложки и имеющий пониженную поверхностную плотность разделитель. Подложки и разделитель изготовлены из бумаги, которая имеет пониженную поверхностную плотность по сравнению с традиционным изоляционным гофрированным картоном.
[0045] Настоящее изобретение становится более понятным в результате анализа следующих примеров, которые не являются ограничительными, но предназначаются лишь для лучшего разъяснения настоящего изобретения.
Примеры
Пример 1 - Модуль упругости, абсолютное значение тангенса угла наклона графика log(E)/T и тангенс дельта эмульсионных полимеров на водной основе
[0046] Все указанные измерения осуществлялись в соответствии со стандартом ASTM D5026.
| Температура (°C) | Эмульсионный полимер на водной основе 1 | Эмульсионный полимер на водной основе 2 | Эмульсионный полимер на водной основе 3 | Сравнительный эмульсионный полимер на водной основе | ||||
| E' (МПа) | tan d | E' (МПа) | tan d | E' (МПа) | tan d | E' (МПа) | tan d | |
| 70 | 6,98 | 0,6255 | 29,63 | 0,5135 | 480,83 | 0,1470 | 0,74 | 0,5821 |
| 75 | 5,04 | 5,04 | 21,08 | 0,4559 | 438,34 | 0,1221 | 0,62 | 0,5930 |
| 80 | 3,22 | 0,5651 | 13,73 | 0,4541 | 393,43 | 0,1086 | 0,51 | 0,5988 |
| 85 | 2,06 | 0,5379 | 8,54 | 0,4891 | 364,10 | 0,1109 | 0,45 | 0,6050 |
| 90 | 1,46 | 0,4909 | 4,97 | 0,5407 | 334,71 | 0,1192 | 0,38 | 0,6140 |
| 95 | 1,13 | 0,4439 | 2,83 | 0,5785 | 305,21 | 0,1313 | 0,32 | 0,6319 |
| 100 | 0,92 | 0,4063 | 1,68 | 0,5784 | 256,50 | 0,1936 | 0,25 | 0,6599 |
| 105 | 0,77 | 0,3797 | 1,09 | 0,5514 | 0,18 | 0,6947 | ||
| 110 | 0,64 | 0,3593 | 0,75 | 0,5200 | 0,11 | 0,7232 | ||
| абсолютное значение тангенса угла наклона графика log(E)/T при температуре от 70 до 100°C |
0,0270 | 0,0429 | 0,0080 | 0,0177 |
Пример 2 - Изготовление связующей композиции
[0047] Изготавливали связующие композиции, имеющие следующие составы.
| Таблица 1 | ||||
| Компонент | Описание | Образец A (мас.%) | Образец B (мас.%) | Сравнительный образец (мас.%) |
| Эмульсионный полимер на водной основе 1 | (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C |
90,7 | 88,00 | |
| Сравнительный эмульсионный полимер на водной основе | (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 85°C и менее чем 0,5 МПа в температурном интервале от 85°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T 0,0177 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта 0,6140 |
90,7 | ||
| Расширяющиеся микросферы | DUALITE® U020-125W | 4,0 | 3,50 | 4,0 |
| Пластификатор | Глицерин | 3,0 | 2,00 | 3,0 |
| Добавка | поверхностно-активное вещество, пеногаситель, консервант | 0,3 | 0,25 | 0,3 |
| Добавка | ускоритель - нитрат алюминия | 0 | 0,75 | 0 |
| Вода | 2,0 | 5,50 | 2,0 |
[0048] Перечисленные выше компоненты смешивали в резервуаре, а затем образец A помещали между двумя бумажными подложками в форме тонких капельных полосок, имеющих линейную плотность 0,1 г/фут (0,328 г/м), образуя композитный стакан. Капельные полоски расширялись при нагревании под действием микроволнового излучения. Сравнительный композитный материал изготавливали таким же способом, сохраняя такое же подвижное разделение, но без каких-либо полос связующей композиции в качестве опоры.
Пример 2 - Изоляционные свойства
[0049] Испытывали изоляционные свойства композитного стакана, содержащего образец A связующей композиции. На открытое кольцо две термопары Digi-Sense типа J помещали на противоположных сторонах, и стакан устанавливали в кольцо таким образом, что только две термопары находились на поверхности стакана. Два кусочка сжимающегося пеноматериала также помещали на другую сторону термопары, чтобы имитировать давление на точку контакта. Воду при температуре 190,25°F (87,92°C) наливали в композитный стакан и записывали температурные показания термопар. Средние значения показаний термопар с пятисекундными интервалами представлены в таблице 2, а весь график зависимости температуры от времени представлен на фиг. 1.
| Таблица 2 | ||
| Время (секунд) | Сравнительный композитный материал (°F), тонкая линия | Композитный материал (°F), толстая линия |
| 5 | 91,85 | 79,95 |
| 10 | 107,45 | 91,85 |
| 15 | 124,35 | 100,55 |
| 20 | 132,05 | 108,10 |
| 25 | 136,40 | 119,15 |
| 30 | 142,90 | 124,20 |
| 35 | 146,25 | 127,70 |
| 40 | 149,35 | 132,80 |
| 45 | 150,60 | 135,50 |
| 50 | 151,95 | 137,10 |
| 55 | 153,35 | 139,15 |
| 60 | 153,60 | 139,70 |
| 65 | 154,50 | 140,40 |
| 70 | 154,90 | 141,25 |
| 75 | 155,10 | 141,35 |
| 80 | 155,40 | 141,65 |
[0050] Как представлено в таблице 2 и на фиг. 1, композитный стакан имел менее высокую температуру, чем температура сравнительного композитного материала, что показывает лучшие теплоизоляционные свойства композитного стакана. Приблизительно через 50 секунд и позже измеряемая температура композитного материала стабилизировалась на уровне, составляющем на 14-15°F (7,8-8,3°C) ниже, чем температура сравнительного композитного материала.
Пример 3 - Структурная целостность
[0051] Расширенная связующая композиция обеспечивала структурную целостность композитного материала в процессе испытания при нагревании под давлением. Три шарика образца A, имеющие диаметр 2,4 мм), наносили между двумя подложками, а затем подвергали расширению при нагревании под действием микроволнового излучения. В соответствии с методом стандарта ASTM D5024, композитный материал затем подвергали сжатию при температуре 191°F (88,3°C) и давлении 2 фунта на квадратный дюйм (13,79 кПа) в течение двух минут. Результаты процентного сжатия представлены в таблице 3 и на фиг. 2.
| Таблица 3 | |
| Время (минут) | Сжатие (%) |
| 0,00 | 0,10 |
| 0,10 | 23,50 |
| 0,20 | 23,80 |
| 0,29 | 24,00 |
| 0,42 | 24,10 |
| 0,50 | 24,20 |
| 0,61 | 24,30 |
| 0,73 | 24,40 |
| 0,87 | 24,60 |
| 1,05 | 24,70 |
| 1,26 | 24,80 |
| 1,51 | 25,00 |
| 1,81 | 25,10 |
| 2,00 | 25,20 |
[0052] Композитный материал, содержащий связующую композицию, способен сохранять более чем 70% и даже более чем 75% своей исходной высоты (разделения) в процессе испытания при нагревании под давлением. Кроме того, связующая композиция может придавать эту структурную целостность композитному материалу в течение всего двух минут.
Пример 4 - Испытание ползучести при нагревании
[0053] Испытание ползучести при нагревании проводили, используя композитный материал, содержащий образец A связующей композиции и две подложки. На лист твердого беленого сульфитного картона помещали пять полудюймовых (12,7 мм) капель образца A и затем накладывали второй лист твердого беленого сульфитного картона. Этот композитный материал затем помещали на горячую плиту прибора TA Instruments DMA Q-800, нагретую до 191°F (88,3°C), и затем испытывали в соответствии со стандартом ASTM D 5024 (0,25 кв. дюйма или 161,29 мм2). При достижении силы 300 г (нулевой момент времени) измеряли процентное растяжение. Такое испытание ползучести при нагревании проводили, используя композитный материал, содержащий сравнительную связующую композицию и такие же подложки, и измеряли значения процентного растяжения, представленные в таблице 4.
| Таблица 4 | ||
| Время (сек) | Растяжение образца A (%) | Растяжение сравнительного образца (%) |
| 0 | 0,1 | 0,0 |
| 5 | 23,5 | 24,5 |
| 10 | 23,8 | 25,0 |
| 14 | 23,9 | 25,3 |
| 21 | 24,1 | 25,6 |
| 25 | 24,1 | 25,7 |
| 30 | 24,2 | 25,9 |
| 36 | 24,3 | 26,1 |
| 44 | 24,4 | 26,3 |
| 52 | 24,6 | 26,5 |
| 63 | 24,7 | 26,8 |
| 75 | 24,8 | 27,0 |
| 91 | 25,0 | 27,3 |
| 109 | 25,1 | 27,6 |
| 120 | 25,2 | 27,7 |
[0054] Как представлено в таблице 4, композитный материал, содержащий связующую композицию A, показывал меньшее процентное растяжение в процессе испытание ползучести при нагревании, чем композитный материал, содержащий сравнительную связующую композицию. Связующая композиция A сохраняли меньшее суммарное процентное растяжение, а также проявляла способность сохранять 75% высоты своей исходной структуры даже через 120 секунд.
Пример 5 - Эффект ускорителя
[0055] Образцы связующих композиций A (без ускорителя) и B (с ускорителем) подвергали расширению под действием микроволнового излучения. Для расширения под действием микроволнового излучения влажные капли образцов помещали на подложку и затем подвергали расширению в микроволновой печи в течение одинакового периода времени. Коэффициенты расширения, которые показывали сухие/влажные и сухие/сухие образцы, представлены в таблице 5.
| Таблица 5 | |||
| Масса влажной капли (мг) | Коэффициент расширения (сухой/влажный) | Коэффициент расширения (сухой/сухой) | |
| Образец A | 4,1 | 6,5 | 11,6 |
| Образец B | 4,1 | 9,8 | 17,5 |
| Образец A | 3,4 | 7,7 | 13,8 |
| Образец B | 3,4 | 9,4 | 16,8 |
[0056] Как представлено в таблице 5, образец B (содержащий ускоритель) имел большие объемные коэффициенты расширения, чем образец A, в том числе сухой/влажный и сухой/сухой. Согласно наблюдениям, в микроволновой печи образец B расширялся раньше, чем образец A. Кроме того, наблюдали, что образец B требовал меньше времени, чем образец A, для достижения такого же объемного расширения в микроволновой печи.
1. Связующая композиция на водорастворимой основе, включающая:
(a) полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации;
(b) множество расширяющихся микросфер; и
(c) необязательно добавку;
в которой полимер на водной основе имеет (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C.
2. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, в которой полимер на водной основе имеет (i) модуль упругости 5 МПа при температуре от 85°C до 100°C.
3. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, в которой полимер на водной основе выбирается из группы, включающей полимер, полученный полимеризацией в эмульсии, выбранный из группы, включающей дисперсию сополимера этилена и винилацетата, поливинилацетат, сополимер винилацетата и винилового спирта, стабилизированный декстрином поливинилацетат, поливинилацетатные сополимеры, сополимеры винилацетата и этилена, винилакриловый, стиролакриловый, акриловый, стиролбутиловый каучук, полиуретан и их смеси.
4. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, в которой расширяющиеся микросферы имеют углеводородную сердцевину и полиакрилонитрильную оболочку.
5. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, в которой расширяющиеся микросферы начинают расширяться при температуре от приблизительно 80°C до приблизительно 100°C.
6. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, в которой расширяющиеся микросферы имеют максимальную температуру расширения от приблизительно 120°C до приблизительно 130°C.
7. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, в которой добавка выбирается из группы, включающей придающие клейкость вещества, пластификаторы, сшивающие вещества и их смеси.
8. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 7, в которой сшивающее вещество выбирается из группы, включающей нитрат алюминия, ацетат циркония, цирконилкарбонат аммония и их смеси.
9. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, дополнительно включающая сшивающее вещество, пеногаситель, консервант, поверхностно-активное вещество, реологический модификатор, наполнитель, пигмент, краситель, стабилизатор, поливиниловый спирт, увлажняющее вещество и их смеси.
10. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 1, где данная связующая композиция дополнительно включает ускоритель, который представляет собой водорастворимую соль многозарядного катиона.
11. Связующая композиция на водорастворимой основе по п. 10, в котором водорастворимая соль многозарядного катиона выбирается из группы, включающей нитрат алюминия, ацетат циркония, цирконилкарбонат аммония и их смеси.
12. Способ получения изделия, включающий следующие стадии:
(a) получение композиции, включающей:
(1) полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации, который имеет (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C; и
(2) множество расширяющихся микросфер; _____________________________________________________________________________________
(b) нанесение композиции на подложку, которая представляет собой бумагу, картон или древесину;
(c) высушивание композиции до практически полного удаления воды; и
(d) расширение композиции.
13. Способ по п. 12, в котором композиция наносится на трафарет.
14. Способ по п. 13, в котором трафарет представляет собой ряд точек, полос, волн, клеток или многогранную форму, которая имеет практически плоское основание.
15. Способ по п. 12, в котором стадии (c) и (d) объединяются и осуществляются одновременно.
16. Изделие, включающее целлюлозную подложку и композицию, включающую:
(a) полимер на водной основе, изготовленный посредством эмульсионной полимеризации, который имеет (i) модуль упругости более чем 0,5 МПа в температурном интервале от 70°C до 110°C; (ii) абсолютное значение тангенса угла наклона кривой log(E)/T менее чем 0,05 в температурном интервале от 70°C до 110°C; и (iii) значение тангенса дельта менее чем 0,6 при 90°C; и
(b) множество расширяющихся микросфер.
17. Изделие по п. 16, в котором полимер на водной основе выбирается из группы, включающей полимер, полученный полимеризацией в эмульсии, выбранный из группы, включающей дисперсию сополимера этилена и винилацетата, поливинилацетат, сополимер винилацетата и винилового спирта, стабилизированный декстрином поливинилацетат, поливинилацетатные сополимеры, сополимеры винилацетата и этилена, винилакриловый, стиролакриловый, акриловый, стиролбутиловый каучук, полиуретан и их смеси.
18. Изделие по п. 17, в котором целлюлозная подложка представляет собой древесноволокнистую плиту, гофрированный картон, твердый беленый картон, крафт-бумагу или мелованную бумагу.
19. Изделие по п. 16, которое представляет собой многослойную подложку.
20. Многослойная подложка по п. 19, которая представляет собой стакан, пищевой контейнер, футляр, картонную упаковку, пакет, ящик, крышку, оболочку, обертку или ковш.
