Диэлектрическое нагревание вспениваемых композиций

Настоящее изобретение относится к способу вспенивания композиции, включающему: (а) получение композиции, содержащей (i) полимер на водной основе, выбранный из группы, состоящей из крахмала, винилацетат–этиленовой дисперсии, поливинилацетата, поливинилацетат–поливинилового спирта, поливинилацетата, стабилизированного декстрином, поливинилацетатных сополимеров, винилацетат–этиленовых сополимеров и их смесей, (ii) от 0,1 мас.% до 70 мас.% множества расширяемых микросфер, характеризующихся диапазоном температуры начального расширения от 80°С до 110°С и диапазоном температуры максимального расщирения от 50°С до 150°С; и (iii) добавку, выбранную из группы, состоящей из пластификаторов, добавок, придающих клейкость, увлажнителей, ускорителей, наполнителей, пигментов, красителей, стабилизаторов, реологических модификаторов, поливиниловых спиртов, консервантов и их смесей; (b) нанесение такой композиции на целлюлозную подложку и (с) воздействие на композицию диэлектрического нагревания на протяжении менее чем 1 минуты от стадии (b); в результате чего расширяется множество расширяемых микросфер в композиции. В частности, высокочастотное (ВЧ) нагревание используют для нагревания вспениваемой композиции в целях получения изоляции при изготовлении изделий. Изобретение обеспечивает получение экологически и экономически сбалансированной упаковки, которая обеспечивает наличие однородной теплоизоляции для различных размеров упаковок. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 табл., 12 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к диэлектрическому нагреванию вспениваемой композиции. В частности, высокочастотное (ВЧ) нагревание используют для нагревания вспениваемой композиции в целях получения изоляции при изготовлении изделия.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Производится поиск более экологически сбалансированных одноразовых упаковок и контейнеров для продуктов питания, чем традиционные упаковки из экструдированного пенополистирола с замкнутыми ячейками. Упаковки, изготовленные полностью из пластика, обычно не подвергаются биоразложению на протяжении менее, чем 400 лет, если вообще подвергаются ему, и некоторые предписания запретили использование таких упаковок и контейнеров.

[0003] Требуются альтернативные упаковки, которые являются пригодными для вторичного использования, биоразложения и/или компостирования. Одна такая упаковка включает подложки на целлюлозной основе, имевшие своим источником возобновляемые материалы, которые могут быть пригодными для вторичного использования и/или компостирования. Упаковку изготавливают в результате соединения двух целлюлозных подложек при наличии воздушного зазора в промежутке между двумя подложками. Некоторые недостатки данных альтернативных упаковок включают низкую степень изоляции и неудовлетворительную структурную целостность в сопоставлении с пластиковыми упаковками. По ходу обращения с упаковкой и ее изгибания воздушный зазор между двумя подложками становится сжатым, и в данных сжатых областях изоляция уменьшается. Изоляция может быть улучшена в результате увеличения воздушного зазора между слоями целлюлозных подложек, увеличения толщины целлюлозных подложек или вставления целлюлозной среды в промежуток между двумя слоями.

[0004] Некоторые из вышеупомянутых улучшенных упаковок описываются в публикациях US 9,580,629, US 8,747,603, US 9,273,230, US 9,657,200, US 20140087109, US 20170130399, US 20170130058 и US 20160263876. Упаковки образуют при наличии воздушного зазора в покрытии/клее, заключенном в сэндвичевую конструкцию между двумя подложками, что обеспечивает наличие изоляции. Конвекционное нагревание требует продолжительного времени и большого пространства для выпаривания воды и отверждения/коалесцирования полимера. Помимо этого, по мере варьирования размера упаковок изоляционный зазор не всегда является однородным. Несмотря на обеспечение сверхвысокочастотным нагреванием строгого контролирования уровня содержания влаги и наличия однородных воздушных зазоров на глубину проникновения накладывается ограничение значением, составляющим только приблизительно 1,5 дюйма (38,1 мм). Таким образом, любая положка, которая имеет толщину, составляющую более, чем приблизительно 1,5 дюйма (38,1 мм), может в результате привести к получению неоднородных упаковок.

[0005] На современном уровне техники существует потребность в способах получения однородной изоляции для всех размеров упаковок. В настоящем изобретении предлагаются способы производства экологически и экономически сбалансированной упаковки, которая обеспечивает наличие однородной теплоизоляции для различных размеров упаковок.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Настоящее изобретение относится к способам вспенивания и коалесцирования наполненной микросферами композиции на водной основе.

[0007] Один вариант осуществления направлен на способ вспенивания и коалесцирования композиции, включающий:

(а) получение композиции, содержащей (i) полимер на водной основе, (ii) множество расширяемых микросфер, характеризующихся диапазоном температуры начального расширения от приблизительно 80°C до приблизительно 110°C и диапазоном температуры максимального расширения от приблизительно 50°C до приблизительно 150°C; и (iii) необязательно добавку; и

(b) воздействие на композицию диэлектрического нагревания;

в результате чего множество расширяемых микросфер в композиции расширяется, а композиция коалесцирует.

[0008] Еще один вариант осуществления направлен на способ образования изделия, включающий стадии:

(а) получения композиции, содержащей (i) полимер на водной основе, (ii) множество расширяемых микросфер, характеризующихся диапазоном температуры начального расширения от приблизительно 80°C до приблизительно 110°C и диапазоном температуры максимального расширения от приблизительно 50°C до приблизительно 150°C; и (iii) необязательно добавку;

(b) нанесения композиции на первую подложку;

(с) наложения второй подложки на композицию при образовании, тем самым, изделия, где композицию заключают в сэндвичевую конструкцию между двумя подложками;

(d) подвода диэлектрического нагревания к изделию;

в результате чего множество расширяемых микросфер в композиции расширяется, а композиция коалесцирует.

[0009] Диэлектрическое нагревание обеспечивает однородное нагревание по всему объему композиции и образует по существу однородную толщину воздушного зазора по всему объему композиции и изделия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

[0010] Фигура 1А демонстрирует фотографию наполненной микросферами композиции, активированной в результате диэлектрического ВЧ-нагревания непосредственно после расширения микросфер.

[0011] Фигура 1В демонстрирует фотографию наполненной микросферами композиции, активированной в результате диэлектрического ВЧ-нагревания после полного высушивания композиции.

[0012] Фигура 2А демонстрирует фотографию наполненной микросферами композиции, активированной в результате конвекционного нагревания непосредственно после расширения микросфер.

[0013] Фигура 2В демонстрирует фотографию наполненной микросферами композиции, активированной в результате конвекционного нагревания после полного высушивания композиции.

[0014] Фигура 3А демонстрирует фотографию наполненной микросферами композиции, активированной в результате сверхвысокочастотного нагревания непосредственно после расширения микросфер.

[0015] Фигура 3В демонстрирует фотографию наполненной микросферами композиции, активированной в результате сверхвысокочастотного нагревания после полного высушивания композиции.

[0016] Фигура 4А демонстрирует фотографию упаковки, активированной при использовании ВЧ-излучения после высушивания на протяжении менее, чем 1 минуты при температуре окружающей среды.

[0017] Фигура 4В демонстрирует фотографию клея на подложке, активированного при использовании ВЧ-излучения после высушивания на протяжении менее, чем 1 минуты при температуре окружающей среды.

[0018] Фигура 5А демонстрирует фотографию упаковки, активированной при использовании ВЧ-излучения после высушивания на протяжении 2 минут при температуре окружающей среды.

[0019] Фигура 5В демонстрирует фотографию клея на подложке, активированного при использовании ВЧ-излучения после высушивания на протяжении 2 минут при температуре окружающей среды.

[0020] Фигура 6А демонстрирует фотографию упаковки, активированной при использовании ВЧ-излучения после высушивания на протяжении 5 минут при температуре окружающей среды.

[0021] Фигура 6В демонстрирует фотографию клея на подложке, активированного при использовании ВЧ-излучения после высушивания на протяжении 5 минут при температуре окружающей среды.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Настоящее изобретение предлагает способ вспенивания множества микросфер и коалесцирования и запирания во вспененных микросферах композиции на водной основе. Композиция на водной основе содержит полимер и множество микросфер и наносится на целлюлозную подложку (подложки) для образования упаковки. Сразу после расширения и запирания «по месту» воздушный зазор во вспененных микросферах придает упаковке изоляцию и структурную целостность. Данная упаковка является более экологически сбалансированной, чем традиционные упаковки из экструдированного пенополистирола.

[0023] Конвекционное нагревание требует наличия печей, имеющих длинные ленточные транспортеры, для которых необходимы большое свободное пространство и массивная теплоотдача. В конвекционных нагревателях обычно используют диапазоны температур от приблизительно 212°F (100°C) до приблизительно 450°F (177°C).

[0024] Еще одним способом является сверхвысокочастотное нагревание. Сверхвысокочастотное нагревание обеспечивает однородность при высушивании и контролирование влаги и может контролировать количество влаги на уровне, составляющем приблизительно 1%. Однако, энергия сверхвысокочастотного излучения рассеивается и не может проникать на глубину, составляющую более, чем приблизительно 1,5 дюйма (4 см). Помимо этого, сверхвысокочастотное излучение представляет собой известный источник радиационного поражения, и воздействие такого вредного излучения должно быть сведено к минимуму для работников. В целях сведения к минимуму рисков для здоровья промышленные сверхвысокочастотные машины обычно имеют маленькие отверстия, и, таким образом, проблематичной является подгонка больших и несимметричных контейнеров к маленькому проему.

[0025] Диэлектрическое нагревание, электронное нагревание, высокочастотное (ВЧ) нагревание и радиочастотное нагревание, где все данные термины взаимозаменяемым образом используются в настоящем документе, представляют собой способ, при котором высокочастотное переменное электрическое поле или радиоволны нагревают диэлектрический материал. ВЧ-нагревание можно отличить от сверхвысокочастотного нагревания. Промышленные высокие частоты действуют в диапазоне приблизительно от 2 МГц до 300 МГц при типичных длинах волн в диапазоне от приблизительно 141 до приблизительно 24 футов (от 43 до 7,3 метра). В промышленных сверхвысокочастотных системах используют частоты, составляющие более, чем 300 МГц, при типичных длинах волн в диапазоне от приблизительно 13 до приблизительно 5 дюймов (от 33 до 12 см). Эффективность использования мощности является намного меньшим в ВЧ-генераторе, чем в сверхвысокочастотной установке, и, таким образом, сверхвысокочастотная установка зачастую представляет собой предпочтительный источник нагревания.

[0026] Настоящее изобретение обеспечивает проведение диэлектрического нагревания, в частности, ВЧ-нагревания, вспениваемой композиции на водной основе. ВЧ-излучение создает переменное электрическое поле между полярными молекулами воды, в данном изобретении, в диэлектрическом материале. Изделие транспортируют между электродами, вызывая непрерывную переориентацию молекул воды в композиции при обращении их к находящимся напротив друг друга электродам. Трение от данного молекулярного перемещения вызывает быстрое нагревание. ВЧ-излучение функционирует при намного меньшей частоте, чем при сверхвысокочастотном нагревании и связано с меньшими рисками для здоровья, чем сверхвысокочастотное излучение. ВЧ-излучение также является подходящим для использования при нагревании более объемистых и несимметричных контейнеров вследствие своей повышенной глубины проникновения.

[0027] В дополнение к этому, способ изобретения может включать объединение применений диэлектрического нагревания и прямого нагревания. Например, достижения расширения микросфер можно добиться в результате диэлектрического нагревания, в то время как достижение удаления избыточной влаги после расширения может быть достигнуто в результате прямого нагревания.

[0028] ВЧ-нагревание композиции, содержащей полимер на водной основе и множество расширяемых микросфер, обеспечивает однородные нагревание и высушивание в отношении воды и расширяемых микросфер.

[0029] Настоящее изобретение также имеет в своей основе открытие того, что ВЧ-нагревание композиции, содержащей полимер на водной основе и множество расширяемых микросфер и нанесенной на изделие, обеспечивает получение улучшенной и однородной теплоизоляции изделия.

[0030] Один вариант осуществления направлен на способ вспенивания и коалесцирования композиции, включающий:

(а) получение композиции, содержащей (i) полимер на водной основе, (ii) множество расширяемых микросфер, характеризующихся диапазоном температуры начального расширения от приблизительно 80°C до приблизительно 110°C и диапазоном температуры максимального расширения от приблизительно 50°C до приблизительно 150°C; и (iii) необязательно добавку; и

(b) воздействие на композицию диэлектрического нагревания;

в результате чего множество расширяемых микросфер в композиции расширяется, а композиция коалесцирует.

[0031] ВЧ-нагревание одновременно отгоняет воду из композиции для коалесцирования полимера на водной основе и обеспечивает расширение микросфер по мере достижения температурой состояния активирования микросфер. Нагревание при ВЧ-частотах в диапазоне приблизительно от 14,27 до 41 МГц является в особенности предпочтительным. Для оптимального нагревания ВЧ-устройства могут быть разработаны совместно с оперативными усилителями.

[0032] Композиции, описанные в настоящем документе, могут оказаться подходящими для использования в многослойных подложках, в частности, для целлюлозных подложек. При использовании композиции может быть получено большее изоляционное пространство между двумя подложками, которые скрепляются в точке адгезии. Изолирующие продукты, подходящие для использования в настоящем документе, включают бумажные продукты для потребительского использования, такие как стаканчики и крышки для горячих напитков, стаканчики и крышки для холодных напитков, контейнеры и крышки для горячих продуктов питания, контейнеры и крышки для холодных продуктов питания, картонные коробки и ящики для морозильного аппарата, чехлы, мешки и тому подобное.

[0033] Композиция может быть образована в виде клея или в виде покрытия, где данные термины в настоящем документе используются взаимозаменяемым образом. Композицию получают в результате образования смеси из полимера на водной основе, множества расширяемых микросфер и необязательно добавки.

[0034] Полимер на водной основе получают в результате эмульсионной полимеризации, и он может представлять собой одну марку или смесь для синтетического эмульсионного полимера или полимеров природного происхождения. Полимер на водной основе, полученный в результате эмульсионной полимеризации, может включать любые желательные полимерные компоненты, в том числе крахмал, винилацетат-этиленовую дисперсию, поливинилацетат, поливинилацетат-поливиниловый спирт, поливинилацетат, стабилизированный декстрином, поливинилацетатные сополимеры, винилацетат-этиленовые сополимеры, винил-акриловый материал, стирол-акриловый материал, акриловый материал, стирол-бутилкаучук, полиуретан, крахмал и их смеси. В особенности предпочтительные эмульсионные полимерные компоненты представляют собой винилацетат-этиленовую дисперсию, поливинилацетат и крахмал. Предпочтительно эмульсионный полимер стабилизируют при использовании гидрофильных защитных коллоидов.

[0035] Полимер на водной основе может присутствовать в композиции в любом количестве и желательно присутствует в количестве в диапазоне от приблизительно 60% до приблизительно 99,5% (масс.), предпочтительно от приблизительно 65% до приблизительно 95% (масс.), при расчете на массу композиции до схватывания композиции. В зависимости от эмульсионного полимера уровни содержания твердого вещества варьируются в диапазоне от приблизительно 40% (масс.) до приблизительно 65% (масс.) при расчете на эмульсионный полимер.

[0036] Расширяемые микросферы, подходящие для использования в настоящем изобретении, могут расширяться в размере при наличии воздействия тепла и/или ВЧ-излучения. Микросферы, подходящие для использования в настоящем изобретении, включают, например, расширяемые при нагревании полимерные микросферы, в том числе соответствующие микросферы, включающие углеводородное ядро и полиакрилонитрильную оболочку, (такие как соответствующие микросферы, продаваемые под торговым наименованием DUALITE®) и другие подобные микросферы (такие как соответствующие микросферы, продаваемые под торговым наименованием EXPANCEL®). Расширяемые микросферы в нерасширенном состоянии могут иметь любой размер, в том числе в диапазоне от приблизительно 5 микронов до приблизительно 30 микронов в диаметре. При наличии воздействия тепла или излучения расширяемые микросферы настоящего изобретения могут увеличиваться в диаметре в диапазоне от приблизительно 3 раз до приблизительно 10 раз от первоначального размера. После расширения микросфер в композиции композиция становится пеноподобным материалом, который обладает улучшенными изоляционными свойствами. Микросферы обычно изготавливают из пластиковых или полимерных оболочек, а порообразователь находится внутри оболочки, будучи разработанным для активирования после достижения конкретных температур.

[0037] Расширяемые микросферы характеризуются конкретной температурой, при которой они начинают расширяться, и второй температурой, при которой они достигли максимального расширения. Обычно продают марки микросфер, характеризующиеся температурами конкретного расширения (Техр) и температурами максимального расширения (Tmax). Температура начального расширения (Техр) является типичной температурой, при которой микросферы начинают расширяться, (Техр), а температура максимального расширения (Tmax) является температурой, при которой расширились приблизительно 80% микросфер. В случае воздействия на микросферы температуры, значительно большей, чем Tmax, микросферы начнут взрываться и сдуваться.

[0038] Одна в особенности хорошо подходящая для использования микросфера характеризуется значением Техр в диапазоне от приблизительно 80°C до приблизительно 105°C. Температура, при которой микросферы достигли максимального расширения (Tmax), в желательном случае находится в диапазоне от приблизительно 90°C до приблизительно 140°C.

[0039] Выбор конкретных микросфер и их соответствующие значения Техр и Tmax представляет собой критический момент в изобретении. Несмотря на возможность использования в настоящем изобретении любой конкретной марки микросфер при составлении рецептуры и активировании в ВЧ-условиях должны быть приняты во внимание значения Техр и Tmax для микросфер. ВЧ-излучение выпаривает воду из композиции, но на температуру композиции накладывают ограничение значением, составляющим приблизительно менее, чем приблизительно 100°C. В случае присутствия в композиции добавок и/или солей во время ВЧ-нагревания может возникать сверхкритическое нагревание, что сдвигает температуру вплоть до более, чем 100°C. Однако, предпочтительные значения Техр и Tmax для расширяемых микросфер составляют, соответственно, менее, чем приблизительно 100°C и менее, чем приблизительно 140°C. Микросферы, характеризующиеся более высокими температурами, не будут активироваться во время ВЧ-нагревания. Сразу после коалесцирования композиции микросферы по существу запираются «по месту», что делает их расширение затруднительным, если не невозможным. Как это ни удивительно, но ВЧ-нагревание делает возможным более надежное расширение микросфер. Использование ВЧ-активирования делает возможными самоограничение расширения микросфер и меньшие взрывание и сдувание в сопоставлении с обычным конвекционным нагреванием.

[0040] В предпочтительных вариантах осуществления желательным является присутствие расширяемых микросфер в композиции в количестве в диапазоне от приблизительно 0,1% до приблизительно 70% при расчете на массу композиции до схватывания композиции, а в более желательном случае от приблизительно 0,5% до приблизительно 60% при расчете на массу композиции до схватывания композиции, а в наиболее желательном случае от приблизительно 1% до приблизительно 50% при расчете на массу композиции до схватывания композиции. Степень расширения расширяемых микросфер и уровень введения микросфер будут соотноситься друг с другом.

[0041] В зависимости от количества микросфер и типа полимера коалесцированная композиция может обладать адгезионными свойствами. Высокие уровни содержания микросфер будут приводить к уменьшению или отсутствию адгезионного свойства, в то время как низкие уровни содержания, составляющие приблизительно менее, чем приблизительно 30% (масс.) при расчете на совокупную массу композиции, будут приводить к появлению адгезионного свойства у композиции.

[0042] В зависимости от полностью расширенного размера микросфер может быть откорректировано количество расширяемых микросфер в композиции. В зависимости от конкретных расширяемых микросфер, используемых в композиции, может быть модифицировано желательное количество микросфер в композиции.

[0043] Микросферы, кроме того, увеличивают структурную целостность коалесцированной композиции после своего расширения. Несмотря на то, что введение полостей в матрицу обычно приводит к уменьшению механической целостности, микросферы в полимерной матрице придают жесткость при нанесении на подложки. Это является в особенности хорошо подходящим для использования при упаковывании хрупкого содержимого.

[0044] В еще одном варианте осуществления микросфера может быть предварительно расширенной. В случае добавления в композицию предварительно расширенных микросфер предварительно расширенные микросферы должны быть выбраны таким образом, чтобы ВЧ-нагревание не начинало бы разложения микросфер. Тем не менее, в еще одном варианте осуществления микросферы могут представлять собой смесь из предварительно расширенных и расширяемых микросфер.

[0045] Композиция необязательно, кроме того, содержит любые пластификаторы, добавки, придающие клейкость, увлажнители, ускорители, наполнители, пигменты, красители, стабилизаторы, реологические модификаторы, поливиниловые спирты, консерванты, например, антиоксидант, биоцид; и их смеси. Данные компоненты могут быть включены в количестве в диапазоне от приблизительно 0,05% до приблизительно 15% при расчете на массу композиции.

[0046] Примерами пластификаторов являются дибензоаты, доступные под обозначением BENZOFLEX®, такие как диэтиленгликольдибензоат, дипропиленгликольдибензоат и тому подобное.

[0047] Ускоритель представляет собой многовалентный катион от растворимых в воде солей, включающих широко доступные нитрат алюминия (Al(NO₃)₃), ацетат циркония, цирконилкарбонат аммония (доступный под обозначением Bacote 20 в компании Zirconium Chemicals). Добавление многовалентной растворимой в воде соли сокращает время, требуемое для излучения во время расширения композиции. При добавлении могут быть использованы от приблизительно 0,05 до приблизительно 1, предпочтительно от приблизительно 0,1 до 0,3, % (масс.) при расчете на совокупную массу композиции.

[0048] Примеры консервантов включают 1,2-бензизотиазолин-3-он, 5-хлор-2-метил-4-изотиазолин-3-он и 2-метил-4-изотиазолин-3-он. Обычно консерванты могут быть использованы в количестве в диапазоне от приблизительно 0,05% до приблизительно 0,5% при расчете на массу композиции до схватывания композиции.

[0049] Примеры наполнителей включают крахмальную крупку, физически модифицированный крахмал и химически модифицированный крахмал.

[0050] При желании могут быть использованы и другие материалы, которые не оказывают неблагоприятного воздействия на композицию и изолирующие свойства композиции. При желании в композицию могут быть включены и другие добавки и/или соли для увеличения коалесцирования композиции.

[0051] Хотя композиция может начать коалесцировать при комнатной температуре и высоком уровне содержания влаги, она будет по существу текучей вплоть до уровня содержания влаги, составляющего приблизительно 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 или 1% (масс.) при расчете на совокупную массу. Предпочтительно уровень содержания влаги должен выдерживаться на уровнях, составляющих более, чем приблизительно 20% (масс.), для предотвращения преждевременного коалесцирования. Преждевременное коалесцирование может приводить к неравномерному высушиванию, что вызывает получение неравномерной толщины высушенной композиции на подложках.

[0052] ВЧ-нагревание также делает возможной высокую производительность при изготовлении изделий. Композиция должна быть разработана в согласовании с данным высокопроизводительным способом для доведения уровня содержания твердого вещества в композиции до максимума. Предпочтительным является эффективный отгон молекул воды без оставления неприглядных морщин или неровности на подложках.

[0053] Как это ни удивительно, но ВЧ-нагревание обеспечивает получение однородного и равномерного активирования микросфер и быстрого исхода воды из композиции при повышенной производительности. Однородность и равномерность коалесцированного покрытия придает изделию однородную теплоизоляцию и сводит к минимуму неприглядные морщины на подложках при одновременном увеличении производства.

[0054] Еще один вариант осуществления направлен на способ образования изделия, включающий стадии:

(а) получения композиции, содержащей (i) полимер на водной основе, (ii) множество расширяемых микросфер, характеризующихся диапазоном температуры начального расширения от приблизительно 80°C до приблизительно 110°C и диапазоном температуры максимального расширения от приблизительно 50°C до приблизительно 150°C; и (iii) необязательно добавку;

(b) нанесения композиции на первую подложку;

(с) наложения второй подложки на композицию при образовании, тем самым, изделия, где композицию заключают в сэндвичевую конструкцию между двумя подложками;

(d) подвода диэлектрического нагревания к изделию;

в результате чего множество расширяемых микросфер в композиции расширяется, а композиция коалесцирует.

[0055] Изделия являются подходящими для использования в качестве защитных упаковок, транспортировочных упаковок, ударопрочных упаковок и изоляционных упаковок. Упаковки включают стаканчики, контейнеры для продуктов питания, ящики, картонные коробки, мешки, крышки, боксы, чехлы, транспортировочные мешки, обертки, створчатые упаковки и тому подобное.

[0056] Подложки включают древесноволокнистые плиты, древесностружечные плиты, гофрированные картоны, гофрированные материалы, сплошные беленые картоны (SBB), сплошные беленые сульфитные картоны (SBS), сплошной небеленый картон (SLB), макулатурные мелованные картоны (WLC), крафт-бумаги, крафт-картоны, мелованные бумаги и переплетные картоны.

[0057] Композиция может быть нанесена на первую подложку в любой желательной конфигурации, в том числе в виде последовательности из точек, полос, волн, расположений в шахматном порядке, профилей любых обычных многоугольников, которые имеют по существу плоские основания, и их комбинаций. Кроме того, композиция может быть нанесена на первую поверхность в виде последовательности из цилиндров. В дополнение к этому, при желании композиция может быть нанесена на первую поверхность в виде по существу плоского листа, покрывающего всю первую поверхность (полное ламинирование) или покрывающего часть первой поверхности. На верхнюю поверхность композиции накладывают вторую подложку, образуя конфигурацию сэндвичевой конструкции в виде: первая подложка - композиция, содержащая расширяемые микросферы - вторая подложка.

[0058] Тем не менее, в еще одном варианте осуществления изолированное изделие включает по существу плоскую подложку и неплоскую округлую подложку. Композицию наносят либо на по существу плоскую подложку, либо на неплоскую подложку, либо на обе подложки с образованием изолированного изделия. Композиция может быть нанесена для получения полного покрытия на поверхности подложки (подложек) или получения селективного покрытия на частях поверхности подложки (подложек). Рисунок может иметь вид случайных или различных упорядоченных узоров. Таким образом, получающееся в результате изделие включает изолирующее пространство между поверхностями обкладок. Изделия, включающие нанесенную в виде рисунка композицию, имитируют разделитель, расположенный в промежутке между двумя подложками. Пространство между двумя подложками образуется и выдерживается расширенными микросферами.

[0059] Необязательно в промежутке между двумя подложками может быть нанесен другой клей. Это будет в особенности хорошо подходящим для использования при связывании двух подложек друг с другом в случае композиции, характеризующейся низкими адгезионными свойствами или их отсутствием. Другой клей может быть нанесен до, во время или после нанесения композиции на первую подложку. В еще одном варианте осуществления другой клей может быть нанесен на вторую подложку, и две подложки соединяют друг с другом при использовании композиции, и другой клей заключают в сэндвичевую конструкцию между двумя подложками. Пример другого клея включает термоплавкий клей, клей, склеивающий при надавливании, клей на водной основе и клеи на основе растворителей.

[0060] Влажную композицию наносят в промежутке между двумя подложками с образованием изделия, а после подвергают воздействию диэлектрического нагревания для коалесцирования композиции и расширения микросфер. Поэтому нагревание запирает компоненты, в том числе множество расширенных микросфер, «по месту» на поверхности подложек. Диэлектрическое нагревание создает переменное электрическое поле между полярными молекулами воды и вызывает быстрое нагревание. В присутствии воды температура увеличивается до 100°C, и вода выпаривается при одновременном расширении микросфер. Марки микросфер, характеризующиеся значениями Техр в диапазоне от приблизительно 80°C до приблизительно 100°C и Tmax в диапазоне от приблизительно 90°C до приблизительно 140°C, расширяются под воздействием диэлектрического нагревания.

[0061] Использование диэлектрического нагревания, в частности, ВЧ-нагревания, делает возможной быструю переработку. Поэтому ВЧ-способ делает возможной высокую производительность, и требуется меньшая площадь, чем при способе конвекционного нагревания. Помимо этого, при использовании ВЧ-переработки могут быть изготовлены более объемистые и несимметричные упаковки вследствие большей глубины проникновения и большей гибкости апертуры печи, чем у сверхвысокочастотных печей.

[0062] Упаковки с многослойными подложками, образованные при использовании композиции, содержащей микросферы, улучшают способность упаковки противостоять деформации при постоянном напряжении при повышенных и/или пониженных температурах. Как это ожидается специалистами в соответствующей области техники, деформация композиции увеличивается при добавлении микросфер при повышенной температуре.

[0063] Настоящее изобретение может быть лучше понято в результате анализа следующих далее примеров, которые являются неограничивающими и предназначены только для содействия разъяснению изобретения.

ПРИМЕРЫ

Пример 1 - Полимеры на водной основе

Таблица 1.

Эмульсия смолы	Наименование полимера на водной основе	Эмульсионный полимер	Уровень содержания твердого вещества	pH
1	Dur-O-Set C-325	PVAc	54-58%	4,5-6,0
2	Resyn 1072	PVAc	62-67%	3,5-5,5
3	Dur-O-Set E-200	EVA	53-59%	4,0-5,0

Пример 2 - Композиции

[0064] Композиции получали при использовании следующих далее компонентов. Каждую эмульсию смолы использовали для изготовления следующих далее композиций.

Таблица 2.

Композиция	A (%)	1 (%)	2 (%)	3 (%)	4 (%)	5 (%)
Эмульсия смолы	91,4	87,4	89,4	86,4	85,4	83,4
Расширяемые микросферы *	0	4,0	4,0	6,0	8,0	8,0
Benzoflex K88, Eastman	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0	4,0

NaCl, Aldrich	2,0	2,0	0	1,0	0	2,0
Глицерин, Aldrich	2,4	2,4	2,4	2,4	2,4	2,4
Methocel K4M, Colorcon	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
Kathon, Dow Chemical	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1

* Техр 80°C, Tmax 135°C, медианный размер частиц 15,2 мкм, порообразователь изобутан (концентрация 10-20%), плотность ≤10 кг/м³.

[0065] Каждую композицию изготавливали в результате смешивания компонентов в емкости.

Пример 3 - Активирование

[0066] Композицию 4, содержащую композицию эмульсии смолы 3, в ее влажном состоянии наносили на бумажные подложки (бумага с массой 500 листов в 20 и 24 фунта (9,07 и 10,89 килограмма), Golden Kraft) в виде последовательности из точечного рисунка. Каждую подложку активировали при использовании конвекционного нагревания, сверхвысокочастотного или диэлектрического ВЧ-нагревания (40 МГц и 55-62 А). Начальную высоту покрытия и конечную высоту после активирования регистрировали в таблице 3. Процентную влажность непосредственно после активирования визуально измеряли в результате вычисления количества нерасширенных сегментов покрытий.

Таблица 3.

Активирование	Диэлектрическое ВЧ-нагревание	Конвекционное нагревание	Сверхвысокочастотное нагревание
Начальная толщина	0,023 дюйма (0,58 мм)	0,025 дюйма (0,64 мм)	0,021 дюйма (0,53 мм)
Время в нагревательной установке	7 секунд	7 секунд	7 секунд
Конечная высота	0,1-0,12 дюйма (2,54-3,05 мм)	0,03-0,045 дюйма (0,76-1,14 мм)	0,03-0,08 дюйма (0,76-2,03 мм)
%-ное увеличение	77-81%	16-44%	30-74%
%-ная влажность непосредственно после	0-15%	80-90%	60-90%

Комментарии	Расширение по всем расширяемым местоположениям клея относительно равномерно по всему объему	От отсутствия расширения до маленького расширения при высушивании клея и легкое расширение на кромках местоположений клея. Большая величина разрыва волокна	От отсутствия расширения до маленького расширения при случайном расширении в пределах местоположений клея
Открытие непосредственно после расширения	Фигура 1А	Фигура 2А	Фигура 3А
Полное высушивание после расширения	Фигура 1В	Фигура 2В	Фигура 3В

[0067] Активирование при использовании ВЧ-излучения характеризовалось превосходными процентным увеличением расширения микросфер и равномерностью в сопоставлении с другими двумя способами нагревания. Также ВЧ-нагревание обеспечивало намного более быстрое высушивание, поскольку процентная влажность была значительно меньшей, чем в случае конвекционного и сверхвысокочастотного нагревания.

[0068] Фотографии активированной композиции на бумаге продемонстрированы на фигурах 1-3. ВЧ-нагревание, как это продемонстрировано на фигурах 1А и 1В, обеспечивало получение согласованного и равномерного расширения, в то время как конвекционное (фигура 2А и 2В) и сверхвысокочастотное (фигуры 3А и 3В) нагревания не обеспечивали согласованного расширения композиции.

Пример 4 - Уровень содержания твердого вещества

[0069] Для понимания скоростной производительности упаковку образовывали в результате нанесения покрытия из композиции 4 (эмульсии смолы 3) на первую подложку, а вторую подложку располагали поверх первой подложки. После этого упаковку оставляли на открытом воздухе при температуре окружающей среды (в диапазоне от приблизительно 72°F (22,2°C) до приблизительно 90°F (32,2°C)) на протяжении менее, чем 1, 2 или 5 минут до активирования при использовании ВЧ-излучения при 40 МГц и 55-62 А.

[0070] Внешний вид упаковки на обратной стороне подложки с нанесенным покрытием продемонстрирован на фигурах 4А, 5А и 6А. Две подложки разводили и фотографировали для фигур 4В, 5В и 6В.

Таблица 4.

ВЧ-нагревание после нанесения покрытия	Менее, чем 1 минута	2 минуты	5 минут
Диапазон толщин	0,125-0,135 дюйма (3,18-3,43 мм)	0,09-0,115 дюйма (2,29-2,92 мм)	0,075-0,105 дюйма (1,91-2,67 мм)
Наблюдение	Равномерная высота толщины высушенной композиции, менее, чем 10% подложки имеют морщины	Неравномерная толщина высушенной композиции, более, чем 40% подложки имеют морщины	Серьезная неравномерная высота толщины высушенной композиции, более, чем 80% подложки имеют морщины
Внешний вид	Фигура 4А	Фигура 5А	Фигура 6А
Изображение внутри	Фигура 4В	Фигура 5В	Фигура 6В

[0071] Несмотря на то, что высокий уровень содержания твердых веществ делает возможной увеличенную производительность при изготовлении, поверхность композиции, характеризующейся высоким уровнем содержания твердого вещества, может образовывать кожицу на поверхности композиции, предотвращая исход влаги. Для сведения к минимуму морщин и неравномерного вспенивания композиции должны быть активированы при использовании ВЧ-излучения на протяжении менее, чем 1 минуты. Высокопроизводительный способ, включающий нанесение покрытия и активирование покрытия на протяжении менее, чем 1 минуты, делает возможным получение максимальной выгоды.

1. Способ вспенивания композиции, включающий:

(а) получение композиции, содержащей (i) полимер на водной основе, выбранный из группы, состоящей из крахмала, винилацетат–этиленовой дисперсии, поливинилацетата, поливинилацетат–поливинилового спирта, поливинилацетата, стабилизированного декстрином, поливинилацетатных сополимеров, винилацетат–этиленовых сополимеров и их смесей, (ii) от 0,1 мас.% до 70 мас.% множества расширяемых микросфер, характеризующихся диапазоном температуры начального расширения от 80°С до 110°С и диапазоном температуры максимального расширения от 50°С до 150°С; и (iii) добавку, выбранную из группы, состоящей из пластификаторов, добавок, придающих клейкость, увлажнителей, ускорителей, наполнителей, пигментов, красителей, стабилизаторов, реологических модификаторов, поливиниловых спиртов, консервантов и их смесей;

(b) нанесение такой композиции на целлюлозную подложку и

(с) воздействие на композицию диэлектрического нагревания на протяжении менее чем 1 минуты от стадии (b);

в результате чего расширяется множество расширяемых микросфер в композиции.

2. Способ по п. 1, где полимер на водной основе представляет собой крахмал, винилацетат–этиленовую дисперсию, поливинилацетат, поливинилацетат–поливиниловый спирт, поливинилацетат, стабилизированный декстрином, поливинилацетатные сополимеры, винилацетат–этиленовые сополимеры или винил–акриловый материал.

3. Способ по п. 1, где композиция, кроме того, содержит ускоритель, который представляет собой многовалентную растворимую в воде соль.

4. Способ по п. 3, где ускоритель выбирают из группы, состоящей из нитрата алюминия, ацетата циркония, цирконилкарбоната аммония и их смесей.

5. Способ по п. 1, где диэлектрическое нагревание является радиочастотным нагреванием.

6. Способ по п. 5, где радиочастотное нагревание проводят в диапазонах, соответствующих менее чем 300 МГц.

7. Способ по п. 5, где радиочастотное нагревание проводят в диапазонах, соответствующих 14,27 или 41 МГц.

8. Способ формирования изделия, включающий стадии:

(а) получения композиции, содержащей (i) полимер на водной основе, выбранный из группы, состоящей из крахмала, винилацетат–этиленовой дисперсии, поливинилацетата, поливинилацетат–поливинилового спирта, поливинилацетата, стабилизированного декстрином, поливинилацетатных сополимеров, винилацетат–этиленовых сополимеров и их смесей, (ii) от 0,1 мас.% до 70 мас.% множества расширяемых микросфер, характеризующихся диапазоном температуры начального расширения от 80°С до 110°С и диапазоном температуры максимального расширения от 50°С до 150°С; и (iii) добавку, выбранную из группы, состоящей из пластификаторов, добавок, придающих клейкость, увлажнителей, ускорителей, наполнителей, пигментов, красителей, стабилизаторов, реологических модификаторов, поливиниловых спиртов, консервантов и их смесей;

(b) нанесения композиции на первую целлюлозную подложку;

(с) наложения второй целлюлозной подложки на композицию при образовании, тем самым, изделия, где композицию заключают в сэндвичевую конструкцию между двумя подложками;

(d) подвода диэлектрического нагревания к изделию на протяжении менее чем 1 минуты от стадии (с);

в результате чего расширяется множество расширяемых микросфер в композиции.

9. Способ по п. 8, где первая и вторая целлюлозные подложки независимо представляют собой древесноволокнистую плиту, гофрированный картон, сплошные беленые картоны, крафт–бумагу или мелованную бумагу.

10. Способ по п. 8, где композицию наносят в виде рисунка, который представляет собой последовательность из точек, полос, волн, расположения в шахматном порядке или профиль многоугольника, которые имеют по существу плоские основания.

11. Способ по п. 8, включающий, кроме того, стадии нанесения клея в промежутке между первой подложкой и второй подложкой, которым является термоплавкий клей.

12. Способ по п. 8, где диэлектрическое нагревание является радиочастотным нагреванием.

13. Способ по п. 12, где радиочастотное нагревание проводят в диапазонах, соответствующих менее чем 300 МГц.

14. Способ по п. 13, где радиочастотное нагревание проводят в диапазонах, соответствующих 14,27 или 41 МГц.

15. Способ по п. 8, где изделие представляет собой стаканчик, контейнер для продуктов питания, ящик, картонную коробку, мешок, бокс, крышки, чехол, обертку или створчатую упаковку.