JP2000511964A

JP2000511964A - リグニン−ベースの蒸気バリヤ組成物

Info

Publication number: JP2000511964A
Application number: JP10501537A
Authority: JP
Inventors: ヴィライオンズ，アンソニー; エムベリー，エドワード
Original assignee: アルセルテクノロジーズインコーポレイテッド
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2000-09-12
Also published as: MX9801195A

Abstract

(57)【要約】本発明は紙基材上に被覆及びラミネートするために好適であり、分散物としてオルガノソルブ、マイカ及びラテックスとを備えた蒸気バリヤ組成物を提供する。そのラミネートされた紙製品はリサイクル可能である。

Description

【発明の詳細な説明】リグニン−ベースの蒸気バリヤ組成物発明の背景一般に水蒸気のバリヤは、１またはそれ以上の多重壁の積み出しサック容器又は包材それ自身によって周囲の大気からの包装された製品への水蒸気の透過を防止する耐性をそれ自身が有するか、またはそのような耐性を与えるような材質を持つ被覆、含浸またはラミネートされた包材である。水蒸気バリヤは、それの水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）による一般的な割合であり、ＭＶＴＲは、与えられた温度と相対湿度中でバリヤを通過する透過水蒸気の割合である。水蒸気バリヤは、未使用で引き渡す製品中の物理的または化学的な変化の原因となる水分の親和を伴う製品の保護のために一般に用いられる。紙は、商業的バラエティに富み、且つフレキシブルな包装、コルゲート材及びファイバーボードの作製による機械的な適用において広く使用される。紙の物理的特性と相対的な価格の安さは、多くの適用物のために魅力ある紙の作製において考慮すべき重要な点である。通常の紙の一定した特性は、多くの機械的適用への使用によって制限される。例えば、通常の紙は、たやすく水分を吸着し且つ非常に弱い湿強度を有する。通常の紙を水に直接接触させ、または風雨に曝された時には、たやすく環境水分を吸収し、その結果湿強度が実質的に無い状態を示す。多くの紙製品のために、水にさらしたり、湿強度を減じる結果となることは、その製品の実用性を損ない得る。一定の適用のために望ましくない結果を招く紙の別な特性は、油とグリースを吸着することであり、それは油またはグリースを含有する製品の包装に使用するために望ましくない。紙の使用を拡張するため、紙は、ラミネート、被覆する処理が施され、または特定の最終使用者の要求を満たすための不透水のバリヤを形成するように別な材料と組み合わされる。バリヤとして要求される最も普通の紙の適用は、水、水分、グリース、油、ガス、臭気に対する抵抗性を要する多壁搬送袋（multiwall ship ping sacks）、紙包材と食品包装のための適用である。多壁クラフト紙（Multiwall kraft paper）は特定の性能を持つ１又はそれ以上のバリヤ材を組み合わせた時、包装のコスト／パフォーマンスがバランスされる結果になる。被覆は多壁クラフト基体上に単層または多層に通常押出成形される。被覆とフィルムは、特有な性能の樹脂の２又はその以上の層からなる混成単層フィルムに加えて有用なポリマーと変性ポリマーの数のこれまでの増加に取り組む。これらの構成されたフィルムは押出（extrusion）又は粘着ラミネーション（adhesive lamination）によって又はコエクストルージョン（coextrusion）によって製造可能である。搬送袋フィルム（shipping sac films）はフリー或いは無支持（unsupported ）のフィルムとしてしばしば適用される。作製された袋において、しかしながら、それらはしばしば支持されたフィルムのように見える。すなわち、それらは粘着によって或いは加熱ラミネーションによって接合される。多壁搬送袋において使用され遥かに高いボリュームで成長するプラスチック被覆とフィルムは、強度、フレキシブル性、及び融点の変化を伴う比重の範囲で作製されるポリエチレンであった。主要な貢献ファクターは、有用性、低コスト、及びその水蒸気バリヤとしての実力であり、搬送袋として要求される最も普通のバリヤである。ラミネート紙（laminated paper）は、紙、プラスチックフィルム、セロファン、ホイル、又は他の材料のうちの１又はそれ以上の層に接合した少なくとも１層の紙のいずれかの組み合わせを包含する一般的な用語である。それ故に、ラミネート紙は、例えば澱粉粘着材で一体に結合したクラフトの平二層シートから、ポリエチレン／ホイル／ポリエチレンにクラフトラミネートされた複合構造物の範囲となるであろう。ホイル／紙ラミネート体は、接着剤又はラミネーティング剤、実用的にはワックス、ホットメルト、又は金属ホイルの連続シートに対してポリエチレン押し出しによってクラフト結合されて成る。グリース耐性（greaseproof）、グラシン（glassine）と野菜パーチメント紙は共にグリース又は油を含む製品のためのバリヤである。グリース耐性紙は、" 水和された"特殊な亜硫酸または硫酸（クラフト）パルプを利用する。グラシンは、高い圧力と温度で繊維と蒸気加熱鋼製ロールを交互に続けてグリース耐性シートを通すランニングによって作製される。そのグリース抵抗性に加えて、グラシンは良好な機械加工性、優れた表面プリント特性を有し、且つ包装材に要求される特性を兼ね備えるため各種のフィルムとホイルを直ちに結合させることが出来る。ワックスラミネート材は１２０°Ｆ以上で軟化することから、ワックスラミネートされたグラシンは、包装操作において非常に熱い製品と直接接触することは好ましくないであろう。硫酸またはクラフト木材パルプは野菜パーチメント中の綿繊維の代わりに現に使用される。脱色された、不定形な、及び別な充填材料の無いウォーターリーフ紙は、ベースストック（base stock）として使用される。包装を企図するための野菜パーチメントの顕著な特徴は高いグリース耐性と濡れ強度の組み合わせである。標準グレード品は殆ど全てのタイプの油、グリース、テレビン油類等の浸透を防ぎ、湿った時に強度が高いパーセンテージで残る。固有の乏しい乾燥強度特性のために、それは包装の準備の時取り扱いが困難である。ロールラップは、水分の再吸収と明るさの復帰を妨げるラップロールに使用する紙として普通関連している。ロールラップにおいて、水蒸気バリヤとして最も普通の材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン又はワックスのような石油系べースの製品である。これらの製品は優れた水蒸気バリヤ特性を有し、経済的に適用でき、旦つ産業において広い用途がある。ロールラップ紙はワックス又はポリエチレンと一緒にラミネートされたライナーボードの二つの層で典型的に出来ている。プラスチックフィルムとロールラップ紙は良好なバリヤ特性を有する一方、それらは、バリヤ材（ポリエチレン、ポリプロピレン又はワックス）が最終製品に混在し、スクリーニングと別な製紙設備において操作上の問題を起こすことから紙をリサイクル可能ではない。その結果、ロールラップは紙のリサイクルシステムから注意深く除去する必要があり、且つ使用後は埋め立てられる。埋め立てのコストは、埋め立て有効用地が絶えず縮小していることから急騰している。埋め立てに代わるべき手段としての焼却及び堆肥化は、焼却により一部が大気中に放散し且つ灰の毒性のあることから焼却に代わって普及の増大している堆肥化への適用が見出されている。普及が増大している堆肥化では、堆肥化するのに用意する材料は、２５から３０炭素毎に窒素となる適当な炭素と窒素の比率を有する。水蒸気バリヤ包材のリサイクル性は、埋め立てスペースが役立たなくなってきており、リサイクル使用が出来ないことに伴いコストがひっ迫していることから、主要な関心事になっている。それ故に、水蒸気バリヤ被覆又はラミネートを変えることによって典型的な紙のリサイクルにより適合するミルラップ（mill wra p）を作製する必要がある。本発明の方法により、環境に優しい、ラミネート化に有用なリグニン-ベースの組成物（lignin-based formulations）が提供される。その組成物は、水-ベースで、蒸気バリヤ特性と包装材製品用に要求される実力を満たし、且つ現行の工業規格に比べてリサイクル機能性を増す。天性の疎水性を持つオルガノソルブリグニンは、本発明の組成物のための良好な候補である。発明の開示本発明の目的は、蒸気バリヤ組成物を提供することである。その組成物はオルガノソルブ（organosolv）リグニン、マイカ及びラテックスとを備えている。一つの実施態様において、そのリグニンはアンモニア分散物（ammonia dispersion ）であり、また別な実施態様において、そのリグニンはポリアクリレート分散物（polyacrylate dispersion）を備える。本発明の組成物は、リサイクルが可能な紙ラミネート製品を製造する紙基材上に被覆及びラミネートすることができる。本発明の別な特徴と態様が同様の別の利益を有することは以下の好適な実施態様により詳細な記載から直ちに確認できるであろう。好適な実施態様の説明本発明において使用されるリグニンは、例えばエタノールのような有機溶媒による新規な化学的脱リグニン技術によって小さなバイオポリマーとしてバイオマス植物から分離される。通常、オルガノソルブリグニンに関して言えば、それは流動性の無い、無毒な粉末である。それはアルカリ水溶液と選ばれる有機溶媒中に可溶である。それは、疎水性、高純度、メルトフロー及び炭水化物と無機不純物の低いレベルとによって一般に特徴付けられる。本発明のリグニンは、それに限定されないが、ロールラップ、ロールヘッダー、スキッドラップ、多壁袋、芯、段ボール箱及び食品パックを含む適用のための水-ベースの蒸気バリヤとして形式化できる。さらに、本発明のリグニン組成物は適当な紙基材にラミネートするとき、環境に優しい最終製品を導く。その最終製品は、再パルプ化及びリサイクル紙からリグニンを脱離することによってリサイクルできる。またリグニンはラミネートからの抽出物中に移行してもよい。リグニンは、アンモニアを使った水性分散物（aqueous dispersion）として形成し得る。リグニン分散物は、分散物の最終ｐＨが約８から約１２となるようなアンモニア水溶液と共にリグニンを混合することによって通常得られる。適当な粘度に到達するために、リグニンの粒子サイズは約０．１ミクロンから２０ミクロン、好ましくは約０．５ミクロンから１．５ミクロンの最終粒子サイズの状態にすることができる。リグニンとアンモニアのための自己分散物を創造する分散は、乾燥によって組成物中に疎水性リグニンを残して留去する一過性のカチオンである。選択的に、別の分散媒または分散媒助剤もまた使用し得る。かくして得られたリグニン分散物は、例えばスチレン-ブタジエンゴム、塩化ビニリデンブタジエン、ネオプレンまたは別な不揮発性、非移動性且つリグニンのガラス転移温度を減じる幾つかの別なラテックスのようなラテックスと混合できる。必要であれば、被覆用分散物として安定に機能し且つ水蒸気バリヤとして確実なマイカ（mica）のような充填物（filler）を添加することができる。その比率は、乾物ベースとして、約４０％から６０％のリグニン、３３％までのマイカ、約５％から３５％のラテックスである。かくして得られたリグニンは、ライナーボードまたはクラフト紙のような適当な紙基材上にラミネートされる。別の実施態様において、リグニンは、ポリアクリレートのような酸系中で安定な分散媒を用いた水性分散物として形成し得る。このリグニン分散物は、分散物の最終ｐＨが僅かな塩基性か中性となるような分散媒の水溶液と共にリグニンを混合することにより通常得られる。適当な粘度に到達するために、リグニンの粒子サイズは約０．５から約５ミクロンとすることができる。かくして得られたポリアクリレートリグニン分散物は、例えばポリ（ビニル）アセテート又は不揮発性、非移動性且つリグニンのガラス転移温度を滅じる幾つかの別なラテックスのようなラテックスと混合できる。必要であれば、被覆用分散物として安定に機能し且つ水蒸気バリヤの増強が確実なマイカのような充填物を添加することができる。その比率は、乾物ベースとして、約５％から４０％のリグニン、２０％までのマイカ、約４０％から６０％のラテックスである。本発明のリグニン組成物は、リニアボード又はクラフト紙のような適当な紙基材にコーティングするように適用できる。メイヤーロッド（Meyer rod）又は前方ロールコーター（forward roll coater）が使用できる。被覆された基材は、４０から約６０ｇ／ｍ²のようにラミネートされる。組成物中のバインダーとして使用されるラテックスのタイプは、使用するラミネート製品により決定されるであろう。かくしてそのラテックスがリグニンのガラス転移温度を減じることなく、冷間粘着特性が無ければ、そのコーティングは乾式で温度と圧力を用いてラミネートすることが必要であろう。そのラテックスが良好な粘着特性を有すれば、そのコーティングは前述したケースとは異なり、乾式で行う必要は無く、且つそのラミネートは多くの熱又は圧力を要しないであろう。本発明のラミネート物は、約４から約６００ｇ／ｍ²／日のＷＶＴＲを提供し得る。本発明のラミネート紙は、例えば水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム又は高アルカリ炭酸塩のような無機の塩基と共に、約１０から約１２のｐＨでスラリー化（slurrying）によってリサイクルが可能である。そのスラリーは、ラミネート物をセルロース繊維とアルカリ性リグニン溶液の個々に分割するような典型的なパルプ化条件下でブレンドされる。そのスラリーは、リグニンの水溶液と紙の製造に使う繊維のマットとを分離する例えばドラムフィルター又はプレスフィルターにより濾過される。その濾液はリグニンを回収するためにｐＨを約４から約６に酸性化し得る。択一的に、そのラミネート化した製品は繊維上のリグニンを除く中性条件下で再パルプ化され得る。いくらか斑点の付いたリサイクル紙に至るアプローチとなるこのタイプから、汚点が目立たない多様な紙製品の内層（ interior layer）への使用のためにより適合する繊維が得られる。対照的に、ワックスとポリエチレンを含む紙は、製紙機械の乾燥工程で紙の表面に移行し又はしみ出しを生じる操作上の問題を引き起こすことから、内層中の充填繊維として同等に使用することは出来ない。それ故に、ワックス又はポリエチレンラミネート物は一般に埋め立て又は焼却される。実施例１リグニン分散物は、ｐＨが１０のようなアンモニア水溶液中４５％のリグニンを混合することによって調製した。粒径を減じるため、リグニン分散物は、スーパーミル（Supermill）と称されるプレミアーミル社（Premier Mill Corporatio n）製の水平研磨ミル（horizontal grinding mill）を通過させた。粒子サイズは１ミクロンを１０％下回り、直径１ミクロン未満が８７％となるようにした。実施例２実施例１のリグニン分散物を表１に示す通りの被覆組成物中に配合した。表１成分（％）重量によるリグニン２７．４５充填物１４．１０ラテックス８．３０レオロジー変調材０．１５水５０２５℃且つ１００rpmで測定した最終的なブルックフィールド粘度（Brookfiel d viscosity）は、約２０００cpsであった。最終固体物含量は約５０％、またそのｐＨは約８であった。実施例３リグニン分散物は、ｐＨが６から７となるようなポリアクリレート水溶掖中に４５％のリグニンを混合することにより調製した。その粒子サイズを減じるため、このリグニン分散物は実施例１と同様に処理した。実施例４実施例３のリグニン分散物を表２に示す通りに配合した。表２成分（％）重量によるリグニン２０．３０充填物８．７０ラテックス２８．７１分散媒０．２９水４２．０２５℃旦つ１００rpmで測定した最終的なブルックフィールド粘度は、約２５００cpsであった。最終固体物含量は約５８％、またそのｐＨは約６．５であった。実施例５実施例２の組成物は、５％の目標水分と４４から５４ｇ／ｍ²のラミネート被覆重量となるように３０Ｍ／分のウェブ速度でベースストック（base stock）上に塗布した。３つの異なるベースストックを被覆した：２６ポンドのリニヤボード、５０ポンドのクラフトサック及び６０ポンドのフリーシートウェプベースストック（freesheet web base stock）。ＷＶＴＲの測定結果は、２５℃の温度と５０％ＲＨ（相対湿度）で、４４．５ｇ／ｍ²の被覆重量で７．３ｇ／ｍ²／日の平均ＷＶＴＲを示した。測定は、HOCON Permatran-W 3/31を使用した。実施例６実施例４の組成物を、４０から４８ｇ／ｍ²の目標ラミネート被覆重量と８から１０％の水分含量となるように４００Ｍ／分のウェブ速度で７８ポンドのベースストック上に塗布した。ＷＶＴＲの測定結果は、４０℃と１００％ＲＨで、４３．９ｇ／ｍ²の被覆重量で４８３ｇ／ｍ²／日の平均ＷＶＴＲを示した。測定は、MOCON Permatran-W 3/31を使用した。実施例７７つのロールを実施例６のリグニン被覆包材で、また別に７つのコントロールロールがワックス包材（２ターンラップ）を包装した。なおラッパー位置（wrap per station）とクリンプ位置（crimping station）には差が無い。リグニンの包材で漏れなく包んだロールは、そのロールラップの僅かに高い水分含量と見なせる。そのロールは２つのグループに分けた。８つのロール（４ワックス＋４リグニン）の一方のグループは２５℃と５６％ＲＨで保管し、また別なグループは高温保管条件を想定し３７℃と４０％ＲＨで保管した。紙のサンプルは2 1/2インチの深さに1/2インチ間隔でロールから取り出した。そのサンプルは、保管３２日での水分と明るさ（brightness）の何らかの変化を分析した。ワックス被覆包材で包装した又はオルガノソルブリグニンベースの組成物で包装したロールでの紙の明るさと水分の変化に明確な差は無かった。表３に示す通り、変化の大きさは、被覆紙又はその測定の通常の変動範囲内にあると考えられる。表３明るさ水分（ＩＳＯ）（％）ワックス包材開始時７４．２４．５２最終７４．３４．６５（２５℃、５６％ＲＨ）最終７３．７４．６５（３７℃、４０％ＲＨ）リグニン包材開始時７４．１４．４１最終７４．０４．６（２５℃、５６％ＲＨ）最終７３．９４．６（３７℃、４０％ＲＨ）実施例８この実施例において、実施例６のラミネート物は、７．５のｐＨの水で４．５％の濃度で旦つ２００ＨＰパルパー（200 HP pulper）を用いて高速で再パルプ化することによってリサイクルされる。再パルプ化したリグニン被覆紙は、暗色のリグニン被覆の大きなフレークを含む。この完成紙料（furnish）は６層チップボード製品中の中層（２から５層）の繊維として５０：５０の比率で古新聞紙と共に用いた。これは、６シリンダーの小林ウルトラフォーマー（Kobayashi Ultra-Former）、１３０”トリムにより、べース重量７２０ｇ／ｍ²、５．５％水分と５００ミクロン厚のマルチパックチップボード（multipak chipboad）を製造した。得られたチッブボードは、古新聞紙を単独使用した場合に得られる製品と同程度の品質であった。表面に内層からのリグニンの移行の形跡は無かった。ねじれ効果又は他の寸法的な問題は無いことが観測された。結論として、このリグニン被覆紙は再パルプ化できることが確認された。リグニンの汚点の存在が再生紙において不適であるなら、リグニンを含んだ完成紙料の使用は、目に見えるリグニンの汚点の存在を隠すように中層中に添加することのできるチップボードのような適用に限定することができる。本発明と付随する多くの有利性は先の詳細な説明から理解し得るであろうし、また各種の変形や変更は、この発明の精神と範囲を逸脱しない限り可能であり、材料の有利性、材料の特性、処置及び好適な実施態様に記載された実施例に限定されるものではない。

Claims

【特許請求の範囲】１．紙基材上にラミネートするために好適な蒸気バリヤ組成物であり、乾燥重量ベースで、約４０％から６０％のオルガノソルブリグニンと、３３％までのマイカと、５％から３５％のラテックスを備えたことを特徴とする蒸気バリヤ組成物。２．上記リグニンがアンモニア分散物を備えたことを特徴とする請求項１記載の蒸気バリヤ組成物。３．上記リグニンの粒径が約０．１から約２０ミクロンであることを特徴とする請求項２記載の蒸気バリヤ組成物。４．紙基材上にラミネートするために好適な蒸気バリヤ組成物であり、乾燥重量ベースで、約５％から約４０％のオルガノソルブリグニンと、３３％までのマイカと、約５％から約３５％のラテックスを備えたことを特徴とする蒸気バリヤ組成物。５．上記リグニンがポリアクリレート分散物を備えたことを特徴とする請求項４記載の蒸気バリヤ組成物。６．上記リグニンの粒径が約０．５から約５ミクロンであることを特徴とする請求項５記載の蒸気バリヤ組成物。７．リサイクル可能なラミネート紙であり、紙基材と、乾燥重量ベースで、約４０％から約６０％のオルガノソルブリグニンと、３３％までのマイカと、約５％から約３５％のラテックスを備えた蒸気バリヤ組成物を備えた被覆とを備えたことを特徴とするリサイクル可能なラミネート紙。８．上記リグニンがアンモニア分散物を備えたことを特徴とする請求項７記載のリサイクル可能なラミネート紙。９．上記リグニンの粒子サイズが約０．１から約２０ミクロンであることを特徴とする請求項８記載のリサイクル可能なラミネート紙。１０．リサイクル可能なラミネート紙であり、紙基材と、乾燥重量ベースで、約５％から約４０％のオルガノソルブリグニンと、３３％までのマイカと、約５％から約３５％のラテックスを備えた蒸気バリヤ組成物を備えた被覆とを備えたことを特徴とするリサイクル可能なラミネート紙。１１．上記リグニンがポリアクリレート分散物を備えたことを特徴とする請求項１０記載のリサイクル可能なラミネート紙。１２．上記リグニンの粒子サイズが約０．５から約５ミクロンであることを特徴とする請求項１１記載のリサイクル可能なラミネート紙。１３．水蒸気バリヤ特性を有するラミネート紙の製造方法であり、乾燥重量ベースで、約４０％から約６０％のオルガノソルブリグニンと、３３％までのマイカと、約５％から約３５％のラテックスの組成物を混和する；上記組成物を紙基材上に、約４０から約６０ｇ／ｍ²の被覆重量を有する被覆を作製するように塗布する；及び上記被覆をラミネートする；の各工程を備えることを特徴とするラミネート紙の製造方法。１４．上記リグニンがアンモニア分散物を備えたことを特徴とする請求項１３記載の方法。１５．上記リグニンの粒子サイズが約０．１から約２０ミクロンであることを特徴とする請求項１４記載の方法。１６．水蒸気バリヤ特性を有するラミネート紙の製造方法であり、乾燥重量ベースで、約５％から約４０％のオルガノソルブリグニンと、３３％までのマイカと、約５％から約３５％のラテックスの組成物を混和する；上記組成物を紙基材上に、約４０から約６０ｇ／ｍ²の被覆重量を有する被覆を作製するように塗布する；及び上記被覆をラミネートする；の各工程を備えることを特徴とするラミネート紙の製造方法。１７．上記リグニンがポリアクリレート分散物を備えたことを特徴とする請求項１６記載の方法。１８．上記リグニンの粒子サイズが約０．５から約５ミクロンであることを特徴とする請求項１７記載の方法。